钛合金表面处理的研究进展
(西华大学材料科学与工程学院，四川成都610039)
摘要：文章综述了钛合金的几种表面处理技术：电火花沉积表面处理技术、等离子体扩渗处理技术、激光表面改性技术、离子注入技术等，并提出了今后钛合金表面处理的主要发展趋势及目前的研究热点。
关键词：钛合金；表面处理；发展趋势
1．引言
钛合金其它合金相比，具有优越的耐蚀性，良好的生物兼容性、无磁性、高的比强度、小的热膨胀系数以及良好的高温抗蠕变和抗氧化能力等，钛合金已被广泛应用于海洋、石油精练、合成纤维、湿法冶金、焦化和电镀等众多工业部门。同时钛合金在航空、核动力和机械等的运用也推动着钛及钛合金的飞速发展。然而它同其它金属一样，其表面往往有着不稳定状态的一面，有对耗看磨损和微动磨损非常敏感，耐磨性差，易氯化，对聚合物、金属及陶瓷涂层附着力差等缺点，这些缺点的存在限制了它的进一步应用，为克服钛合金这些缺点我们则需要对钛及其合金进行表面改性处理，并使之达到满足作业要求、稳定的并具有一定功能的表面。
2．几种表面改性处理技术
2．1 电火花沉积表面处理技术
CVD（Chemical Vapor Deposition）电火花沉积表面处理技术是利用气氛种化学置换的作用，在工件表而沉积一层金属的碳化物、氮化物、硼化物、氧化物以及硅化物等。涂层厚度一股为1μm—10μm，经过一定时间后，涂层表面沉积的金属化合物从工件表面逐渐向内扩散，从而达到对工件表面进行改性的目的。利用CVD法可以在钛合金表面上沉积各种功能覆层，目前，大约有50％的钛合金刀具加镀层采用CVD技术。CVD的优点是附着性和绕镀性良好，沉积膜层致密均匀、成本低、易于大批量生产。缺点是使用CVD法基材温度要以低于材料熔点的温度加热，超过了许多工具材料的热处理温度，因而不得不在镀膜后进行基材的热处理；其次是反应产物HCl对基材有一定的腐蚀作用。由于CVD技术的局限性使人们转向对PVD（Physical Vapor Deposition）技术的研究，与CVD技术相比，PVD技术存在着对环境的无污染，改性层不易脱落并与基体结合牢固的优点，故PVD技术成为钛合金表面处理的主要手段之一。PVD中典型的电火花涂敷技术是通过电极材料与钛合金表面的火化放电作用，把作为火花放电电极的导电材料（常用YG10H硬质合金）溶渗进钛合金工件的表层，从而提高钛合金表面的硬度和耐磨性[1]。
2．2 等离子体扩渗表面处理技术
等离子体是一种电离气体，是由离子、电子和中性粒子所组成的集合体，整体呈现中性，是带电粒子组成的电离态，俗称物质第四态。等离子渗氮对于钛合金表面处理来说是一个很好的途径，通过电离工作气体来获得所需的氮原子或氮离子，在建立辉光放电后，渗氮速度变得非常快，主要靠等离子体中离子化的氮原
子对工件表面进行轰击，当氮离子到达溅射清洗后的工作表面，很快产生高达氮浓度梯度，导致氮在工件表面的快速扩渗。
通过等离子渗氮的手段可以大幅度提高钛材及其合金表面硬度、耐磨性能以及
耐腐蚀性能。文献[2]指出: 钛合金经等离子渗氮后，氮化层中生成的ε相与δ
相的相对含量决定了钛合金的表面硬度、耐磨性及耐腐蚀。氮化层中生成的δ相的含量越大，其表面硬度、耐磨性能以及耐腐蚀性能提高的幅度越大。
Kittichai Sopunna 等人对Ti-47%Al-2%Nb-2%Cr(MJ12)和Ti-47%Al-2%Nb-2%Mo-0.8%TiB 2(MJ47)用NH 3进行了等离子渗氮，结果同样表明[3]：
两种牌号的钛合金的显微硬度值随氮化温度、氮化时间的升高而升高，在氮化温度为1000℃时，其显微硬度值分别为未氮化试样的2.1倍和1.5倍。两种牌号的钛合金经800－1000℃氮化后，其磨损量与未氮化试样相比，减少1－2个数量级，钛合金硬度和抗磨性的增强主要原因是其表面经离子氮化后生成了TiN 。S.Gokul Lakshmi 等人对Ti-10V-3Al-2Fe 和Ti-6Al-4V 进行等离子体渗氮也得出了同样的结论[4]，同时还发现Ti-Al-V 合金在氮－氢等离子体中进行渗氮后得到的硬度要高于试样在纯氮等离子体中渗氮后得到的硬度，渗氮后的钛合金在15％H 2SO 4中的耐蚀性比在7.5％HCl 中要强。
同样对钛合金进行等离子渗碳也可以达到类似的效果，Nado 等的研究表明[5]，
TiA1基合金等离子渗碳1h ，可得到3μm 的Ti 2A1C 化合物层，其硬度超过Hv836；
销盘式磨损实验显示经渗碳后γ—TiA1基合金的耐磨性得到大幅度提高，经过渗碳的试样的重量损失只有未经渗碳试样的1／172，然而与渗碳试样对磨的盘失重较大，这可能与渗碳后试样的粗糙度加大有关；但是γ—TiAl 基合金等离子渗碳对于TiAl 基合金室温抗拉伸和抗疲劳性能的影响很小几乎可以忽略。 在工业上等离子体表面处理得到了广泛的应用，广州有色金属研究院对用于化工厂萃酚生产关键设备的中和锅搅拌的钛制轴套进行了等离子体表面渗氮处理，结果既保证了密封性能，又使生产系统稳定正常。连续使用寿命达三年多。而过去未经等离子体氮化处理的钛轴套，一个月就有泄漏，三个月必须停产检修。采用经等离子氮化的钛合金盘管，管内通高温蒸汽对湿法冶金的液槽进行加热十分安全有效。使用寿命长，为湿法冶金的生成解决了技术难题[2]。
从目前来看，等离子体表面扩渗处理也存在一定缺点，其主要集中在难以对工件准确测温，对不同形状、尺寸、材料的零部件难以混合装炉，设备复杂。而新兴的等离子体源离子注入（PSII ）的方法克服了上述的等离子体扩渗处理的缺点。（详情参见离子注入部分）
2．3 激光表面改性技术
用激光在基体表面熔化的同时，加入合金元素，以基体作为溶剂，合金元素为溶质可构成配制的合金层的激光表面处理技术被称为激光表面合金化技术。利用激光合金化的方法以NiCr-Wc 混合粉末为合金化原料对Ti-48Al-3Cr-2Nb 钛合金进行激光合金化表面处理，制取以γ－NiCrAlTi 镍基固溶体为基体，以TiC 、W 2C 、M 23C 6等厚度在1mm 以上的碳化物为主要耐磨增强相的耐磨复合材料表面改性层以
满足高温运动、耐热抗氧化性能的要求。用激光合金化的方法还可以利用硅作为合金化的元素，在钛合金表面进行激光合金化处理，从而产生强固溶体硬化效应，形成硬的金属间化合物相[6]。
根据激光冲击硬化原理，对Ti-V 系钛合金进行激光冲击，结果显示冲击一次，表面硬度增加20％，经透射电镜分析经多次冲击后位错密度增加，材料表面硬
度将累计增加[2]。
2．4 离子注入技术
离子注入技术是钛合金表面改性的重要手段之一，是近几年来科研人员研究的热点。离子注入技术与其他表面技术改性相比有着其独特的一面，离子注入是把气体或金属元素蒸气，通过电离室电离形成正离子，经高压电场加速，使粒子获得很高动能轰击并进入待处理表面或基材的表面处理工艺。
离子注入技术不需加热基材，工件的尺寸不会发生变化，加工后的工件表面无形变，无氧化，因而特别适合于高精密部件的最后工序。
同时注入元素的种类，能量，剂量均可选择，通过控制注入剂量，注入能量及束流密度来精确控制注入离子的浓度和深度的分布。典型的离子束能量为50一200keV，穿透表面的深度为十分之几微米。
用这种方法形成的表面合金，不受扩散和溶解度的经典热力学参数的限制，即可得到用其他方法难以获得的新合金相。如果采用较高剂量的掺杂离子(一般为氮)则能够明显改变基材表面的物理、化学性能。
氮和碳离子注入可改善钛合金的抗磨损特性及硬度。Y.Itoh等人利用ASTM52100钢球在Ti-6Al-4V制作的圆盘上的滚动试验，并对Ti-6Al-4V制作的圆盘进行了N离子的注入，试验结果表明[7]：经N离子注入后的Ti-6Al-4V圆盘，其摩擦系数比注入前要小的多，离子注入起到了润滑剂的作用，但其摩擦性能的改善并没有随着注入剂量的增大而单调地提高。而其硬度是随着注入剂量的增大而增大。其原因是N注入钛合金可在其表面形成含硬化相TiN的注入层，同时TiN固溶相起到了润滑的作用。国内的祖小涛、封向东等人用N离子注入到Ti-2Al-2.5Zr中结果由于新相TiN的形成，强化了合金表面，从而T225NG合金的硬度得到明显的提高[8]。
国内的胡凡俊等人针对飞机钛合金所存在的氧化损坏问题，通过几种金属离子注入钛合金后性能变化的分析研究，说明运用离子注入技术可以有效地防止钛合金的氧化[9]。
D.Krupa等人研究OT-4-0钛合金经氧离子注入后耐蚀性能，结果表明[10]OT-4-0钛合金经氧离子注入后其耐蚀性得到了提高，耐蚀性能的改善随着氧离子的注入剂量增大而增大，还指出当注入剂量分别为5×1016、1×1017cm-2时，其显微硬度没有发生变化。D.Krupa等人又研究了OT-4-0钛合金经氮离子注入后在0.9%的NaCl溶液中耐腐蚀的情况，得出其耐蚀的答案，并指出耐蚀性能的改善与氧离子的注入剂量有关，当注入剂量1×1017cm-2其耐蚀性得到最大改善[11]。
由此可见，离子注入可以有效的改善钛合金表面的硬度、摩擦系数、抗氧化性能以及耐腐蚀性能。但是束线加工的离子注入技术形成的改性层仅为0.1－
0.5μm，故改性层薄、固有的视线限制成为其发展的屏障。为了克服改性层薄的缺点，学者们引入膜层沉积与离子注入相结合的技术，即离子束辅助沉积技术（IBAD）。此技术提高了改性层厚度，同时也克服了一般镀膜技术中膜基结合不良的缺点。为了克服固有视线限制的缺点，以便处理形状复杂或者较为大型的零件，1987年美国威斯康星大学的J R Conrad教授和他的研究小组开发了等离子体浸没离子注入技术（PIII），等离子体源离子注入技术（PSII）该项注入技术是将样品浸没在等离子体中并加上高负电压，在电场中，这些离子被加速而注入到样品中，注入过程，与常规直线离子注入相似，即用高能离子在材料表面近距离区域注入，特点是离子从四面八方同时注入其它的离子。Seunghee Han等人用等
离子体源离子注入（PSII）的方法对Ti-6Al-4V表面进行氧、氮、碳离子的注入，结果表明改性层形成了新相，钛合金表面的硬度得到明显的提高，其中氧离子的注入使钛合金表面硬度提高的幅度最大，其次是氮离子[12]。该技术将在材料表面改性工作方面更大的作用。而沿着束线离子注入技术路线发展起来的MeVVA等离子体源，（我国在1993年由北京师范大学低能核物理所研制）可以向金属表面注入金属离子，并在航空航天零部件的抗高温耐腐蚀方面取得了令人满意的效果。最近一些研究者又综合了PIII和MeVVA二者的优点，实现了金属等离子体浸没离子注入与沉积（MePIIID）.这项技术既可进行纯金属等离子沉积，又可进行金属等离子体注入，还可任意改变二者的比例，为离子注入金属在表面改性方面的应用开拓了更为广阔的空间。
综上所述离子注入钛合金表面改性技术在提高其的抗磨损、抗氧化、耐腐蚀方面具有广泛的应用前景。
2．3 其他的表面处理技术
电子束表面改性处理技术是20世纪70年代初发展起来的表面处理技术，80年代后期，强流脉冲电子束开始用于钛合金的表面改性研究。俄罗斯、美国和日本这方面的工作开展得较早。Proskurovsky等人在对强流脉冲电子束机理研究的基础上，利用这种技术对钛合金表面改性进行了探索性的研究，还探讨了该电子束在耐热保护涂层平整及去除、表面高密度合金、真空绝缘电强度的增强等方面的应用[13]。Eunsub Yun等人利用强流脉冲电子束对Ti-6Al-4V进行表面改性，在其表面沉积TiC、TiB改性层,得到的硬度是衬底的2－3倍[14]。国内大连理工大学从1995年引进俄罗斯TOMSK强电研究所的低能HCPEB设备，致力于该技术在钛合金表面改性方面的研究。
此外钛合金表面处理技术还包括金属电镀、化学镀、热扩散、阳极氧化、热喷涂、低压离子工艺、非平衡磁控溅射镀膜和离子镀膜纳米技术等等。
3．钛合金表面处理的发展趋势
从目前的发展来看，即使同一种表面技术，在其发展历程中也同样存在着博采众长与其它技术相互交叉的趋势。综上所述，在钛合金表面处理方式上表面复合处理技术将成为钛合金表面处理的主要发展趋势；而在研究内容上利用以上各种
、TiN、TiC改性层及TiAlN多层纳米膜仍然是目前研技术在钛合金表面形成Ti0
2
究的热点。
参考文献
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TiB)/Ti–6Al–4V surface composites fabricated by high-energy electron-beam irradiation [J].Surface and Coatings Technology 2004 (184) 74–83
Advance in the Research on Titanium Alloy Surface Treatment ( School of Material Science and Engineering, XiHua University, Chengdu , 610039,
China)
Abstract: Several techniques of titanium alloy surface treatment are reviewed in the article, such as electric spark surface deposition treatment, plasma diffusion-penetration surface treatment, laser surface modification and ions implantation surface modification. The development trend of titanium alloy surface treatment in future and the present hot-area of research of titanium alloy surface treatment are presented. Key words: titanium alloy; surface treatment; the development trend
上海大学 本科生课程论文论文题目：钛合金在多领域的应用与发展 课程名称： 课程号： 学生姓名： 学生学号： 所在学院：材料科学与工程学院 日期：2015.05.24
摘要：钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。本文综述了钛合金在航空航天飞行器、热氢处理、发动机、高温钛合金、生物医用材料等方面的应用与发展。 关键词：钛合金；航空；氢；发动机；生物医用材料 钛合金在航空方面的应用与发展 钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、耐高温等优点。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。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一,可以减轻飞机的重量,提高结构效率。在飞机用材中钛的比例,客机波音777为7%,运输机C-17为10.3%,战斗机F-4为8%,F-15为25.8%,F-22为39%。 高性能航空发动机的发展需求牵引着高温钛合金的发展,钛合金的使用温度逐步提高,从20世纪50年代以Ti-6Al-4V合金为代表的350℃,经过IMI679和IMI829提高到了以IMI834合金为代表的600℃。目前,代表国际先进的高温钛合金有美国的Ti-6242S,Ti-1100,英国的IMI834,俄罗斯的BT36以及中国的Ti-60。表2为600℃主要高温钛合金的成分及性能特点。 Ti-6242S(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si)钛合金是美国于20世纪60年代为了满足改善钛合金高温性能的需要,特别是为了满足喷气发动机使用要求而研制的一种近α型钛合金。合金的最高使用温度为540℃,室温的σb=930 MPa。特点是具有强度、蠕变强度、韧性和热稳定性的良好结合,并具有良好的焊接性能,主要应用于燃气涡轮发动机零件,发动机结构板材零件,飞机机体热端零件。 BT36(Ti-6.2A1-2Sn-3.6Zr-0.7Mo-0.1Y-5.0W-0.15Si)合金是俄罗斯于1992年研制成功的一种使用温度在600～650℃的钛合金。合金中加入了5%W和约0.1%Y。加入W对提高合金的热强性有明显作用。加入微量Y可以明显地细化合金的晶粒,改善了合金的塑性和热稳定性。 Ti60(Ti-5.8 Al-4.8 Sn-2.OZr-1.0 Mo-0.35Si-0.85Nd)合金由中国科学院金属研究所在Ti55合金基础上改型设计、宝鸡有色金属加工厂参与研制的一种600℃高温钛合金。Ti60合金的特点之一是合金中加入了1%Nd(质量分数),通过内氧化方式形成富含Nd、Sn和O的稀土相,降低基体中的氧含量,从而起到净化基体,改善合金热稳定性的作用。Ti60合金已进行了半工业性中试试验(包括压气机盘模锻)和全面性能测定。 根据国内外研究现状,未来高温钛合金的发展趋势是:(1)研制600℃以上的新型高温钛合金。可对现有高温钛合金的成分进行调整,改进加工工艺,或研发新的高温钛合金,提高高温钛合金的使用温度。(2)稀土元素在高温钛合金中的作用尚待进一步研究。我国研制的含稀土元素的高温钛合金其使用温度已达到600℃,其各项性能显示均为良好。但稀土元素在合金
我国钛及钛合金板材未来发展趋势 智研数据研究中心网讯： 内容提要：随着我国石油、化工等行业对设备的要求越来越高，以及制造业整体水平的快速提升，加之国内需求拉动与国际产业转移的“双重动力”带动下，我国钛材制造业从中长期市场上看，将继续保持快速稳定增长的良好势头。钛板带材作为钛材的重要支柱，产量将会进一步扩大。生产企业要紧抓这一机遇，并逐渐向新产品新业务转移，获得更大的发展空间。 内容选自智研数据研究中心发布的《2012-2016年中国钛行业运营态势及投资前景分析报告》 近年来，我国钛材的需求量迅速增加，已成为继美国和欧洲之后的第三大钛产品消费国。另据相关统计数据分析目前整个钛及钛合金板带材市场应用情况，最大用户是石油化工领域，约占钛板带材消耗总量的60%，其他依次为航空航天领域，约占15%，体育用品行业占6%，海水淡化、核电领域占5%，舰船及海洋工程装备领域占5%，其它领域约占9%。 2007 年我国钛加工材产量为23 640 t，其中钛板材产量为10 552 t，占44. 6%;2008 年我国钛加工材产量为27 737 t，其中钛板材产量为14 707 t，占53%，比上年产量上升了39. 4%;2009 年我国钛加工材产量为24 965 t，其中板材产量为12 067 t; 保守估计2010 年我国钛加工材生产量将达到30 000 t，其中板材产量为16 000 t，板材产量的增长率远高于整个钛加工材的产量增长率。今后，国内各应用领域对钛材需求仍将持续快速增加，继续保持两位数增长态势。 我国的大飞机计划、嫦娥登月计划、太空站计划、核电发展计划以及国家“十二五”发展规划对新型能源开发、高端装备制造业扶持与鼓励，这些为钛板带材提供了前所未有的发展空间和历史契机，同时又对钛板带材提出了更高的要求。 具体表现在: ①在品种方面，对钛带及焊管用薄钛板带需求增大; ②在规格方面，对于宽幅厚钛板( 宽2 000 ～2 500 mm，厚4 ～10 mm) 、宽幅薄钛板( 宽 1 000 ～1 500 mm，厚0. 4 ～3. 5 mm) 及10 ～70 mm 厚的宽幅( 2 400 mm 以上) 厚钛板材的需求日趋增长，而目前我国大部分的钛板生产企业，其装备能力无法满足这些超大、超厚规格的要求，因此未来的两年内，宽幅、超厚钛板材的市场前景良好; ③在化学成分方面，要求均匀化，且铁、氧等杂质含量控制范围窄幅化; ④表面光洁，组织细小均匀，力学性能优异，可满足航空航天、石油化工和核电等行业的苛刻要求。
钛合金的特性及其应用,材料工程学论文,工学论文 ［摘要］综述了钛合金材料的应用及研究现状，着重介绍了钛及钛合金的主要特性，加工性能及其在航空航天、军事工业和汽车制造方面的应用，并在此基础上展望了钛合金的发展方向。 ［关键词］钛合金特性加工性能应用领域 Ti在地壳中的丰度为0.56%(质量分数，下同)，在所有按元素中居第9位，而在可作为结构材料的金属中居第4位，仅次于Al、Fe、Mg，其储量比常见金属Cu，Pb，Zn储量的总和还多。我国钛资源丰富，储量为世界第一。钛合金的密度小，比强度、比刚度高，抗腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能都很好，具有优良的综合性能，是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料。近年来，世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展，海绵钛、变形钛合金和钛合金加工材的生产和消费都达到了很高的水平，在航空航天领域、舰艇及兵器等军品制造中的应用日益广泛，在汽车、化学和能源等行业也有着巨大的应用潜力。 一、钛及钛合金的特性 钛及钛合金具有许多优良特性，主要体现在如下几个方面： 1.强度高。钛合金具有很高的强度，其抗拉强度为686—1176MPa，而密度仅为钢的60%左右，所以比强度很高。 2.硬度较高。钛合金(退火态)的硬度HRC为32—38。 3.弹性模量低。钛合金(退火态)的弹性模量为1.078×10－1.176×10MPa，约为钢和不锈钢的一半。 4.高温和低温性能优良。在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐热
性远高于铝合金，且工作温度范围较宽，目前新型耐热钛合金的工作温度可达550—600℃；在低温下，钛合金的强度反而比在常温时增加，且具有良好的韧性，低温钛合金在－253℃时还能保持良好的韧性。 5.钛的抗腐蚀性强。钛在550℃以下的空气中，表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜，故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中，其耐蚀性优于大多数不锈钢。 二、钛及钛合金的加工性能 1.切削加工性能 钛合金强度高、硬度大，所以要求加工设备功率大，模具、刀具应有较高的强度和硬度。切削加工时，切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大。与45钢相比，钛合金的切削力虽然只有其2/3—3/4，可是切屑与前刀面的接触面积却更小(只有45钢的1/2—2/3)，所以刀具切削刃承受的应力反而更大，刀尖或切削刃容易磨损；钛合金摩擦因数大，而热导率低(分别仅为铁和铝的1/4和1/16)；刀具与切屑的接触长度短，切削热积聚于切削刃附近的小面积内而不易散发，这些因素使得钛合金的切削温度很高，造成刀具磨损加（转载自文章资源库https://www.doczj.com/doc/f55496973.html,，请保留此标记。）快并影响加工质量。由于钛合金弹性模量低，切削加工时工件回弹大，容易造成刀具后刀面磨损的加剧和工件变形；钛合金高温时化学活性很高，容易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应，生成硬化层，同时进一步加剧了刀具的磨损；钛合金切削加工中，工件材料极易与刀具表面粘结，加上很高的切削温度，所以刀具易于产生扩散磨损和粘结磨损。 2.磨削加工性能 钛合金化学性质活泼、在高温下易与磨料亲和并粘附，堵塞砂轮，导致砂轮磨
钛合金表面处理 引言 钛在高温下易于与空气中的O、H、N等元素及包埋料中的Si、Al、Mg等元素发生反应，在铸件表面形成表面污染层，使其优良的理化性能变差，硬度增加、塑性、弹性降低，脆性增加。 钛的密度小，故钛液流动时惯性小，熔钛流动性差致使铸流率低。铸造温度与铸型温差(300℃)较大，冷却快，铸造在保护性气氛中进行，钛铸件表面和内部难免有气孔等缺陷出现，对铸件的质量影响很大。 因此，钛铸件的表面处理与其它牙用合金相比显得更为重要，由于钛的独特的理化性能，如导热系数小、表面硬度、及弹性模量低，粘性大，电导率低、易氧化等，这对钛的表面处理带来了很大的难度，采用常规的表面处理方法很难达到理想的效果。必须采用特殊的加工方法和操作手段。 铸件的后期表面处理不仅是为了得到平滑光亮的表面，减少食物及菌斑等的积聚和粘附，维持患者的正常的口腔微生态的平衡，同时也增加了义齿的美感；更重要的是通过这些表面处理和改性过程，改善铸件的表面性状和适合性，提高义齿的耐磨、耐蚀和抗应力疲劳等理化特性。 一、表面反应层的去除 表面反应层是影响钛铸件理化性能的主要因素，在钛铸件研磨抛光前，必须达到完全去除表面污染层，才能达到满意的抛光效果。通过喷砂后酸洗的方法可完全去除钛的表面反应层。 1. 喷砂：钛铸件的喷砂处理一般选用白刚玉粗喷较好，喷砂的压力要比非贵金属者较小，一般控制在0.45Mpa以下。因为，喷射压力过大时, 砂粒冲击钛表面产生激烈火花，温度升高可与钛表面发生反应,形成二次污染，影响表面质量。时间为15~30秒，仅去除铸件表面的粘砂、表面烧结层和部分和氧化层即可。其余的表面反应层结构宜采用化学酸洗的方法快速去除。 2. 酸洗：酸洗能够快速完全去除表面反应层，而表面不会产生其他元素的污染。HF—HCl系和HF—HNO3系酸洗液都可用于钛的酸洗，但 HF—HCl系酸洗液吸氢量较大，而HF—HNO3系酸洗液吸氢量小，可控制HNO3的浓度减少吸氢，并可对表面进行光亮处理，一般HF的浓度在3%~5 %左右，HNO3的浓度在15%~30%左右为宜。 二、铸造缺陷的处理 内部气孔和缩孔内部缺陷：可等热静压技术(hot isostatic pressing)去
钛合金在多领域的应用 与发展 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】
上海大学 本科生课程论文 论文题目：钛合金在多领域的应用与发展 课程名称： 课程号： 学生姓名： 学生学号： 所在学院：材料科学与工程学院 日期 摘要：钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。本文综述了钛合金在航空航天飞行器、热氢处理、发动机、高温钛合金、生物医用材料等方面的应用与发展。 关键词：钛合金；航空；氢；发动机；生物医用材料 钛合金在航空方面的应用与发展 钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、耐高温等优点。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。钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一,可以减轻飞机的重量,提高结构效率。在飞机用材中钛的比例,客机波 音777为7%,运输机C-17为%,战斗机F-4为8%,F-15为%,F-22为39%。 高性能航空发动机的发展需求牵引着高温钛合金的发展,钛合金的使用温度逐 步提高,从20世纪50年代以Ti-6Al-4V合金为代表的350℃ ,经过IMI679和 IMI829提高到了以IMI834合金为代表的600℃。目前,代表国际先进的高温钛合金有美国的Ti-6242S,Ti-1100,英国的IMI834,俄罗斯的BT36以及中国的Ti-60。表 2为600℃主要高温钛合金的成分及性能特点。 Ti-6242S钛合金是美国于20世纪60年代为了满足改善钛合金高温性能的需要,特别是为了满足喷气发动机使用要求而研制的一种近α型钛合金。合金的最高使用温度为540℃,室温的σb=930 MPa。特点是具有强度、蠕变强度、韧性和热稳定性 的良好结合,并具有良好的焊接性能,主要应用于燃气涡轮发动机零件,发动机结构 板材零件,飞机机体热端零件。 BT36合金是俄罗斯于1992年研制成功的一种使用温度在600～650℃的钛合金。合金中加入了5%W和约%Y。加入W对提高合金的热强性有明显作用。加入微量Y可以明显地细化合金的晶粒,改善了合金的塑性和热稳定性。 Ti60 合金由中国科学院金属研究所在Ti55合金基础上改型设计、宝鸡有色金属加工厂参与研制的一种600℃高温钛合金。Ti60合金的特点之一是合金中加入
钛合金的应用现状及发展趋势 摘要：本文综述了钛合金材料的发展及应用现状，着重介绍了钛合金的主要性能及其在航空航天、汽车制造和生物医药等方面的应用，并对钛合金未来的发展进行了展望。 关键字钛合金，性能，应用，发展趋势 1引言 金属元素钛在地壳中的分布范围比较广泛，据估计和推算，其含量是地壳质量的0.4%还要多一点，世界储量约34亿吨，在所有元素中含量居第10位（氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、钛）[1]。其丰富的储量，为金属钛及钛合金的生产和发展提供了主要的原料来源。 自20世纪50年代以来，钛及钛合金的发展已经历了半个多世纪的历程，钛合金的种类已从1954年的Ti-6Al-4V合金[2]发展到数百种。因为具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，钛合金被广泛用于各个领域，包括航空航天、汽车制造、医药卫生以及其他日常生活领域。世界上的许多国家如美国、日本、俄罗斯以及中国等都认识到钛合金材料的重要性，并相继对其进行了研究开发，得到了实际应用[2,3]。 2 钛合金的性能 2.1 钛合金的高温性能 在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽。高温钛合金不仅具有良好的室温性能和高温强度，并且在蠕变性能、热稳定性、疲劳性能和断裂韧性等方面具有良好的匹配。世界上第一个研制成功的高温钛合金使用温度仅为300~350℃[4]，经历了40多年的发展，目前新型耐热钛合金的工作温度可达550~600℃，而Ti-Al金属间化合物的崛起，打破了600℃的使用温度界限，将使用温度升至700℃以上。 2.2 钛合金的腐蚀性能 钛的抗腐蚀性强，在550℃以下的空气中，表面会迅速氧化形成薄而致密的TiO2钝化膜，故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及碱性溶液中，其耐蚀
氟化物对纯钛及钛合金的腐蚀作用 近年来，钛和钛合金广泛应用于口腔领域，是最常用的口腔材料之一。钛由于与氧具有很高的亲和力，拼在其表面形成了一层紧密而稳定的氧化膜而具有出色的耐腐蚀性。有研究表明氟离子在酸性环境下能破坏这层氧化膜，从而削弱钛的抗腐蚀能力。目前，含氟牙膏、正畸凝胶等含氟牙膏产品大量应用于口腔。钛及钛合金暴露于含氟的复杂口腔坏境中。在此情况下，钛及其合金的腐蚀行为受到氟化物本身浓度、环境酸碱度、口腔中蛋白质和钛合金的成分以及种植体材料表面微形貌等方面的影响。 1.氟化物腐蚀原理 钛材料良好的抗腐蚀性只要是由表面薄二致密稳定的氧化 膜产生，这层氧化膜在破坏后能在含氧环境中迅速形成。这使得氧化膜的破坏和修复（再钝化）维持在一个稳定的状态，保护内部的钛元素不被继续氧化。但有报道发现，钛表面氧化膜在氢氟酸溶液中会出现溶解。目前普遍认为氟化物对钛及钛合金的腐蚀原理是口腔中溶解的氟化物和氢离子结合形成氟化氢。氟化氢能优先吸附于钛表面氧化膜的某些点上，排挤掉氧原子，然后和氧化膜中的太离子结合形成可溶性氟化物，使钛发生点蚀。反应方
程如下： Ti2O3+6HF=2TiF3+3H2O, TiO2+4HF=TiF4+2H2O, TiO2+2HF=H2O+TiOF2. 表面氧化膜破坏发生多孔性改变后，导致深部钛的暴露。钛是一种活性很高的金属，在含氢或析氢腐蚀环境中会持续吸收氢，在钛晶面生成TiH2,促进腐蚀的进程，甚至形成微裂纹，最终导致钛材料修复失败。 2.氟化物腐蚀影响因素 2.1氟化物的浓度 口腔中氟化物主要来源于含氟牙膏和漱口水等口腔保健品，其浓度范围1000~10000Ppm不等，使用这些保健产品会导致口腔局部氟离子浓度增高。有研究发现在酸性溶液中，氟离子浓度达到30ppm时，钛表面的氧化膜即可出现破坏，说明低浓度的氟离子就减弱了钛材料的抗腐蚀性能。 （1）高浓度氟溶液对钛表面的腐蚀作用在弱酸环境中就能进行。Her-Hsiung Huang 溶液中能检测到更高的钛离子溶出量，这也间接说明了钛在酸蚀化电阻下降明显，抗腐蚀性能下降。马长柏等 （3）发现腐蚀产生的点状凹陷的分布范围和深度均随氟离
钛合金的应用与前沿发展 X X X （太原科技大学材料学院） 摘要：先进材料钛及钛合金的应用与前沿技术的发展一直是当前材料领域的热点研究课题之一。本文从钛合金的应用与前沿发展为基点出发，列举了钛合金的研究和应用在国内外取得的重大进步，并试图阐述钛合金最近一些前沿技术与中国现代化科技强国目标、西部大开发的关系，分析其优势与局限性，并展望发展趋势。 自从人类1790年发现钛元素，1951年进入工业化生产以来，钛逐渐显示出它独特的优越性能。它不仅具有金属结构材料的优越性能，而且在许多工艺介质中具有优异的耐腐蚀性能，钛的应用可以获得明显的技术进步和经济效益。它的蕴藏量是铜的十倍，是继铁、铝之后的"第三金属"，被称为"空间金属"。 从使用钛的意义上看，一个国家使用钛的多少，标志着国家的科技水平、军事实力、经济实力的强弱。所以，推广使用钛、发挥钛特性的优势作用，对促进工业发展、增强产品竞争的活力，是非常必要的，也是现代技术发展的方向。 关键词：钛 ; 钛合金 ; 开发应用 ; 前沿发展 报告正文： 钛是周期表中第ⅣB类元素，外观似钢，熔点达1 672 ℃，属难熔金属。钛在地壳中含量较丰富，远高于Cu、Zn、Sn、Pb等常见金属。我国钛的资源极为丰富，仅四川攀枝花地区发现的特大型钒钛磁铁矿中，伴生钛金属储量约达4.2亿吨。 纯钛机械性能强，可塑性好，易于加工，如有杂质，特别是0、N、C等元素存在，会提高钛的强度和硬度，但会降低其塑性，增加脆性。 钛是容易钝化的金属，且在含氧环境中，其钝化膜在受到破坏后还能自行愈合。因此，钛对空气、水和若干腐蚀介质都是稳定的。钛和钛合金有优异的耐蚀性，只能被氢氟酸和中等浓度的强碱溶液所侵蚀。特别是钛对海水很稳定，将钛或钛合金放入海水中数年，取出后，仍光亮如初，远优于不锈钢。 钛的另一重要特性是密度小。其强度是不锈钢的3.5倍，铝合金的1.3倍，是目前所有工业金属材料中最高的。 液态的钛几乎能溶解所有的金属，形成固溶体或金属化合物等各种合金。合金元素如A1、V、Zr、Sn、Si、Mo和Mn等的加入，可改善钛的性能，以适应不同部门的需要。由于上述优异性能，钛享有“未来的金属”的美称，钛合金已广泛用于国民经济各部门，它是火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料。船舶、化工、电子器件和通讯设备以及若干轻工业部门中要大量应用钛合金。 为促进我国钛工业的发展，选准"十一五"期间我国钛冶炼技术的发展方向，中国有色金属工业协会科技部和钛业分会合作，于2005年5月10日在北京召开了"钛冶炼技术发展规划研讨会"。曹春晓院士等28名我国钛行业的专家出席了会议。中国有色金属工业协会钮因键副会长、国家发改委肖春泉处长、国家科技部黄世兴处长、国防科工委贺守华处长等也应邀出席了会议。会议中首先由中国有色金属工业协会钮因键副会长和协会科技部张洪国主任作会议主旨发言；北京有色金属研究总院的邓国珠教授介绍了国内外钛冶炼技术的现状、我国钛冶炼技术所存在的问题，初步提出了我国"十一五"期间技术发展的主要方向；遵义钛厂胥力厂长和抚顺钛厂刘禹明副厂长分别介绍了各厂在建钛项目的进展情况、存在及需要解决的问题；北京科技大学的朱鸿民教授分析了FFC法的优缺点，介绍了一种钛冶炼新方法的初步研究结果；锦铁集团的梁志忠高工介绍了该企业大型熔盐氯化和矿物油除钒的技术。
钛及钛合金的表面处理 摘要：本文对钛及钛合金的表面处理的方法进行了综述，随着钛合金在航天航空、舰船、石油、化工以及其他行业的不断应用，世界各国尤其是发达国家和发展中国家的研究工作者为克服钛合金的缺点正做着各种尝试和努力，钛合金的表面处理方法也取得了长足的进展。 关键词：钛及钛合金表面处理研究方法 1 引言 钛及钛合金具有低密度、良好的耐腐蚀能力、高比强度以及令人满意的生物相容性，在航空航天、化工、生物医学等领域得到广泛的应用，并为社会带来巨大的经济效益。然而，钛及钛合金表面硬度低，在滑动摩擦条件下摩擦力学性能差，特别是抗摩擦和磨损性能较差的钛合金，严重地限制了其应用范围。为了有效地利用钛合金的优良性能，对其进行表面处理，是一种改善钛合金缺陷使其最大限度地发挥其优势的重要措施之一。 2 表面处理方法 2.1 电镀 在钛合金表面主要有镀镍、镀硬铬、镀银等，镀银目的是提高钛合金的导电性和钎焊性。电镀前必须对钛合金表面进行预处理，膜层与基体的结合力差是钛及钛合金表面进行电化学处理的主要问题，要想在钛及钛合金上得到满意和合格的表面膜层，镀覆预处理是非常重要的步骤，而预处理的关键是“活化成膜”处理，若选择适宜的预处理方法，既能简化工艺，又能保证和提高镀覆层与基体的结合强度[1]。 2.2 交流微弧氧化 微弧氧化(MAO)是一项在金属表面生长氧化物陶瓷膜的新技术。它从阳极氧化发展而来．但它施加了几百伏的高压，突破了阳极氧化对电压的限制。该技术通过微弧放电区瞬间高温高压烧结直接把基体金属变成氧化物陶瓷，并获得较厚的氧化物膜。对钛合金表面微弧氧化，获得膜的硬度高并与金属基体结合良好。改善了钛合金表面的抗磨损、抗腐蚀、耐热冲击及绝缘等性能，在许多领域具有很好的应用前景[2]。 2.3 表面氧化处理 一般钛和钛合金较之常用的生物体用合金Co、Cr合金和316L不锈钢的耐磨性都较差，而且所产生的磨损粉在生物体内都有可能产生不良影响。因此，新开发的一些生物体用钛合金在生物体内使用之前往往都要采取适当的表面处理，以提高其抗磨性。为此，日本丰桥技术科学大学和大同特殊钢公司研究了一种新开发的生物体用B型钛合金(简称TNTZ合金)，采取表面氧化处理提高其表面耐磨性[3]。 2.4 离子注入 离子注入与其它表面处理技术相比显示了诸多优点，与物理或化学气相沉积相比，主要优点在：①膜与基体结合好，抗机械、化学作用不剥落能力强；②注入过程不要求升高基体温度，从而可保持工件几何精度；③工艺重复性好等。许多研究者报道了氨离子注入对合金表面成分、组织结构、硬度及摩擦学性能有良好改善效果。TiC也是超硬相，故钛合金经离子注入碳也同样可以强化钛合金表面。但是由于等离子体基离子注入并非连续过程，施加每一负脉冲电位时，随着脉冲电位由零下降至谷值，再回升至零，发生着溅射和注入两个过程。如果等离子体中含有金属或碳离子时，在脉冲电位为零时，在一定条件下还会在表面形成
第35卷第4期Vol.35No.4 稀有金属 CHINESE JOURNAL OF RARE METALS 2011年7月Jul．2011 收稿日期：2011－03－31；修订日期：2011－05－10 基金项目：国家科技部中韩联合研究项目（2010DFA52280）资助 作者简介：杨冬雨（1979－），男，湖南宁乡人，硕士，工程师；研究方向：钛合金*通讯联系人（E －mail ：yangdongyu@comac．cc ） 高强高韧钛合金研究与应用进展 杨冬雨1*，付艳艳2，惠松骁2，叶文君2 ，于 洋2，梁恩泉 1（1．上海飞机设计研究院标准材料设计部，上海200232；2．北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室，北京100088） 摘要：航空航天业的发展对高强度、高断裂韧性的新型钛合金的需求越来越迫切，研究具有自主知识产权并用于航空大型结构件的新型高强高韧钛合金得到世界各国的重视。综合评述了国外传统的Ti-1023、BT22合金、β-21S 合金、β-C 合金，新型Timetal555和VST55531合金以及我国的TB2和TB10合金等7种高强高韧钛合金研究及应用现状， 分析了合金的成分、组织、强度、塑性、断裂韧性等特点。根据国内外高强高韧钛合金发展现状，提出发展方向：研制R m ≥1300MPa ，K IC ≥55Pa ·m 1/2新型高强韧钛合金；新型合金成分应以Ti-Al-Mo-V-Cr 系为主；探索加工工艺与高强高韧钛合金合金组织及性能的关系；发展具有优异的淬透性及良好的锻造性能为主的大型锻件用高强高韧钛合金。 关键词：钛合金；高强；高韧；锻件 doi ：10．3969/j．issn．0258－7076．2011．04．017中图分类号：TG146．2 文献标识码：A 文章编号：0258－7076（2011）04－0575－06 Research and Application of High Strength and High Toughness Titanium Alloys Yang Dongyu 1*，Fu Yanyan 2，Hui Songxiao 2，Ye Wenjun 2，Yu Yang 2，Liang Enquan 1 （1．Department of Standard and Materials ，Shanghai Aircraft Design and Research Institute ，Shanghai 200232，China ；2．State Key Laboratory of Non-Ferrous Metals and Processes ，General Research Institute for Non-Ferrous Metals ，Beijing 100088，China ） Abstract ：With the continuous development of the aerospace industry ，the demand of new high strength and fracture toughness tita-nium alloy would grow increasingly．The research on new high strength and tough titanium alloy of intellectual property rights ，which was applied to large structures of aerospace ，aroused the interest of the world．The present development on the investigation of high strength and toughness titanium alloys was introduced ，including traditional foreign Ti-1023，BT22，β-21S ，β-C ，new type Timet-al555，VST55531and domestic TB2and TB10alloys．Meanwhile ，the characteristics of components ，structures ，strength ，plasticity and fracture toughness were analyzed．Based on the development of these titanium alloys ，the author's opinions about development trend in this field were also presented ：to develop a new high-strength and toughness titanium alloy with R m ≥1300MPa ，K IC ≥55Pa ·m 1/2；the components of new alloy should be based on Ti-Al-Mo-V-Cr series alloy ；to probe into the relationship between processing technology and microstructure and properties of high strength and toughness titanium alloy ；to develop the high strength and toughness titanium alloy with excellent hardenability and good forgeability that were used as heavy forgings．Key words ：titanium alloys ；high strength ；high toughness ；forging 钛及钛合金因具有比强度高、耐腐蚀性好等优点，已被广泛应用于在航空、航天、车辆工程、生物医学工程等各个领域 ［1，2］ 。近年来，随着航空 航天业对高强度、高断裂韧性的新型结构钛合金的需要越来越迫切，因此研究具有自主知识产权， 能够替代超高强度钢并用于航空大型结构件的新型高强高韧钛合金得到世界各国的重视。 高强高韧钛合金一般指抗拉强度在1000MPa 以上，断裂韧性在55MPa ·m 1/2以上的钛合金。表1为几种典型高强钛合金的概况，其中国外的高强高
钛合金表面处理 Hessen was revised in January 2021
钛合金表面处理 引言 钛在高温下易于与空气中的O、H、N等元素及包埋料中的Si、Al、Mg等元素发生反应，在铸件表面形成表面污染层，使其优良的理化性能变差，硬度增加、塑性、弹性降低，脆性增加。 钛的密度小，故钛液流动时惯性小，熔钛流动性差致使铸流率低。铸造温度与铸型温差(300℃)较大，冷却快，铸造在保护性气氛中进行，钛铸件表面和内部难免有气孔等缺陷出现，对铸件的质量影响很大。 因此，钛铸件的表面处理与其它牙用合金相比显得更为重要，由于钛的独特的理化性能，如导热系数小、表面硬度、及弹性模量低，粘性大，电导率低、易氧化等，这对钛的表面处理带来了很大的难度，采用常规的表面处理方法很难达到理想的效果。必须采用特殊的加工方法和操作手段。 铸件的后期表面处理不仅是为了得到平滑光亮的表面，减少食物及菌斑等的积聚和粘附，维持患者的正常的口腔微生态的平衡，同时也增加了义齿的美感；更重要的是通过这些表面处理和改性过程，改善铸件的表面性状和适合性，提高义齿的耐磨、耐蚀和抗应力疲劳等理化特性。 一、表面反应层的去除 表面反应层是影响钛铸件理化性能的主要因素，在钛铸件研磨抛光前，必须达到完全去除表面污染层，才能达到满意的抛光效果。通过喷砂后酸洗的方法可完全去除钛的表面反应层。 1.喷砂：钛铸件的喷砂处理一般选用白刚玉粗喷较好，喷砂的压力要比非贵金属者较小，一般控制在以下。因为，喷射压力过大时, 砂粒冲击钛表面产生激烈火花，温度升高可与钛表面发生反应,形成二次污染，影响表面质量。时间为15~30秒，仅去除铸件表面的粘砂、表面烧结层和部分和氧化层即可。其余的表面反应层结构宜采用化学酸洗的方法快速去除。 2.酸洗：酸洗能够快速完全去除表面反应层，而表面不会产生其他元素的污染。HF—HCl系和HF—HNO3系酸洗液都可用于钛的酸洗，但 HF—HCl系酸洗液吸氢量较大，而HF—HNO3系酸洗液吸氢量小，可控制HNO3的浓度减少吸氢，并可对表面进行光亮处理，一般HF的浓度在3%~5 %左右，HNO3的浓度在 15%~30%左右为宜。
材料与人类文明 论文 题目：钛合金在医疗方面的应用班级： 姓名： 学号： 【摘要】
钛是非常常见的物质，海绵钛纯度能达到99.9%。钛合金产品的物理、化学性质十分稳定，不会被人体吸收，与体液和药品接触也不会发生化学反应，也不会电离，也不与人体的肌肉骨骼发生反应，因而被人们称为“亲生物金属”。因为钛具有“亲生物”性，钛在人体内，能抵抗分泌物的腐蚀且无毒，对任何杀菌方法都适应。因此被广泛用于制医疗器械，制造人体髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨，主动心瓣、骨骼固定夹。 【关键词】 材料钛合金文明生物医疗 【正文】 金属材料是最早用于临床医学的生物医用材料，目前用于外科植入物和矫形器械的金属材料主要包括不锈钢、钴基合金和钛合金三大系列，它们占整个生物材料产品市场份额的40% 左右。其中，钛合金已广泛应用于人体硬组织（包括人体躯干中所有的骨骼和牙齿）的缺损、创伤和疾病等修复、矫形及替代等治疗。20 世纪中叶以来，以钛合金为主的医用金属材料开始在人体硬组织的外科植入及人体软组织（包括心脑血管、外周血管及非血管如肝脏、胆道、尿道等）的介入治疗方面显示出独特而神奇的疗效，而钛合金人工关节、牙种植体、血管内支架和心脏瓣膜等具有中国医疗器械用钛合金材料研发、生产与应用、及典型代表性的医疗器械产品的问世，对医学的发展具有划时代的意义和革命性贡献，使得临床治疗从初级的简单“修复、矫形”治疗上升到更高层次的组织与器官的“替代式”治疗，极大改善和提高了人们的生活质量，克服了以往重大疾病 只能单纯依靠药物治疗的不足。 1.钛合金材料在我国的发展历史 上世纪七十年代初，我国开始采用了国产钛及钛合金制品，在北京多家医院，先后采用钛及钛合金人造骨头与关节用于临床治疗应用和研究，制造的髋关节、肘关节、下颌骨等用于临床治疗病人。同时，一些医院与公司的模拟人体体液的浸泡实验，电化学阳极化实验和腐蚀动力学曲线的测定，证明了钛及钛合金人造骨头与关节用于人体具有优异的耐腐蚀性，生物学反应也很小，是一种理想的人体植入物，对植入人体骨头与关节进行力学性能也经过测定，认为钛及钛合金的强度满足了人体植入物的要求。 上世纪八十年代中期以后，我国钛材用于制造人体植入物的数量增加，其中钛形状记忆合金的开发与应用达到国际先进水平。到了九十年代中期，国产钛及钛合金加工材，在矫形外科、神经外科、心血管系统、口腔颌面外科、人体外培养机等方面广泛应用。近５年，国内一大批企业成为钛及不锈钢等人体植入物生产企业。采用钛及钛合金制造的股骨头、髋关节、肱骨、颅骨、膝关节、肘关节、肩关节、掌指关节、颌骨以及心辨膜、肾辨膜、血管扩张器、夹板、假体、紧固
第29卷 第5期2010年5月 中国材料进展 MATER I A LS CH I NA V ol 29 N o 5 M ay 2010 收稿日期:2009-12-24 基金项目:国家973计划项目(2007C B613807); 国家科技支撑计划项目(2007BAQ00087);973引导项目(2005CCA06400) 通信作者:赵永庆,男,1966年生,博士,教授,博士生导师 国内外钛合金研究的发展现状及趋势 赵永庆 (西北有色金属研究院,陕西西安710016) 摘 要:钛及钛合金因具有优异的综合力学性能,得到各行各业的高度重视,介绍了近10年国外、国内钛合金研究的发展 现状、趋势与差距,及时我国钛合金研制的建议。 关键词:钛合金;发展现状;趋势 中图分类号:TG 146 2+3 文献标识码:A 文章编号: 1674-3962(2010)05-0001-08 Current Situation and Developm ent Trend of Titaniu m A lloys Z HAO Y ongqing (N orth w est Institute for N on ferrousM eta l R esearch ,X i an 710016,Ch i na) Abstrac:t Because o f the i r exce llent properties ,g rea t atten tion has been pa i d t o T i and T i a lloys .T his paper rev i ew s t he ir current situati on and deve l op m ent trend i n recent ten years ,and also g ives the differences bet ween Ch i na and o ther coun tries .The suggesti ons for develop m ent o f T i a lloys are a l so put for w a rd . Key w ords :T i a lloys ;cu rrent s i tuation ;deve l op m ent trend 1 前 言 钛及钛合金因具有优异的综合力学性能,在航空、航天、船舶、石油、化工、兵器、电子等行业得到高度 重视和广泛应用。15年前国外高度重视新型钛合金的研制,近几年国外更重视钛合金性能改性和挖潜。国内从钛合金研发开始一直重视新型钛合金研制,10年前重点是仿制,之后是既创新又仿制,目前以创新研制为主。本文介绍近10年国外、国内钛合金研究的发展现状、趋势与差距,及对我国钛合金研制的建议。 2 新型钛合金的研究进展 2 1 宇航用钛合金 2 1 1 国外 由于大型航空发动机压气机对工作在300~350 用材的需要,俄罗斯的全俄轻金属研究院研究了同时添加Sn 和Zr 来改善BT22钛合金的强度和高温蠕变性能, 研制出了性能优于BT22的一种新的航空用钛合金。新合金的名义化学成分为T i 5A l 5M o 5V 1Fe 1C r 1 7Sn 2 5Zr ,被赋予正式牌号BT37。截面尺寸为150~200mm 的BT37合金模锻件和自由锻造的静强度和疲劳强度比BT3 1合金高25%;固溶强化的BT37合金的静强度和疲劳强度比金属间化合物强化的高温钛合金高20%~25%以上。用BT37合金来取代传统的BT3 1,BT6热强钛合金来制造在300~350 下工作的压气机大尺寸盘和叶片,可使质量减轻20%~25% [1-2] 。 同时国外也研制出高强钛合金T i 5553(T i 5A l 5M o 5V 3C r),T i 55531(T i 5A l 5V 5M o 3C r 1Zr)等[3-4] 。T i 5553作为高强近 钛合金可替代BT22和T i 1023钛合金大量使用在飞机的起落架上,该合金的淬透性更好,俄罗斯的V S M PO 联合体分别用 锻和 + 锻制造了该合金的大型锻件。T i 55531是空客公司与俄罗斯合作开发的新型高强高韧近 型钛合金,强度与韧性匹配良好,首次应用的实例是A380机翼与挂架的连接装置。T i 3553(T i 3A l 5M o 5V 3C r)是用做紧固件用钛合金,其强度和加工性能均优于T i 64。在承压管路系统研制成 功一种新的钛合金T i 3331(T i 3A l 3V 3M o 1Zr)[3] ,其强度比T i 3A l 2 5V 高30%左右。高强可焊钛合金T 110(T i 5 5A l 1 2M o 1 2V 4N b 2Fe)为A ntonov 飞机的重型构架设计用,合金同BT22的力学性能相当,但具有优
Ti—FG—BM型钛合金种植体表面处理及生物相容性研究进展钛合金由于具有良好的机械性能、优秀的生物相容性特征和体液环境的耐 腐蚀性，成为牙科修复临床应用中的常见材料。但是当前临床中使用的钛合金比人骨有更高的弹性，所以经常会出现种植的牙齿与骨骼之间因为弹性规模不匹配造成的种植体周围出现了骨吸收的情况，經常会出现种植体断裂或松动等，严重影响了种植的成功率。因此，开发研制与骨组织相近的低弹性模量Ti-FG（function group）-BM（bioactive material）型种植就成为当前研究的热点。 标签：低弹性模量；种植体；功能组 钛合金在牙科修复物中作为首选的材料，是因为钛合金具有良好的生物相容性特征，并具有良好的机械力学性。但是钛合金由于是金属材料，并且没有促进新骨骼生成的能力，所以没有生物活性。所以找到一种具有促进骨骼整合并可以与骨骼整合的材料是非常重要的。本文对开发研制与骨组织相近的低弹性模量Ti-FG-BM型种植体材料在口腔种植修复应用的重要内容的研究进展作一综述。 1 口腔种植研究的主要方向 由于当前人们生活水平的不断提高，人们对牙齿的美观程度要求也越来越高，并且牙齿种植也可以从很大程度上提高人们的生活质量，所以口腔种植手术在牙科应用越来越广泛。但是口腔种植体材料较为昂贵，所以很多学者不断寻找有较好的生物相容性且与人体骨骼组织的弹性硬度相匹配的材料，为降低消费者种植费用和提高种植手术成功率不断努力。在20世纪初期，临床上常用的种植体材料主要有钛合金、钴合金和不锈钢，但是钛合金与不锈钢的弹性较大，所以与骨骼之间弹性模量不匹配，在种植以后载荷并不能有效传递到周围的骨骼组织，所以在种植以后种植体容易出现松动或周围骨组织吸收的现象，最终导致种植术失败[1-3]。与此同时，钛合金表面经过处理的生物惰性氧化层与骨骼不能发生化学结合反应，仅仅是与骨骼融合，从而限制了其在较大承载部位的使用。基于以上原因，科学家不断研究有更高生物相容性和更接近骨骼弹性模量的Ti-FG-BM的种植体，可以更充分满足对口腔植入材料的要求，也成了当前研究的热点话题。 2 国际社会的研究状况 钛合金作为植入体材料在20世纪60年代首次在瑞典用于口腔种植，其优良的特性也促进了临床对外科植入体材料的深入研究，随后钛合金材料在临床上被用作替换材料。在20世纪70年代以后，在外科修复和替换器件的发展中，钛合金被广泛应用。第一代钛合金主要包括纯钛、Ti-3Al-2.5V、Ti-6Al-4V等，但是临床中人们发现V对人体有较大的毒性，并且这类合金的耐腐蚀程度差，所以迫切需要下一代生物医用合金的研发。一直到20世纪80年代中期，德国和瑞士先后开发了新一代钛合金Ti-6AL-7NbTi-5A12.5Fe，并且在临床中得到了广泛应用[4-5]。我国自行研制的Ti-51A1、Ti-6A1-7Nb、Ti-2.5A1-2.5Mo-2.5Zr，非常实
钛合金的特性及其应用(一) 〔摘要〕综述了钛合金材料的应用及研究现状，着重介绍了钛及钛合金的主要特性，加工性能及其在航空航天、军事工业和汽车制造方面的应用，并在此基础上展望了钛合金的发展方向。 〔关键词〕钛合金特性加工性能应用领域 Ti在地壳中的丰度为0.56%(质量分数，下同)，在所有按元素中居第9位，而在可作为结构材料的金属中居第4位，仅次于Al、Fe、Mg，其储量比常见金属Cu，Pb，Zn储量的总和还多。我国钛资源丰富，储量为世界第一。钛合金的密度小，比强度、比刚度高，抗腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能都很好，具有优良的综合性能，是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料。近年来，世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展，海绵钛、变形钛合金和钛合金加工材的生产和消费都达到了很高的水平，在航空航天领域、舰艇及兵器等军品制造中的应用日益广泛，在汽车、化学和能源等行业也有着巨大的应用潜力。 一、钛及钛合金的特性 钛及钛合金具有许多优良特性，主要体现在如下几个方面： 1.强度高。钛合金具有很高的强度，其抗拉强度为686—1176MPa，而密度仅为钢的60%左 右，所以比强度很高。 2.硬度较高。钛合金(退火态)的硬度HRC为32—38。 3.弹性模量低。钛合金(退火态)的弹性模量为1.078×10－1.176×10MPa，约为钢和不锈钢的一半。 4.高温和低温性能优良。在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽，目前新型耐热钛合金的工作温度可达550—600℃；在低温下，钛合金的强度反而比在常温时增加，且具有良好的韧性，低温钛合金在－253℃时还能保持良好的韧性。 5.钛的抗腐蚀性强。钛在550℃以下的空气中，表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜，故在 大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中，其耐蚀性优于大多数不锈钢。 二、钛及钛合金的加工性能 1.切削加工性能 钛合金强度高、硬度大，所以要求加工设备功率大，模具、刀具应有较高的强度和硬度。切削加工时，切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大。与45钢相比，钛合金的切削力虽然只有其2/3—3/4，可是切屑与前刀面的接触面积却更小(只有45钢的1/2—2/3)，所以刀具切削刃承受的应力反而更大，刀尖或切削刃容易磨损；钛合金摩擦因数大，而热导率低(分别仅为铁和铝的1/4和1/16)；刀具与切屑的接触长度短，切削热积聚于切削刃附近的小面积内而不易散发，这些因素使得钛合金的切削温度很高，造成刀具磨损加快并影响加工质量。由于钛合金弹性模量低，切削加工时工件回弹大，容易造成刀具后刀面磨损的加剧和工件变形；钛合金高温时化学活性很高，容易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应，生成硬化层，同时进一步加剧了刀具的磨损；钛合金切削加工中，工件材料极易与刀具表面粘结，加上很高的切削温度，所以刀具易于产生扩散磨损和粘结磨损。 2.磨削加工性能 钛合金化学性质活泼、在高温下易与磨料亲和并粘附，堵塞砂轮，导致砂轮磨损加剧，磨削性能降低，磨削精度不易保证。砂轮磨损同时也增大了砂轮与工件之间的接触面积，致使散热条件恶化，磨削区温度急剧升高，在磨削表面层形成较大的热应力，造成工件的局部烧伤，产生磨削裂纹。钛合金强度高、韧性大，使磨削时磨屑不易分离、磨削力增大、磨削功耗相应增加。钛合金热导率低、比热小、磨削时热传导慢，致使热量积聚在磨削弧区，造成磨削