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钛合金与传统金属材料相比有何优势?

2023-07-11 阅读 1087
钛合金指多种用钛和其他金属制成的合金金属,它具有强度高、耐腐蚀性好、耐热性高等特性,是一种重要的结构金属,广泛应用于航空、航天、舰船、军工和医疗器械和其它民用领域。
自20世纪50年代以来,世界上已研制出的钛合金有数百种,最著名的合金有20~30种,如Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni、Ti-Pd、SP-700、Ti-6242、Ti-10-5-3、Ti-1023、BT9、BT20、IMI829、IMI834等。



钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关。最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1%,但其强度低、塑性高。99.5%工业纯钛的性能为:密度ρ=4.5g/cm3,熔点为1725℃,导热系数λ=15.24W/(m.K),抗拉强度σb=539MPa,伸长率δ=25%,断面收缩率ψ=25%,弹性模量E=1.078×105MPa,硬度HB195。
与传统金属相比,钛具有以下优势:

1. 高强度

钛合金的密度一般在4.51g/cm3左右,仅为钢的60%,其机械强度却与钢相当,具有高强度,通常抗拉强度为(686-1176)MPa。其中 TC4 抗拉强度 Rm 约为 1262 MPa。
一些钛合金超过了许多合金结构钢的强度,因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,可制出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。

2. 耐腐蚀性

在 550℃以下的空气中,钛表面生成一层致密、附着力强、惰性大的氧化膜,保护了钛基体不被腐蚀,即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生,而且介质温度在315℃以下时钛的氧化膜始终保持这一特性,故在大气、海水、 硝酸等氧化性介质及强碱中,钛合金耐蚀性优于多数不锈钢。 这是各国民用工业使用钛材的基础保障。



3. 良好的耐高温性能
通过固溶强化α相研制出的高温钛合金,可以在600℃以下长期使用,800℃以下短时间使用。当飞机的飞行速度马赫数高于2.7以上,其发动机的盘、叶片、后机身、导向器、进气机匣等部件都采用高温钛合金。

4. 生物相容性

金属钛是亲生物金属,气生物相容性非常好,与人体接触或者植入体内能够“兼容”而不会对人体造成伤害。钛在人体内,能抵挡分泌物的腐蚀且无毒,所以被医疗界采纳,用于人工关节、心脏起博器等设备。
研究表明,钛植入物会触发人体免疫系统直接在钛表面生长骨骼,这一过程称为骨整合。说明钛是完全“生物相容的”,这意味着它无毒,不会引起过敏和排异反应,甚至可以与人体组织和骨骼融合。



钛合金作为一种高端材料被应用于航空航天及尖端军工领域。目前随着技术的成熟,钛合金作为一种越来越常见的金属材料已开始在舰船、化工设备、海洋、体育器材、医用植入物、汽车、摩托车、自行车、建筑、生活用品等领域广泛应用。

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