耐热钢和Ti合金最新研究动向

2Ti合金
（1）概要
按用途，钛合金分为耐热合金、高强合金、钛-钼与钛-钯合金等耐蚀合金、低温合金及钛-铁贮氢材料与钛-镍记忆合金等特殊功能合金。
1）比强度高
钛合金密度约4.5g/cm3，仅为钢的60％，纯钛的强度接近于普通钢的强度，钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属材料。飞机发动机构件、骨架、紧固件及起落架等使用的钛合金可在450℃～500℃的温度下长期工作，150℃～500℃范围仍有很高的热比强度。
2)抗蚀性好
钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢。对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强。对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。
3)低温性能好
钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性
4)化学活性大
钛与大气中的O、N、H、CO、CO2、NH3和水蒸汽会产生强烈化学反应。含碳量大于0.2％时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；增加H含量会形成脆化层，产生0.1mm～0.15mm深度硬脆表层，硬化程度20%～30％。钛的化学亲和性大，易与摩擦表面产生粘附现象。
5)导热系数小、弹性模量小
钛的导热系数15.24W/（m*K），约为镍的1/4，铁的1/5及铝的1/14。各种钛合金的导热系数比钛的导热系数低50％。钛合金弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量大，约为不锈钢的2～3倍，导致刀具后刀面剧烈摩擦、粘附及粘结磨损。
钛合金是一种新型结构材料，具有密度小，比强度和比断裂韧性高，疲劳强度和抗裂纹扩展能力好，低温韧性好，抗蚀性强的综合性能。钛合金主要用于制作飞机发动机的压气机部件，火箭、导弹和高速飞机结构件，电解工业电极、发电站冷凝器、石油精炼和海水淡化加热器及环境污染控制装置，贮氢材料和形状记忆合金等。
与钢铁材料相比，Ti合金比强度（强度/密度）高。因此，其在航空器材、生物医学材料方面的适用范围不断扩大。在此介绍新近开发的Ti合金。
(2)DAT54耐热Ti合金
DAT54(Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-2.8Mo-0.7Nb-0.06C)是目前高温特性最好的耐热Ti合金，用于600℃高温环境飞机发动机圆盘或汽车电机阀等。
飞机发动机圆盘周边需经高频热处理，外部为高抗蠕变强度的针状组织，内部为高抗疲劳强度的等轴组织，为确保飞机圆盘发动机高性能，进行了实用化开发。章动圆盘接触面积比活塞式发动机小，扭矩曲线更加平坦，在360°旋转轴上能提供270°压缩。双圆盘系统发动机与8缸活塞发动机功率相当。
(3)生物体材料Ti合金
鉴于Ti合金具备生物体优异适应性，所以被广泛用作生物材料。主要生物体材料有Ti-6Al-4VELI和用铌取代对生物体细胞有毒性的钒的Ti-6Al-7Nb。近年，在采用添加生物体优异适用性的元素基础上，积极开发近似骨骼组织低弹性率的TNTZ（Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr），并作适用性研究。TNTZ作为生物体材料确保更高的适用性，但因加入高熔点的钽与铌元素，在熔解制造过程中容易出现偏析，为抑制形成偏析，尚需再度熔解。
(4)Ti合金VLTi
Ti-6Al-4V比强度高、耐蚀性好，所以在飞机、汽车部件、高尔夫帽体育领域广泛采用Ti合金。鉴于Ti-6Al-4V中含有4%稀有元素钒，日本大同特殊钢公司为更好稳定价格，用Fe置换V，开发出VLTi(Ti-6Al-Fe)合金。VLTi在确保强度的同时，具有比重低的特性。为提高设计自由度，希望采用低比重、高强度优质材料，VLTi是符合该期望值的合金，制成各种高尔夫帽。此外，VLTi作为Ti-6Al-4V的替代材料，用于汽车连杆或吸气阀等部件。
(5)TiAl合金
TiAl为金属间化合物，由于金属间化合物晶体中金属键与共价键共存,同时兼有金属韧性和陶瓷高温性能。与Fe基与Ni基耐热材料相比，TiAl合金具有重量轻，高温比强度高的优点，由此开发具备工业制造、抗高温氧化性的DAT-TA1(Ti-33.5Al-1.0Nb-0.5Cr-0.5Si)TiAl合金，适用于汽车涡轮。
TiAl化合物具有耐高温、抗氧化和密度低等特性,且其弹性模量、抗蠕变性能均优于钛合金。TiAl合金密度还不及镍基高温合金1/2，而性能与镍基高温合金相当,具有广泛使用前景。
(来源：钢铁产业)