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有关钛合金的研究与发展

来源:桂林理工大学材料科学与工程学院 作者:陈海金

铸造钛合金材料制作成工艺品应用到居住空间设计,铸造钛合金工艺品的使用寿命长,又抗腐蚀耐磨蚀,能够适应可持续居住空间设计原则,避免在后期居住过程中不必要的浪费。同时由于其可作为艺术品存在,能够满足空间设计的人性化要求,有利于优秀传统居住文化的传承,抵制住以不惜代价式的生态环境破坏式的设计。

钛合金是一种新型结构材料,它具有优异的综合性能,如密度小、比强度和比断裂韧性高、疲劳强度和抗裂纹扩展能力好、低温性能良好、抗蚀性优异等,某些钛合金的最高工作温度可达550℃,预期可达700℃,因此钛合金在航天、航空、汽车、造船等工业部门获得日益广泛的应用,发展迅猛。某些钛合金适于制造燃气轮机部件,钛产量中的80%用于航天和宇航工业。钛合金适于制造汽车悬架弹簧和气门弹簧等。用钛合金制造板簧与用抗拉强达2100Mpa的高强度刚相比可降低自重20%。用钛合金还可以制造车轮、气门底圈、排气系统零件。

目前钛合金的发展主要受限于当前的技术条件和经济水平,具体表现为:在技术条件方面,钛合金的结构性能一直是制约其广泛应用的主要障碍,集中表现为合金的强度、韧性和抗疲劳性及可塑性等方面不够理想;在经济方面,钛合金的材料成本较高、制造难度较大、工艺烦琐,并且良品率过低。因此,钛合金的未来发展方向应该是降低合成成本,并提高相关技术水平。即在保持好合金良好性能的同时,努力降加工和制造的成本,并加大力度投入新合金的设计与研发。同时重视钛合金的性能分析和数据积累,改进合金的制作工艺,提高产品合格率,并注重使用计算机进行模拟分析,降低合金的研发周期。

近年来,我国高新技术领域得到了迅猛发展,为了不断满足轻量化的需求,“载人航天工程”,“探月工程”等航空领域以及导弹等武器装备领域对优质钛合金构件的需求量逐年增加,船舶、化工、医疗等民用领域也逐渐开始广泛应用钛合金构件。然而目前优质钛合金部件的生成成本仍居高不下,其中海绵钛制备的成本占14%左右,钛合金材料制备的成本占36%左右,钛合金构件成形的成本占到50%左右,降低钛合金构件的生产成本已成为众多科研机构和生产单位不断攻关解决的重要课题之一,迫切需要发展低成本钛合金材料及其低成本成形技术。

实现钛合金材料及其成形技术的低成本化主要有三种途径,一是采用廉价元素的合金成分设计,设计钛合金材料时采用Fe等廉价元素代替V、Zr 等昂贵元素,在保持钛合金力学性能的前提下降低成本;二是进行钛料的回收利用,残钛的价格只有海绵钛价格的20~30%,在钛合金铸锭制备过程中添加回炉料,可以极大降低铸锭的制备成本,但回炉料中往往存在合金元素偏析、杂质元素含量较高等问题;三是开展低成本铸造工艺技术研究,主要是降低铸型的生产成本,目前钛合金铸型材料中应用最为广泛的是以氧化钇为代表的惰性氧化物,而对于采用惰性氧化物面层材料生产的钛合金精铸件,造型材料的成本占到铸件成本的30%以上,昂贵的造型材料成本成为制约钛合金精铸技术迅速发展的重要因素,采用廉价氧化物耐火材料替代氧化钇已成为目前重要的研究向。

虽然钛合金有种种的优点,但由于我国在此领域的研究起步较晚,同时由于国外的技术封锁,我国钛合金的质量和成本均与国际先进水平与较大的差距。但同时我国也有巨大的需求市场和广泛地应用场景,这就需要我国持续加大对钛合金的研究投入,鼓励技术创新,发挥计算机的优势,缩短研发周期,降低研发成本,加速钛合金的普及应用。随着航空航天技术的发展,钛合金工业的发展成为国力象征,钛合金的发展受到各国政府的高度重视和大力支持,在中国亦是如此,加大钛合金的科研投入,研究新的防护涂层工艺,降低工业生产成本,促进其发展。

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