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鈦材料行業(yè)研究專題(一) ——鈦材料介紹

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發(fā)布時間:2020-07-28

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鈦金屬(Titanim)日益被人們重視,被譽為“現(xiàn)代金屬”和“戰(zhàn)略金屬”,是提高國防裝備水平不可或缺的重要戰(zhàn)略物資,是20世紀50年代走向工業(yè)化生產(chǎn)的一種重要金屬,其性質優(yōu)良,儲量十分豐富,是正在崛起的“第三金屬”(第一是鐵,第二是鋁)。

一、鈦金屬的特性

鈦金屬具備密度小強度高、耐高溫及低溫、耐腐蝕性、仿生性等優(yōu)異特性,能夠廣泛用于各個新興產(chǎn)業(yè)領域。20200811_150635_000

鈦的缺點是與周圍環(huán)境中的氧和氫具有很高的反應活性,從而導致合金脆化,所以鈦合金的焊接必須在真空或惰性氣體中進行。同時,鈦很容易氧化,所以鈦合金的最高使用溫度也受到了其氧化特性的限制,由于鈦鋁化合物可以部分克服這一缺點,因此成為高溫合金研制的重點;此外,鈦基復合材料也是重要的研究方向。

二、鈦產(chǎn)品的種類

根據(jù)化學成分,鈦材可分為工業(yè)純鈦和鈦合金。工業(yè)純鈦的力學性能及化學性能與不銹鋼相近;鈦合金是以鈦為基體,加入合金元素鋁、錫、鉻、鉬、錳等合金元素組成的合金。

鈦是同素異構體(化合物有相同的分子式,但有不同的結構和性質),熔點為1668℃,在低于882℃時呈密排六方晶格結構,稱為α鈦;在882℃以上呈體心立方晶格結構,稱為β鈦。

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利用鈦的上述兩種結構的不同特點,添加適當?shù)暮辖鹪?,使其相變溫度及相分含量逐漸改變而得到不同組織的鈦合金。鈦的合金化元素可分為α相穩(wěn)定化元素、β相穩(wěn)定化元素和中性元素,α相穩(wěn)定化元素將α相區(qū)擴展到更高的溫度范圍,β相穩(wěn)定化元素則使β相區(qū)向較低溫度移動,中性元素就對β轉變溫度影響較小。根據(jù)合金退火后鈦的組織和特點分類,鈦合金可分為α型、β型、α+β型三種:



01|α型鈦合金

主要成分為鈦中加入鋁和錫,退火狀態(tài)下的組織是單相α固溶體,在低溫下組織比較穩(wěn)定,中等強度,焊接性能和抗腐蝕性較好;但塑性(變形能力)有限,只能在高溫下變形。α型鈦合金主要應用于化工和加工工業(yè)。



   



02|β型鈦合金

主要成分為鈦中加入鉻、鉬、釩等合金元素,這類合金經(jīng)淬火后得到β固溶體組織,高溫下組織比較穩(wěn)定,具有較高的強度和沖擊韌性;但更易氧化,密度較大,加工成本高,因此應用較少。



   



03|α+β型鈦合金

室溫組織為α+β兩相組織,力學性能范圍寬,可適應各種不同的用途,其中鈦-鋁-釩合金(TC4)應用最廣,它具有較高的強度和韌性,100-400℃使用具有較好的耐熱性,焊接性能、沖壓性能和鍛造性能均較好。


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三、鈦及鈦合金的牌號

我國鈦及鈦合金牌號經(jīng)過近50年的研制、應用、注冊以及標準化發(fā)展,已經(jīng)形成了較為完整的牌號體系和標準體系,在與國際標準ISO和ASTM先進牌號接軌的同時,也增加了很多國內自主研制的新牌號。目前我國鈦及鈦合金的牌號有近80種,主要分為TA、TB和TC三類,TA指α型鈦合金、TB指β型鈦合金、TC指α+β型鈦合金;每一類如TA又逐級分為TA1、TA2、TA3等等,其雜質含量、機械強度和硬度隨著牌號數(shù)字增大依次增加,但塑性和韌性相應下降。20200811_150635_002

所有牌照中使用最廣泛的是工業(yè)純鈦TA1、TA2、TA3、TA4和鈦合金Ti-0.3Mo-0.8Ni(TA10)、Ti-6Al-4V(TC4)。其中TC4應用占比50%以上,另有20%-30%是工業(yè)純鈦。



01|工業(yè)純鈦1級(TA1)——高塑性純鈦

TA1(Gr.1)是常用的、較低強度的工業(yè)純鈦,具有耐蝕性好、焊接性能好、延展性好等多種特點,該牌號產(chǎn)品適用于深沖應用范圍的鈦卷,廣泛應用于焊管(盤管)、板式換熱器、等離子膜電解槽、爆炸復合板、化工設備成型部件中。



   



02|工業(yè)純鈦2級(TA2)——一般強度純鈦

TA2(Gr.2)是常用的、一般強度的工業(yè)純鈦,具有耐蝕性好、焊接性能好、延展性好等多種特點,該牌號產(chǎn)品適用于耐腐蝕、承受一定強度應用范圍的鈦卷板,此類鈦材廣泛用于焊管(直管)、化工設備中。其中鈦焊管用于制作海水淡化裝置、海水換熱器等,化工設備用于制作化工管道管件、電鍍設備等。



   



03|工業(yè)純鈦3級(TA3)——中等強度純鈦

TA3(Gr.3)是常用的、中等強度的工業(yè)純鈦,具有耐蝕性好、耐磨性好、焊接性能好等特點,該牌號產(chǎn)品適用于生物兼容性、耐腐蝕、承受一定強度應用范圍的鈦卷板,廣泛用于醫(yī)療器械、化工設備中。其中醫(yī)療器械包括顱骨鎖顱骨內固定夾、連接片、微型骨板、蓋孔板、口腔頜面耗材等,化工設備含化工管道管件、閥門泵及水翼、活塞、連桿、電鍍掛具等。



   



04|工業(yè)純鈦4級(TA4)——中等強度純鈦

TA4(Gr.4)是常用的、中等強度的工業(yè)純鈦,具有耐蝕性好、焊接性能好、切削性能好等特點,該牌號產(chǎn)品適用于生物兼容性、耐腐蝕、承受一定強度應用范圍的鈦卷板,廣泛用于醫(yī)療器械、化工設備中。其中醫(yī)療器械含外科修復或替換材料(接骨板、髖關節(jié)、髓內釘)等,化工設備包括化工管道管件。



05|Ti-0.3Mo-0.8Ni鈦合金(TA10)——中等強度合金

TA10(Gr.12)是常用的、中等強度的工業(yè)鈦合金,由于合金含量較少,在力學性能等方面與工業(yè)純鈦相似,但卻表現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕性能,尤其是耐縫隙腐蝕的能力,具有耐蝕性好、焊接性能好、切削性能好等特點,該牌號產(chǎn)品是適用于耐腐蝕、承受一定強度應用范圍的鈦卷板,常用于焊管、化工設備等領域。


06|Ti-6Al-4V鈦合金(TC4)——中等強度合金

TC4(Gr.5)是一種在工業(yè)純鈦基礎上添加一定量的Al、V元素而獲得的α+β鈦合金,由美國在20世紀50年代初開發(fā)出來,是最早生產(chǎn)的鈦合金之一,也是研究最為深入且接受檢驗最多的鈦合金。該合金具有中等強度和適用的塑性,具有良好的焊接性能和較好的耐蝕性能,適用于耐腐蝕、承受一定強度應用范圍的鈦卷板,常用于航空航天、醫(yī)療器械、船舶工業(yè)等領域。其中航空航天包括飛機蒙皮、壓氣機盤和葉片、發(fā)動機燃料儲存罐等,醫(yī)療器械包括外科修復或替換材料(接骨板、髖關節(jié)、髓內釘),艦船工業(yè)主要用于海洋開采的深海船用泵。    



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