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高强度高弹性钛合金发展现状

来源:      2020-7-29 10:44:12      点击:
        金属材料的弹性变形能力受屈服强度和弹性模量的影响,拉伸线弹性极限(ε0.2)大多低于1%。传统钛合金的强度根据合金牌号不同在400~1500 MPa 范围内,弹性模量介于 50~120 GPa之间,远低于钢(约 210 GPa),弹性变形能力约为钢的 2 倍。钛合金的高强度和低弹性模量赋予其优异的弹性变形能力,作为结构功能一体化材料在航空航天领域得到广泛应用。 
        20 世纪 50 年代,美国首次在 B-52 轰炸机上使用 Ti-6Al-4V 制造的钛合金螺栓,由此开启了钛合金紧固件在航空航天领域的应用。随着航空航天和武器装备的不断轻量化要求,轻质高强度高弹性钛合金逐渐部分取代了传统 30CrMoSiA 钢在紧固件中的应用,提高了装备使用安全性与可靠性。目前常用的 α+β 和 β 型钛合金的抗拉强度基本为 1000 MPa 级,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。
        自 20 世纪 70 年代起,麦道公司开始使用 Ti-13V-11Cr-3Al 制造民用飞机用弹簧,替代弹簧钢实现减重 70%。随后,洛克希德、波音和空客等开始使用 β 钛合金材料制造起落架上下锁、液压回程和飞机控制等弹簧部件,代表性合金有 Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn 和 Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(β-C),其弹性模量约为104 GPa,抗拉强度为 1300~1450 MPa。
       国内应用的典型牌号有 TB2、TB3 和 TB5 等。目前弹簧和紧固件使用的 α+β 和 β 型钛合金一般采用 α+β 两相态组织以获得高强度,同时弹性模量(90~120 GPa)也较高,导致弹性性能较低,难以满足先进飞行器对于高强度高弹性材料的使用需求。β 型 Ti-45Nb 合金作为铆钉专用材料,在国内外航空航天产品中获得了应用。该合金具有低弹性模量,塑性和冷加工成型性好等优点,但强度特别是屈服强度低,强度与弹性性能的匹配较差。
       从 20 世纪 90 年代开始,为了降低医用钛合金的弹性模量,人们开发了一系列低弹性模量亚稳 β 型钛合金,如 Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr 和 Ti-35Nb-5Ta-7Zr 等,获得了更佳的弹性性能,但此类钛合金为医疗领域开发,强度低,难以满足航空紧固件和弹簧用钛合金对高强度和高弹性的使用需求。2003 年,日本丰田中央研究院开发了综合性能优异的多功能钛合金(橡胶金属),典型成分为 Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-1.2O(原子分数 %),该合金经 90% 冷轧变形后强度可达 1200 MPa,弹性模量为 55 GPa,弹性极限高达约 2.5%,显示出优异的高强度和高弹性匹配,并且该合金在较宽的温度范围内具有恒弹性。
      中国科学院金属材料研究所开发的亚稳 β 型合金 Ti-24Nb-4Zr-8Sn(Ti-2448)同样显示出优异的弹性性能,具有低至 42 GPa 的弹性模量和高达 3.3% 的弹性应变,经固溶时效处理后亦具有优异的高强度和高弹性匹配。橡胶金属和 Ti-2448 是先进高强度高弹性钛合金的典型代表,预示着钛合金能实现高强度和高弹性匹配,其优异的性能依赖于巧妙的成分设计及合适的制备工艺。