鈦合金

    （1）概要

    按用途，鈦合金分為耐熱合金、高強合金、鈦-鉬與鈦-鈀合金等耐蝕合金、低溫合金及鈦-鐵貯氫材料與鈦-鎳記憶合金等特殊功能合金。

    1）比強度高

    鈦合金密度約4.5g/cm3，僅為鋼的60％，純鈦的強度接近于普通鋼的強度，鈦合金的比強度（強度/密度）遠大于其他金屬材料。飛機發(fā)動機構(gòu)件、骨架、緊固件及起落架等使用的鈦合金可在450℃～500℃的溫度下長期工作，150℃～500℃范圍仍有很高的熱比強度。

    2）抗蝕性好

    鈦合金在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗蝕性遠優(yōu)于不銹鋼。對點蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強。對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。但鈦對還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗蝕性差。

    3）低溫性能好

    鈦合金在低溫和超低溫下，仍能保持其力學(xué)性能。低溫性能好，間隙元素極低的鈦合金，如TA7,在-253℃下還能保持一定的塑性

    4）化學(xué)活性大

    鈦與大氣中的O、N、H、CO、CO2、NH3和水蒸汽會產(chǎn)生強烈化學(xué)反應(yīng)。含碳量大于0.2％時，會在鈦合金中形成硬質(zhì)TiC；溫度較高時，與N作用也會形成TiN硬質(zhì)表層；在600℃以上時，鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層；增加H含量會形成脆化層，產(chǎn)生0.1mm～0.15mm深度硬脆表層，硬化程度20%～30％。鈦的化學(xué)親和性大，易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。

    5）導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小

    鈦的導(dǎo)熱系數(shù)15.24W/（m*K），約為鎳的1/4，鐵的1/5及鋁的1/14。各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)低50％。鈦合金彈性模量約為鋼的1/2，故其剛性差、易變形，不宜制作細長桿和薄壁件，切削時加工表面的回彈量大，約為不銹鋼的2～3倍，導(dǎo)致刀具后刀面劇烈摩擦、粘附及粘結(jié)磨損。

    鈦合金是一種新型結(jié)構(gòu)材料，具有密度小，比強度和比斷裂韌性高，疲勞強度和抗裂紋擴展能力好，低溫韌性好，抗蝕性強的綜合性能。鈦合金主要用于制作飛機發(fā)動機的壓氣機部件，火箭、導(dǎo)彈和高速飛機結(jié)構(gòu)件，電解工業(yè)電極、發(fā)電站冷凝器、石油精煉和海水淡化加熱器及環(huán)境污染控制裝置，貯氫材料和形狀記憶合金等。

    與鋼鐵材料相比，Ti合金比強度（強度/密度）高。因此，其在航空器材、生物醫(yī)學(xué)材料方面的適用范圍不斷擴大。在此介紹新近開發(fā)的Ti合金。

    （2）DAT54耐熱Ti合金

    DAT54（Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-2.8Mo-0.7Nb-0.06C）是目前高溫特性最好的耐熱Ti合金，用于600℃高溫環(huán)境飛機發(fā)動機圓盤或汽車電機閥等。

    飛機發(fā)動機圓盤周邊需經(jīng)高頻熱處理，外部為高抗蠕變強度的針狀組織，內(nèi)部為高抗疲勞強度的等軸組織，為確保飛機圓盤發(fā)動機高性能，進行了實用化開發(fā)。章動圓盤接觸面積比活塞式發(fā)動機小，扭矩曲線更加平坦，在360°旋轉(zhuǎn)軸上能提供270°壓縮。雙圓盤系統(tǒng)發(fā)動機與8缸活塞發(fā)動機功率相當。

    （3）生物體材料Ti合金

    鑒于Ti合金具備生物體優(yōu)異適應(yīng)性，所以被廣泛用作生物材料。主要生物體材料有Ti-6Al-4VELI和用鈮取代對生物體細胞有毒性的釩的Ti-6Al-7Nb。近年，在采用添加生物體優(yōu)異適用性的元素基礎(chǔ)上，積極開發(fā)近似骨骼組織低彈性率的TNTZ（Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr），并作適用性研究。TNTZ作為生物體材料確保更高的適用性，但因加入高熔點的鉭與鈮元素，在熔解制造過程中容易出現(xiàn)偏析，為抑制形成偏析，尚需再度熔解。

    （4）Ti合金VLTi

    Ti-6Al-4V比強度高、耐蝕性好，所以在飛機、汽車部件、高爾夫帽體育領(lǐng)域廣泛采用Ti合金。鑒于Ti-6Al-4V中含有4%稀有元素釩，日本大同特殊鋼公司為更好穩(wěn)定價格，用Fe置換V，開發(fā)出VLTi（Ti-6Al-Fe）合金。VLTi在確保強度的同時，具有比重低的特性。為提高設(shè)計自由度，希望采用低比重、高強度優(yōu)質(zhì)材料，VLTi是符合該期望值的合金，制成各種高爾夫帽。此外，VLTi作為Ti-6Al-4V的替代材料，用于汽車連桿或吸氣閥等部件。

    （5）TiAl合金

    TiAl為金屬間化合物，由于金屬間化合物晶體中金屬鍵與共價鍵共存，同時兼有金屬韌性和陶瓷高溫性能。與Fe基與Ni基耐熱材料相比，TiAl合金具有重量輕，高溫比強度高的優(yōu)點，由此開發(fā)具備工業(yè)制造、抗高溫氧化性的DAT-TA1（Ti-33.5Al-1.0Nb-0.5Cr-0.5Si）TiAl合金，適用于汽車渦輪。

    TiAl化合物具有耐高溫、抗氧化和密度低等特性，且其彈性模量、抗蠕變性能均優(yōu)于鈦合金。TiAl合金密度還不及鎳基高溫合金1/2，而性能與鎳基高溫合金相當，具有廣泛使用前景。

    耐熱鋼、耐熱合金

    （1）概要

    氣候異常及由此損害健康的問題，致使在全球范圍內(nèi)推出削減CO2及其廢棄物的環(huán)境規(guī)則。為此，針對汽車、飛機內(nèi)燃機、發(fā)電設(shè)施及廢棄物處理設(shè)施，開展了提高能源轉(zhuǎn)換利用率，靈活應(yīng)用新能源，蓬勃展開燃燒形態(tài)控制等技術(shù)的開發(fā)。耐熱鋼及其高溫合金便是其開發(fā)的新功能材料。本文就耐熱鋼及高溫合金的最新研究動向進行綜合論述。

    （2）汽車用耐熱材料

    發(fā)動機閥在汽缸內(nèi)承受燃燒的高溫氣體，需要耐熱鋼或超高溫合金。汽油發(fā)動機的吸氣閥廣泛采用SUH3和SUH11馬氏體系耐熱鋼，而排氣閥采用以SUH35為代表的奧氏體系耐熱鋼或高強度、超高溫Ni基合金。由于使用超級合金，軸徑較細，達到高溫時，相對較輕、且可避免表面凸緣硬化，但材料成本過高。因此，開發(fā)出比JIS標準中NCF751（70Ni）更低Ni含量的NCF3015（Fe-32Ni-16Cr-2.7Ti-1.1Al-0.8Nb），并達到實用化。同時，還開發(fā)出可冷鍛成型的NCF2415C（Fe-24Ni-15Cr-2.2Ti-1.5Al-0.5Nb）閥用鋼，其在兩輪車排氣閥上實用化。近來，由于燃料費用提高，迫切需要通過高溫化的燃燒，提高發(fā)動機旋轉(zhuǎn)區(qū)的理論空燃比，為此以NCF440（70Ni）為基礎(chǔ)，開發(fā)出汽車發(fā)動機用低Ni化NCF5015（Fe-50Ni-15Cr-1Mo-1.5W-2.4Ti-1.4Al-1.3Nb）鋼。

    利用廢氣帶動渦輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動壓縮機，渦輪增壓器可將更多壓縮空氣送到汽缸內(nèi)，即使排氣量相同的發(fā)動機能輸出更高的功率。為降低CO2排放量，需減少排放廢氣的發(fā)動機尺寸，并增強渦輪增壓器的適用性。以往，渦輪采用非耐熱性材料，因此，與理論空燃比相比，需要更多地霧化燃料，而且排氣溫度低，導(dǎo)致大幅增加渦輪燃費。最近，開發(fā)出的高耐熱性材料使得渦輪可實現(xiàn)理論空燃比燃燒，從而降低了燃費。

    渦輪高速旋轉(zhuǎn)，引發(fā)離心力的作用，這就要求極好的高溫蠕變強度與耐氧化性。以往采用Ni基Incone1713C鑄造合金或價格相對低廉GMR235精密鑄造件。鑒于高溫所需，部分開始采用Mar-M2（47Ni-0.15C-8Cr-10Co-10W-0.7Mo-5.5Al-1Ti-1.5Hf-0.015B）高強、超耐熱合金。

    氣缸蓋及渦輪增壓等部件高溫法蘭結(jié)合面的密封，采用金屬密封墊圈。這種密封墊圈在400℃以上高溫環(huán)境使用，需要長時間高溫下密封性能不惡化，這就要求采用高硬度、抗高溫軟化性的優(yōu)異材料。DSN9高N元素不銹鋼，經(jīng)冷加工與時效處理后得到高硬度，在600℃高溫下，400h，其耐熱性、回彈能力與硬度幾乎不變。由此可知，DSN9鋼帶可制成高溫用金屬密封墊圈加以使用。

    （3）發(fā)電用耐熱材料

    為提高發(fā)電效率，采用24MPa蒸汽、566℃臨界點以上的超高臨界蒸汽壓力（USC）蒸汽發(fā)電。目前，600℃級煤炭火力發(fā)電設(shè)備已達到實用化。為繼續(xù)提高發(fā)電效率，最近在日本、歐美旨在積極推行700℃以上蒸汽溫度，更高效煤炭火力發(fā)電設(shè)備項目計劃，而著手開發(fā)相應(yīng)的高溫材料。渦輪葉片、套管螺栓用鐵素體系耐熱鋼在700℃以上的蠕變強度低，達不到容許值，因此須使用Ni基超級高溫合金。鑒于奧氏體系耐熱鋼熱膨脹系數(shù)比鐵素體系大，在很大程度上受到設(shè)計制約。為此，開發(fā)了LTES700（Ni-12Cr-18Mo-0.9Al-1.1Ti）高溫高強度、低熱膨脹系數(shù)的Ni基超高溫合金，制成螺栓在現(xiàn)場實機環(huán)境進行評估。另外，考慮到葉輪大型化，開發(fā)出TES700R（Ni-12Cr-6Mo-7W-1.6Al-0.7Ti）改良型超級高溫合金，制成圓盤進行性能評估。

    （4）飛機用材料

    渦輪風扇發(fā)動機既能提高渦輪前溫度，又不增加排氣速度，同時提高噴氣發(fā)動機的熱效率和推進效率。渦輪風扇發(fā)動機在渦輪噴氣發(fā)動機的基礎(chǔ)上增加了多級渦輪，并經(jīng)由這些渦輪帶動一排或幾排風扇，風扇后面的氣流分成兩部分，一部分進入內(nèi)涵道壓氣機，另一部分則未經(jīng)燃燒，直接排到外涵道空氣中。由于渦輪風扇發(fā)動機部分燃氣能量用于帶動前端風扇，因此降低了排氣速度，提高了推進效率；為提高熱效率，可提高渦輪前溫度，之后可通過調(diào)整渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)和增大風扇直徑，使更多燃氣能量經(jīng)風扇傳遞到外涵道，毋須增加排氣速度。對于渦輪風扇發(fā)動機來講，熱效率與推進效率并不相矛盾，只要結(jié)構(gòu)和材料允許，提高渦輪前溫度十分有利。根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，航空用渦輪風扇發(fā)動機分為兩類，即不加力式渦輪風扇發(fā)動機用于高亞音速運輸機，加力式渦輪風扇發(fā)動機用于殲擊機。

    （5）廢棄物處理用材料

    垃圾焚化爐等廢棄物處理設(shè)施，高溫處理廢棄物時，產(chǎn)生腐蝕性極強的氣體及焚化為低熔點腐蝕灰分。垃圾焚化爐金屬材料需要采用高耐蝕SUS310或NCF625不銹鋼或Ni基合金。

    為有效利用垃圾能源，作為抑制二惡英等有害物質(zhì)垃圾處理設(shè)備的氣化焚化爐近來受到人們關(guān)注。當熔融溫度超過1000℃，即使采用MO-RE2超級高溫耐熱鑄鋼，其強度與耐蝕性仍顯不足，尚需尋求性能更優(yōu)異的高耐蝕高強度合金。為此，開發(fā)出極端嚴峻環(huán)境下使用的Ni基TN105（Ni-0.3C-27Cr-10W-2Al-2Si）鑄造合金，其可在氣化熔融爐高溫氣體加熱器管材中使用。

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責任編輯：劉洋

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