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钛合金简介

来源:      2020-7-28 10:21:26      点击:
一、钛合金性能简介
钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体:882℃以下为密排六方结构α钛,882℃以上为体心立方的β钛。钛合金具有电、磁、声、光、热等方面的特殊性质,或在其他作用下表面处理特殊功能的材料。
1、  密度小,比强度高
金属钛的密度为4.51g/cm³,高于铝和镁,而低于钢、铜、镍,但比强度高于铝合金和高强合金钢。
2、  弹性模量低
钛的弹性模量在常温时为106.4GPa,为钢的57%,而且与人体骨骼的弹性模量接近。
3、  导热系数小
金属钛的导热系数小,是低碳钢的1/5,铜的1/25。
4、  抗拉强度与其屈服强度接近
钛的这一性能能说明了其屈强比高,表示了金属钛材料在成型时塑性变形差。由于钛的屈服极限与弹性模量的比值大,使钛成型时的回弹能力大。、
5、  无磁性、无毒性
钛是无磁性金属,在很大的磁场中也不会被磁化,无毒且与人体组织及血液有好的相容性,所以被医疗界所采用。
6、  抗阻尼性能强
金属钛收到机械振动、电振动后,与钢、铜金属相比,其自身振动衰减时间最长。利用钛的这一性能可做音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。
7、  耐热性好
新型钛合金可在600℃或更高的温度下长期使用。
8、  耐低温性能好
钛合金TA7,TC4和半TA18等为代表的低温钛合金,其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大。在-196℃~253℃低温下保持较好的延展性及韧性,避免了金属冷脆性,是低温容器和存储等设备的理想材料。
9、  吸气性能
钛是一种化学性质非常活泼的金属,在高温下可与许多元素和化合物发生反应。钛的吸气性主要指高温下与碳、氢、氮、氧发生反应。
10、           耐腐蚀性能
钛是一种非常活泼的金属,其平衡电位很低,在介子中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介子中很稳定,如钛在氧化性、中性和弱还原性等介子中是耐腐蚀的。这是因为钛和氧有很大的亲和力,在空气中或含氧介子中,钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜,保护了钛基体不被腐蚀。即使由于机械膜层也会很快自愈或重新再生。
二、钛合金的应用现状
1  在航空航天中的应用 
从20世纪50年代开始, 钛合金在航空航天领域中得到了迅速的发展。该应用主要是利用了钛合金优异的综合力学性能、低密度以及良好的耐蚀性,比如航空构架要求高抗拉强度并结合有良好的疲劳强度和断裂韧性。而钛合金的优异的高温抗拉强度、蠕变强度和高温稳定性也使之被应用于喷气式发动机上。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一, 应用它可以减轻飞机的重量, 提高结构效率。
2  在汽车制造中的应用 
汽车工业是一个潜力巨大的钛制品市场,多年来发展缓慢,主要是因为钛合金产品价格太高。近年来钛合金技术的改进和发展,使得很多钛制品的生产成本逐年降低。在当前的汽车市场上,豪华轿车、跑车和赛车需求逐年增加,可望促进钛用量的增长。钛及其合金可用做发动机阀门、轴承座、阀簧、连杆以及半轴、螺栓、紧固件、悬簧和排气系统元件等。在轿车中使用钛,可达到节油、降低发动机噪声及振动、提高寿命的作用。目前,新的低成本原料、合金体系的开发与设计和先进的粉末冶金成形技术结合可望使钛大量进入汽车制造业。
3  在生物医药中的应用 
钛合金具有高强度、低密度、无毒性以及良好的生物相容性和耐蚀性等特性,已被广泛用于医学领域中,成为人工关节、骨创伤、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架、手术器械等医用产品的首选材料。在用于人体硬组织修复的金属材料中,钛的弹性模量与人体组织最接近,约为80~110GPa,这可以减轻金属种植体与骨组织之间的机械不适应性。
鉴于钛合金在医学领域优良的使用效果,人们对其也越来越重视。随着医疗事业的不断发展,钛作为已知生物学性能最好的金属材料,其医用领域的市场需求将不断扩大,应用前景广阔。
4  其他方面的应用 
钛合金凭借其优异的性能,在运动器械上,如自行车、摩托艇、网球拍和马具上都获得了广泛的应用,另外,由于钛易于阳极化成各种颜色,这使其应用于建筑物、手表和珠宝行业。
三、钛合金铸锭生产的特点
1 钛合金铸锭的冶金特点
钛是活性金属,熔点高,在熔融状态下具有高化学活性,极易与空气中的氧氮氢以及碳等发生化学反应,也几乎与所有耐火材料制成的坩埚起反应。被污染的钛将失去原有的良好工艺性能,因此钛及钛合金的熔炼必须在真空或惰性气体保护下的水冷紫铜坩埚内进行,一般称真空熔炼。由于顺序凝固的熔炼方式有利于不挥发的不熔杂质上浮,并能改善铸锭组织。用于钛的真空熔炼铸造设备必须满足如下要求:
(1)所采用的热源能直接为熔化的钛和钛合金提供高密度的热流,保证熔融金属具有较高的温度,同时防止外界大气中的氧氮氢碳等有害气体或外来杂质进入设备内部污染熔融的金属液。
(2)在熔炼原材料加热熔化凝固及熔融金属液浇入铸型铸件凝固与冷却等过程中,设备内部应始终维持在真空状态下或处于气氛中。
(3)为金属材料的提纯提供有利的热力学和动力学条件。
(4)防止熔融金属被坩埚材料污染。
2 现阶段钛合金熔炼方法
真空自耗电弧熔炼法(Vacuum Arc Melting,简称VAR法)。VAR法是现阶段世界上绝大多数用于生产钛及钛合金铸锭的方法,也是我厂所采用的工艺方法。VAR法的主要优点是合金元素挥发损失少,熔化速度快,功率消耗低,铸锭可大型化,每台设备对铸锭可进行二次熔炼。缺点是必须先将所熔炼的金属材料制备成自耗电极,因而必须配备价值昂贵的压力机设备及焊接设备等,偶尔存在偏析等冶金缺陷如成分和凝固偏析残料返回有限等。
3 熔铸厂基本生产流程
熔铸厂的生产工艺过程为,将海绵钛提升加入到存储料仓中,进行自动称重,将中间合金及TiO2进行存储和自动称量,然后将海绵钛、合金料和TiO2加入混料机中进行混匀,从混料机接料开始,由上料装置将其送入液压机模具,将海绵钛及其它合金物料在一定形状的模腔内进行压制成电极块,然后将压制好的电极块经码垛翻转装置预紧翻转后吊装至等离子焊箱电极支架上锁紧,在氩气气氛保护下自动焊接成电极,再将自耗电极移动到真空自耗炉中进行熔炼并在水冷铜结晶器内成锭以提高其质量,出炉后进行坩埚清洗,再对铸锭进行扒皮平头处理,进行后续的熔炼工作,经过二次或三次熔炼成为成品铸锭,成品经过车床(个别用到锯床)去除表面缺陷,最后成为满足下一个工序生产的成品光锭。
4 熔铸厂主要设备及用途
(1)自动配混料系统,作用为将海绵钛、中间合金和TiO2混合均匀。在与物料接触的设备面上,必须采用不锈钢结构,避免出现死角,发生物料残留的现象。混料机设计为双锥形异形结构,没有盲区,可完全卸料,减小跨批料带来的污染,其旋转平稳,使物料混合更加均匀,进料和出料过程中无洒料、喷溅、粉末残留和分层等现象。
(2)80MN电极油压机,用于钛及钛合金电极块的生产,从混料机接料开始,由上料装置将海绵钛原料送入压机模具,将海绵钛及其它合金物料在一定形状的模腔内进行压制成形,从而压制成一定外形尺寸和密度的块状物料产品(电极块),经过脱料、推料、接料、转拼、堆垛、装成对后,将一定数量的半圆形或扇形电极块集成为不同规格的圆柱状电极。垂直向圆柱状电极经过天车及翻转机构的翻转,将圆柱状电极调成水平姿态,用于下一道工序继续生产。其模具中含有扇形电极压块的模具模芯(φ820和φ480)各一套,模芯可更换,用于匹配两种规格压块的压制。
(3)真空等离子焊箱,主要用于钛及钛合金电极块拼接电极的锁紧和自动焊接功能。钛及钛合金电极块经码垛翻转装置预紧翻转后吊装至等离子焊箱电极支架上锁紧,在氩气气氛保护下自动焊接成电极。
(4)真空自耗熔炼炉,熔炼原理是借助直流电弧的热能把金属自耗电极在低压下或在惰性气体保护下进行重新熔炼,并在水冷铜结晶器内成锭,以提高其质量。真空系统是真空电弧炉的重要组成部分,它决定了炉子的极限真空度。
(5)闭式冷却塔,它是将管式换热器置于塔内,通过流通的空气、喷淋水与循环水的热交换保证降温效果。由于是闭式循环,其能够保证水质不受污染,很好的保护了主设备的高效运行,提高了使用寿命。外界气温较低时,可以停掉喷淋水系统,起到节水效果。其采用逆流式,喷淋水在循环过程中通过散热片降低水温,与新鲜入风形成风、水逆向流动。散热层使用PVC材料,降低喷淋水温,有利于防止盘管结垢,较低的喷淋水循环、更好的换热效率,有利于节约能源。
(6)坩埚,电弧燃烧、自耗电极熔化、冶金物化反应、铸锭结晶都是在坩埚内进行。坩埚系统主要由坩埚、底座和水套组成。
(7)坩埚清洗机铸锭清洗机,主要用来清洗坩埚内部和铸锭表面沾着物。
(8)车床,主要用于非成品铸锭的平头工作和根据工艺卡机加要求进行成品铸锭扒皮、取样、倒角工作。
(9)锯床,主要针对有切冒口和中分要求铸锭的锯切工作。