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文章来源:公司办 访问8371次 2011-08-21 14:13:25
      大力发展钛工业对巩固国防和国民经济建设具有极其重大的战略意义。本文对国外钛合金的研究现状及发展、国外钛合金加工工艺研究及钛合金的应用等情况进行了综述。

 

  钛是50年代以后登上世界工业舞台的年轻金属,具有储氢、超导、耐蚀、重量轻、形状记忆、超弹和高阻尼等特殊功能,是新型的功能材料和重要的生物材料。从工业价值、资源寿命和发展前景看,它是继铁、铝之后,被誉为正在崛起的“第三金属”。大力发展钛工业对巩固国防和国民经济建设具有极其重大的战略意义,世界各国的经济发展表明,先进的钛工业是综合国力的重要标志。

 

  钛合金的研究与发展

 

  国外钛工业主要集中在美国、俄罗斯和日本三个国家。由于军事需求减少,近10年来世界钛材产量一直徘徊在5万吨左右。在生产技术方面,克劳尔法仍是生产海绵钛的主导工艺。电子束冷床炉熔炼技术已在钛铸锭的制备上进行了商业化应用,大型锻件和精密锻造技术正在不断地发展,激光成型等近净成型技术正在不断地得到应用。一些常规加工技术如锻造、轧制等已完全实现了计算机自动控制,人工神经网络模型在钛合金中的应用解决了一些钛合金的实际问题。

 

  有报道说,钛生产厂家发现钛很难进入其它市场的主要原因是价格太高。在美国,海绵钛的平均价为3.8美元/磅,而在俄罗斯是3.2美元/磅。而且民用飞机制造工业还有一个周期问题直接影响钛的价格。FFC—剑桥法是一种新的生产钛金属或合金的低成本电解法。

 

  世界上钛的生产仅限于部分工业国家,海绵钛只有美国、哈萨克斯坦、俄罗斯、日本和中国5国生产,大约有20多家海绵钛厂;加工材有美、日、俄、英、德、法、意、中8国生产。全世界海绵钛的生产能力约为11万吨,产量约8万吨。钛铸锭的熔炼能力为22万吨,钛加工材的生产能力约为23万吨。

 

  目前,世界钛技术的发展趋势为:钛的低成本化制备、加工技术,包括海绵钛生产、钛合金材料设计及加工过程等的低成本化;大型优质钛合金坯料制备技术,包括新型电子束和等离子冷床炉熔炼技术;高效、短流程钛合金加工技术,包括单次冷床炉熔炼直接轧制技术,钛带连续加工技术生产等;近净成型技术,包括激光成形、精密铸造、精密模锻、超塑成型/扩散连接、喷射成形等;钛的推广应用技术,包括生物医用钛、汽车用钛、建筑用钛等。

 

  钛合金加工工艺研究

 

  1.钛合金机加工特性分析

 

  首先,钛合金导热系数低,仅是钢的1/4,铝的1/13,铜的1/25。因切削区散热慢,不利于热平衡,在切削加工过程中,散热和冷却效果很差,易于在切削区形成高温,加工后零件变形回弹大,造成切削刀具扭矩增大、刃口磨损快,耐用度降低。其次,钛合金的导热系数低,使切削热积于切削刀附近的小面积区域内不易散发,前刀面摩擦力加大,不易排屑,切削热不易散发,加速刀具磨损。最后,钛合金化学活性高,在高温下加工易与刀具材料起反应,形成溶敷、扩散,造成粘刀、烧刀、断刀等现象。

国外钛及其合金加工的主要企业是美国Timet公司、RMI公司、俄罗斯的VSMPO公司,日本的神户制钢和住友公司,他们代表了世界钛及其合金加工材生产技术的最高水平。

 

  美国的钛及其合金锭约60%以先进的等离子或电子束冷床炉进行生产,其扁形锭可直接轧制板材,美国RMI公司和Timet全面掌握丁TC4薄板(厚度为0.4毫米—0.5毫米)的生产技术,其产品已在波音和空客公司得到大量应用。美国和俄罗斯采用挤压、法生产钛合金型材,已在飞机和舰艇上得到广泛应用,俄罗斯甚至可以用挤压+脉冲缎打的方法生产薄壁钛合金型材。

 

  从钛及其台金锭到成品零部件,其成品率仅10%—20%,因此残钛及其合金的回收利用,就成了降低成本,扩大应用的关键。美国有5家专业的残废钛料的回收处理企业,有专门的设备,专门的技术,大规模、高自动化地从事残废钛的回收处理,其产品通过航空级认证,回收生产的钛材可以重新用于航空产品的生产。

 

  2.钛合金特种加工技术

 

  (1)激光加工技术

 

  利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化气化而进行穿孔、切割和焊接等的特种加工,英文简称LBML—I。国外激光加工设备和工艺发展迅速,现已拥有100千瓦的大功率CO:激光器、千瓦级高光束质量的Nd:YAG固体激光器,有的可配上光导纤维进行多工位、远距离工作。激光加工设备功率大、自动化程度高,已普遍采用CNC控制、多坐标联动,并装有激光功率监控、自动聚焦、工业电视显示等辅助系统。激光表面重熔是一种好的方法,可提高钛的点蚀抗力,扩大钛在苛刻环境中的应用范围。

 

  激光制孔的最小孔径已达0.002毫米,成功地应用自动化六坐标激光制孔专用设备加工航空发动机涡轮叶片、燃烧室气膜孔,达到无再铸层、无微裂纹的效果。

 

  激光切割适用于由耐热合金、钛合金、复合材料制成的零件。目前薄材切割速度可达15米/分钟,切缝窄,一般在0.1毫米—1毫米之间,热影响区只有切缝宽的10%—20%,最大切割厚度可达45毫米,已广泛应用于飞机三维蒙皮、框架、舰船船身板架、直升机旋翼、发动机燃烧室等。

 

  使用激光直接沉积制造先进材料,激光直接制造实现了高能密度热源,粉末金属原料和在近净成型中用计算机驱动机器控制来生产大块材料。粉末冶金和快速固化工艺相结合允许生产具有新成分和独特性质的大块结构材料。

(2)电子束加工技术

 

  电子束加工是利用高能量的会聚电子束的热效应或电离效应对材料进行的加工。例如对材料表面进行热处理、焊接、刻蚀、钴孔、熔炼或直接使材料升华。电子束加工技术在国际上日趋成熟,应用范围广。国外定型生产的40kV—300kV的电子枪(以60kV、150kV为主),已普遍采用CNC控制,多坐标联动,自动化程度高。电子束焊接己成功地应用在特种材料、异种材料、空间复杂曲线、变截面焊接等方面。目前正在研究焊缝自动跟踪、填丝焊接、非真空焊接等,最大焊接熔深可达300毫米,焊缝深宽比20:1。电子束焊已用于运载火箭、航天飞机等主承力构件大型结构的组合焊接,以及飞机梁、框、起落架部件、发动机整体转子、机匣、功率轴等重要结构件和核动力装置压力容器的制造。如:F-22战斗机采用先进的电子束焊接,减轻了飞机重量,提高于整机的性能;“苏—27”及其它系列飞机中的大量承力构件,如起落架、承力隔框等,均采用了高压电子束焊接技术。

 

  国外真空电子束物理气相沉积技术,已用于航空发动机涡轮叶片高温防腐隔热陶瓷涂层,提高了涂层的抗热冲击性能及寿命。电子束刻蚀、电子束辐照固化树脂基复合材料技术正处于研究阶段。

 

  (3)离子束及等离子体加工技术

 

  聚焦离子束的工作原理是利用聚焦后的离子束扫描样品表面,通过检测从样品中被激发出的二次电子,形成二次电子像进行观测。在扫描过程中,因为离子有着较大的质量,同时可以对样品进行加工。

 

  表面功能涂层具有高硬度、耐磨、抗蚀功能,可显著提高零件的寿命,在工业上具有广泛用途。美国及欧洲国家目前多数用微波ECR等离子体源制备各种功能涂层。等离子体热喷涂技术已经进入工程化应用,广泛应用在航空、航天、船舶等关键零部件的耐磨涂层、封严涂层、热障涂层和高温防护层等。在钛和钛合金表面采用微波等离子CVD金刚石涂层,涂层具有较好的结合强度。

 

  (4)电加工技术

 

  电火花加工是在一定的液体介质中,利用脉冲放电对导电材料的电蚀现象来蚀除材料,从而使零件的尺寸、形状和表面质量达到预定技术要求的一种加工方法。日本对钛合金表面电火花放电着色进行了研究。

 

  国外电解加工应用较广,除叶片和整体叶轮外己扩大到机匣、盘环零件和深小孔加工,用电解可加工出高精度金属反射镜面。目前,电解加工机床最大容量已达到5万安培,并已实现CNC控制和多参数自适应控制。电火花加工气膜孔采用多通道、纳秒级超高频脉冲电源和多电极同时加工的专用设备,加工效率2—3秒/孔,表面粗糙度Ra0.4um,通用高档电火花成型及线切割已能提供微米级加工精度,可加工3um的微细轴和5L1m的孔。精密脉冲电解技术已达10um左右。电解与电火花复合加工,电解磨削、电火花磨削已用于生产。

 

  钛合金的最新加工技术有近净成形技术、线摩擦焊接技术、超塑性成形技术、材料制备及加工过程的计算机模拟技术。

钛合金的应用

 

  美国、欧洲和俄罗斯的钛加工材主要用于大型民航客机、军用飞机、航天火箭、导弹、舰船、装甲火炮、电力、化工、汽车等领域。其典型产品为飞机结构件、钛制动机件、压气机叶片和基座、水翼、螺旋桨及轴、支架、浮球、鱼雷发射装置、高压气瓶和全钛冷凝器等。为此,他们开发了大型电子束或等离子冷床炉熔炼炉,大型型材生产线、大型锻件生产线;俄罗斯上萨尔达公司拥有世界最大的75000吨水压机,能生产重达3.1吨的钛锻件,单件重量770公斤以上的大型铸件生产线等。在新型钛合金方面,他们开发了600℃的高温钛合金,英国的IMl834合金、美国的Ti—100钛合金;高强钛合金,如美国的Ti-1023、Ti-15-3、921S等;阻燃钛合金AlloyC、Ti35V-15Cr、TiAl合金及低成本钛合金,如美国Ti-4.5Fe6.8Mo.1.5Al等。日本钛工业的民用技术走在了世界前列,如有经济指标最优的海绵钛企业,有亦钢亦钛的大卷重钛带生产线。其民用钛制品遍及化工、石化、建筑、冶金、医疗(人体植入件、轮椅等)、交通(汽车、摩托车),体育(高尔夫球具、网球拍、渔具,钓鱼船等)、日用电子产品(照相机,手表、复印机、打字机、手机、手提电脑等)、炊具(刀、叉、锅、铲等)各个门类。

 

  民用航空工业是金属钛的主要消费部门。据国外有权威的机构估计,现在全球的金属钛年产量在5—6万吨之间。民用航空工业的用钛量占40%,工业应用占34%,军事工业占16%,日常消费晶的用钛量占10%,据报道,工业用钛的领域包括化学工业、电力工业、能源工业、石油和天然气工业、海水淡化等方面。军工用钛,除了飞机制造外,还包括装甲车、战车。还有汽车制造、建筑、运动器材、器械和首饰品也是使用钛的行业。

 

  2002年以来钛的一些新兴市场,如汽车和石油、天然气都表现出温和增长的迹象。就长期来看,汽车业将是钛应用的一个更有保证的竞争领域。钛也正被用于滨海石油和天然气开发应用中。高端消费晶,如高尔夫球杆和网球拍都已是一个成熟的环节。钛的另一热点是在生物医学部门,医药市场需求不像其它市场呈现出大起大落的周期性,由于社会老龄化问题,医药市场每年正以5%—7%的速度增长,钛在医药市场中具有广阔的应用发展前景。这些新兴市场的钛消费量在2001年为6000吨,2006年增加到10000吨。2007年,国际市场对钛合金产品的需求继续大幅增长,航空领域将成为未来几年国际市场的主要应用领域.航空航天、“两碱一盐”、石化、电力、海洋石油、舰船以及体育休闲等钛产品主要应用市场将继续保持旺盛需求,同时计算机等新的钛需求增长点也在不断涌现,并呈上升趋势。据日本先进材料公司预测,到2010年,世界钛加工材市场将扩大到120000吨,海绵钛的需求将达到150000—160000吨。

 

  结束语

 

  钛工业目前最关心的问题有两点:一是如何开发钛的新应用领域。二是如何采用先进加ZT艺来降低钛材生产成本。这也是最为关键的问题。目前许多钛专家正致力于此项研究。如用冷炉床一次熔炼方法(电子束或等离子)生产矩形板坯,再直接轧制成扁平材的工艺技术就是目前低成本钛材生产技术的发展趋势。又如,生产汽车钛阀门用的近净成形、粉末冶金方法及制取海绵钛的电解法也是考虑降低成本的方法。可以相信随着钛研究的不断深入,钛的应用领域将更加扩展,并将获得更大的社会效益和经济效益。


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