高強度高彈性鈦合金的發(fā)展現(xiàn)狀
分類：行業(yè)新聞 發(fā)布時間：2022-09-16 15:33:38 瀏覽量：
金屬材料的彈性變形能力受屈服強度和彈性模量的影響，拉伸線的彈性極限(ε0.2)一般小于1%。傳統(tǒng)鈦合金的強度按合金等級在400~1500 MPa范圍內(nèi)，彈性模量在50~120 GPa之間，遠低于鋼(約210 GPa)，彈性變形能力約為鋼的兩倍。鈦合金因其高強度、低彈性模量而具有優(yōu)異的彈性變形能力，被廣泛應用于航空航天領域。
20世紀50年代，美國首次在B-52轟炸機上使用TI-6AL-4V制造的鈦合金螺栓，開啟了鈦合金緊固件在航空航天領域的應用。隨著航空航天和武器裝備的不斷輕量化要求，輕量化、高強度、高彈性鈦合金在緊固件上的應用逐漸取代了傳統(tǒng)的30CrMosia鋼，提高了設備的安全性和可靠性。目前常用的α+β和β型鈦合金，如Ti-6Al-4V、Ti-3Al-5Mo-4.5V、Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al和Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.3Si (β 21S)等，抗拉強度基本為1000 MPa級。 
自20世紀70年代以來，McDonnell Douglas一直在使用TI-13V-11CR-3AL制造民用飛機彈簧，取代了彈簧鋼，減輕了70%的重量。后來，洛克希德、波音和空客開始使用β-鈦合金材料制造彈簧組件，如起落架上下鎖、液壓返回和飛機控制。典型的合金為Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn和Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr (β-C)，其彈性模量約為104 GPa。抗拉強度為1300~1450 MPa。
在中國使用的典型品牌有TB2、TB3和TB5。目前，用于彈簧和緊固件的α+β和β型鈦合金一般采用α+β兩相組織獲得高強度。同時，彈性模量(90~120 GPa)也較高，導致其彈性性能較低。因此，很難滿足先進飛機對高強度、高彈性材料的要求。β型Ti-45Nb合金作為一種特殊的鉚釘材料，已在國內(nèi)外航空航天產(chǎn)品中得到廣泛應用。該合金具有彈性模量低、塑性好、冷加工成形性好等優(yōu)點，但強度，特別是屈服強度較低，強度與彈性性能匹配差。
自20世紀90年代以來，為了降低醫(yī)用鈦合金的彈性模量，人們開發(fā)了一系列低彈性模量亞穩(wěn)態(tài)β型鈦合金，如Ti-29NB-13Ta-4.6Zr和Ti-35NB-5Ta-7Zr等，以獲得更好的彈性性能。然而，這種鈦合金是為醫(yī)療領域開發(fā)的。鈦合金強度低，難以滿足航空緊固件和彈簧用鈦合金的高強度、高彈性要求。2003年，日本豐田中央研究院研制出綜合性能優(yōu)異的多功能鈦合金(橡膠金屬)，典型成分為ti- 23nb -0.7 ta - 2zr -1.2 2o(原子分數(shù)%)，合金經(jīng)過90%冷軋變形后強度可達到1200 MPa，彈性模量為55 GPa，彈性極限可達2.5%左右，表現(xiàn)出優(yōu)異的高強度和高彈性匹配，合金在較寬的溫度范圍內(nèi)具有恒定的彈性。
中國科學院金屬材料研究所研制的亞穩(wěn)β型合金Ti-24Nb-4Zr-8Sn (Ti-2448)也表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性性能，其彈性模量低至42 GPa，彈性應變高達3.3%。經(jīng)固溶時效處理后，還具有優(yōu)異的高強度和高彈性匹配。橡膠金屬和TI-2448是先進高強度高彈性鈦合金的典型代表，這說明鈦合金可以達到高強度高彈性的匹配，其優(yōu)異的性能取決于巧妙的成分設計和適當?shù)闹苽涔に嚒?/p>
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