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钛合金的发展前景和方向


近几十年来,钛工业一直在努力进入具有巨大市场潜力的民用工业领域,但收效不大,其主要原因之一是人们总是试图将各种航空航天用钛合金“强加”给民用工业领域。在航空航天领域中,性能是首先要考虑的问题,而其它因素如价格等则排在第二位,所以,适合于领域应用的钛合金往往具有优异的性能,但价格昂贵。而对于民用工业领域来说,用一种新的材料取代现有材料,价格低廉是至关重要的。但实际情况是,目前的钛合金产品比钢贵10多倍。近几年来,由于认识到价格是钛合金进入民用领域的最大障碍,研究人员和生产厂家都在降低价格方面做了大量工作。

1、降低原材料成本

在航空航天领域中,人们为追求优异的综合性能,往往不太顾及价格问题,例如,广泛使用的钛合金大都含有价格昂贵的β稳定剂钼、钒、铬、铌等,如Ti-6Al-4V,故成本极高,不能被民用工业所接受。若用其它价格低廉的合金化元素取代上述元素,则可大幅度降低原材料成本。最具有代表性的例子是用价格为111美元/ kg的铁取代价格为22美元/ kg的钒作β稳定剂。美国、日本等均先后将研制出的无钒钛合金用于民用工业领域。美国研制出用作汽车进气阀的Timetal 62S,其性能比Ti-6Al-4V好,但成本却比Ti-6Al-4V低15 %~20 %,而且,通过提高产品的产量仍有望进一步降低成本。Timetal LCB也是美国为打入汽车市场而研制开发的材料,它具有卓越的综合性能,尤其是它的抗疲劳性能优于其它任何一种钛合金。Timetal LCB是一种低成本亚稳态β钛合金,其主要合金化元素是低成本的Fe-Mo合金,因此铸锭成本低于其它β钛合金。如果产量足够大,可以达到降低成本的目的。又如日本为文体用品市场开发的TIX ( Ti-Fe-O-N)系列合金,由于加入了价格低廉的铁、氮、氧而使原材料成本大大降低,同时,抗拉强度 (800~1000MPa)大大提高,热加工性能明显改善。加入铁还可能使晶粒细化。

目前,日本正在研制开发低成本抗腐蚀钛合金以取代传统的、价格昂贵的耐蚀合金如Ti-0.15Pd等。正在研制的合金有Ti-0.5Ni-0.05Ru( TICOREX),Ti-0.03~0.08Pd。在这些合金中加入钌或减少高成本钯的含量,从而降低了成本。同时,添加钴或铬使合金抗腐蚀性能提高。上述合金的抗腐蚀性均好于Ti-0.15Pb。

此外,要解决原材料的价格问题,还应在世界范围内建立稳定的钛的价格和供应体制,使生产厂家能安心地使用钛。

2、钛合金产品的加工、制造成本

造成钛合金加工、制造成本较高的原因是多方面的,其中难于对钛合金进行机加工是重要原因之一。以制造汽车连杆为例,加工钛合金连杆的速度比加工钢连杆大约低50 %,因此,前者的制造成本高得多,且更为重要的是,要生产同等数量的汽车连杆,用钛合金所占用的设备是钢的两倍,且由于切削阻力大,使工具寿命降低,这些因素使得投资成本大大提高。为改善钛合金的机加工性能,从而降低其制造成本,美国Daido公司与日本Honda公司联合开发出一种“易于机加工”钛合金;Ti-3Al-2. 5V +硫化稀土。这种钛合金的可钻削性能与退火或回火中碳钢相当,尽管它的可车削性还不如钢,但仍大大好于一般钛合金如Ti-6Al-4V等。现在,该公司已用这种钛合金制造出汽车上的反向连接杆。

降低钛合金加工制造成本的另一个方向是开发可冷变形的β钛合金。近年来,日本、美国等先后开展了此方面的研究工作,并取得进展,开发出的可冷变形β钛合金有Ti-22V-4Al、Ti-20V-4Al-1Sn和Timetal L CB等,其中Timetal L CB有望在批量生产的汽车业中使用。此种合金的制造成本比Ti-6Al-4V约低20 %。另外,降低钛合金的加工制造成本还有多条途径: 

(1)开发低成本生产工艺(连续铸造法,永久模铸造法和粉末冶金法等) 。美国Edison材料技术中心设立汽车阀门开发项目,专门研究用永久模压铸法生产低成本γ-TiAl进、排气阀的可行性。该中心用此方法制造了800个γ-TiAl阀门,并将其分别安装在两辆Chevrolet Corvettess牌汽车上进行道路实测,两辆汽车运行24000 km后,γ-TiAl阀门均完好无损。在截面尺寸相同时,用该方法生产的阀门的铸态显微组织比熔模铸造法细密得多,且前者的室温抗拉性能和尺寸稳定性亦好于后者,机加工产品的废品率也较低。该中心认为,永久模压铸法是一种有开发价值的工艺,但要使其实用化还需做一些工作,如进一步减小阀门铸态组织的疏松程度,对该工艺进行技术经济评估,以及分析其能否满足高产量的汽车市场的需求。目前,除该中心外,Diamler Benz和Nissan公司也在从事此方面的研究工作。近年来,用金属注射成形工艺制造钛合金产品引起人们的极大兴趣,因为该工艺可直接生产形状复杂的钛产品,而无需熔化、锻造、机加工等工序,从而大大降低了生产成本,如医用钛合金Ti-4Fe便可通过此工艺生产。

(2)开发新的、生产元素粉或海绵钛的工艺。日本的Okabe等提出用电子催化反应法生产海绵钛,与传统的钛化合物还原法相比,用此法生产的钛具有更好的组织结构,因而更易于生产无缺陷的海绵钛。

(3)选用能效更高的还原工艺,如连续还原工艺等。

随着世界钛工业格局的变化以及钛市场需求的不断增长,世界钛工业正在逐渐摆脱过去几年里不景气的状况,重新走向繁荣。目前,世界各钛生产国均以开拓钛在一般工业及民用工业中的市场为至上课题,钛及其合金在许多领域中已成为取代镍基合金、铜基合金、不锈钢、石墨等常用材料的新型材料。为了进一步扩大钛在民用工业中的应用,各钛生产国都在致力于开发低成本、易加工钛合金,并已取得初步进展。我国是世界上钛资源最丰富的国家之一,但与美国、日本等西方工业大国相比,钛材产量并不高,且在钛的利用和开发方面也较落后。为了彻底改变这种状况,研究人员和生产企业应从改进生产工艺、降低产品成本、扩大生产规模等方面入手,积极开发民品市场,为实现中国钛工业的腾飞奠定坚实的基础。

(文章来自于网络,版权归原作者所有)


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