高強度高彈性鈦合金發展現狀

金屬材料的彈性變形能力受屈服強度和彈性模量的影響，拉伸線彈性極限（ε0.2）大多小於1%。傳統鈦合金按合金牌號不同，強度在400～1500mpa之間，彈性模量在50～120gpa之間，遠低於鋼（約210gpa），彈性變形能力約為鋼的兩倍。鈦合金的高強度、低彈性模量使其具有優良的彈性變形能力，作為一種結構和功能一體化材料在航空航天領域得到了廣泛的應用。

上世紀50年代，美國首次在B-52轟炸機上使用Ti-6Al-4V鈦合金螺栓，開啟了鈦合金緊固件在航空航天領域的應用。隨著航天和武器裝備對輕量化要求的不斷提高，輕量化、高強度、高彈性的鈦合金在緊固件中逐漸取代傳統的30CrMoSiA鋼，提高了設備的安全性和可靠性。常用的α+β和β鈦合金的抗拉強度基本上為1000MPa，如Ti-6Al-4V、Ti-3Al-5Mo-4.5V、Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al和Ti-15Mo-3Al- 2.7Nb-0.3Si（β21S）等。

    從20世紀70年代開始，開始使用Ti-13V-11Cr-3Al製造民用飛機用彈簧，而不是彈簧鋼，以實現70%的重量減輕。隨後，洛克希德、波音和空客開始使用β鈦合金材料製造起落架鎖、液壓回位和飛機操縱裝置等彈簧部件。代表性合金為Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn和Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr（β-C），其彈性模量約為104gpa，抗拉強度為1300~1450兆帕。開.

中國使用的典型等級為TB2、TB3和TB5。目前，用於彈簧和緊固件的α+β和β鈦合金一般採用α+β兩相結構以獲得高強度。同時，彈性模量（90～120gpa）也較高，導致彈性性能較低。高強度、高彈性材料的使用難以滿足先進飛機的要求。 β型Ti-45Nb合金作為一種特殊的鉚釘材料，在國內外航空航天產品中得到了廣泛的應用。該合金具有彈性模量低、塑性好、冷加工成形性好等優點，但強度特別是屈服強度較低，強度與彈性性能的匹配性較差。

20世紀90年代以來，為了降低醫用鈦合金的彈性模量，人們開發出了一系列低彈性模量的亞穩β型鈦合金，如Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr和Ti-35Nb-5Ta- 7Zr等，獲得了較好的彈性性能，但這種鈦合金是為醫學領域開發的，且其性能優良鈦合金強度低，難以滿足航空緊固件和彈簧用鈦合金的高強度、高彈性要求。 2003年，日本豐田中央研究所開發出綜合性能優異的多功能鈦合金（橡膠金屬）。典型成分為Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-1.2O（原子分數%）。變形後經90%冷軋，強度可達1200mpa，彈性模量為55gpa，彈性極限可達2.5%左右。合金具有高強度和高彈性的優良匹配性，在較寬的溫度範圍內具有恆定的彈性。

中國科學院金屬材料研究所研製的亞穩β型合金Ti-24Nb-4Zr-8Sn（Ti-2448）也顯示出優異的彈性性能，彈性模量低至42gpa，彈性應變高達3.3%。經固溶時效處理後具有優良的高強度、高彈性匹配性。橡膠金屬和Ti-2448是先進高強高彈性鈦合金的典型代表，說明鈦合金可以實現高強度、高彈性匹配。其優異的性能取決於巧妙的元件設計和合適的製備工藝。

Email: jasontitanium@163.com

Whatsapp/Skype/Wechat/Line: +86-15829508781