鈦合金是以鈦為基礎,加入其他元素的合金。鈦合金具有密度低、比強度高、耐腐蝕性好、工藝性能好等特點,是航空航天工程的理想結構材料。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性,相繼對其進行研究開發,并得到了實際應用。
鈦合金的發展歷史
①第一個實用的鈦合金是1954年美國研制成功的Ti-6Al-4V合金,由于它的耐熱性、強度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好,而成為鈦合金工業中的王牌合金,該合金使用量已占全部鈦合金的75%～85%。其他許多鈦合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。
②20世紀50～60年代,主要是發展航空發動機用的高溫鈦合金和機體用的結構鈦合金,70年代開發出一批耐蝕鈦合金,80年代以來,耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發展。耐熱鈦合金的使用溫度已從50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。A2(Ti3Al)和r(TiAl)基合金的出現,使鈦在發動機的使用部位正由發動機的冷端(風扇和壓氣機)向發動機的熱端(渦輪)方向推進。結構鈦合金向高強、高塑、高強高韌、高模量和高損傷容限方向發展。
③另外,20世紀70年代以來,還出現了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形狀記憶合金,并在工程上獲得日益廣泛的應用。
世界上已研制出的鈦合金有數百種,最著名的合金有20～30種,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。[1,2]
鈦合金的腐蝕形式[3]
眾所周知,鈦具有耐腐蝕的特性,但在實際生產環境中,鈦合金會發生不同種類的腐蝕,我們一起來看看無堅不摧的鈦合金最“怕”什么:
1、縫隙腐蝕
在金屬構件縫隙或者缺陷處,由于電解質的滯流構成電化學電池[i]而引起局部腐蝕現象,在中性和酸性溶液中,鈦合金縫隙處發生接觸腐蝕概率遠大于堿性溶液,接觸腐蝕并不發生在整個縫隙面,而是最終導致局部穿孔破壞。
2、點蝕現象
在大多數鹽溶液中,鈦沒有點蝕現象。它主要發生在非水溶液和沸騰的高濃度氯化物溶液中。溶液中的鹵素離子腐蝕鈦表面上的鈍化膜[ii]并擴散到鈦中以引起點蝕。點蝕孔徑小于其深度,一些有機介質也在鹵素溶液中與鈦合金點蝕。鈦合金在鹵素溶液中的點腐蝕通常發生在高濃度高溫環境中。此外,硫化物和氯化物中的點腐蝕需要特定的條件是有限的。
3、氫脆
氫脆,又稱氫致開裂或氫損傷,是鈦合金早期損傷和失效的原因之一。鈦及其合金表面的鈍化膜具有很高的強度。氫脆敏感性隨強度的增加而增加,因此鈍化膜的氫脆敏感性很高。
4、接觸腐蝕
鈦表面的鈍化氧化膜促進鈦電位移向正電位,提高了鈦材耐酸性和水介質的腐蝕。由于鈦合金表面較高的電位,勢必造成與其接觸的其他金屬形成電化學回路而造成接觸腐蝕。
鈦合金易在下面兩類介質中發生接觸腐蝕:第一類是自來水、鹽溶液、海水、大氣、HNO3、醋酸等,該溶液Cd、Zn、Al 的穩定電極電位比Ti 更負,陽極腐蝕的速率激增6～60倍;第二類是H2SO4、HCl 等,鈦在這些溶液中,可能處于鈍化態[iii],也可能處于活化態[iv],實際接觸腐蝕過程中常見的為第一類溶液腐蝕。通常采用陽極化處理[v]在基體表面形成改性層,阻礙接觸腐蝕。
鈦及鈦合金主要限制是在高溫與其它材料的化學反應性差。此性質迫使鈦合金與一般傳統的精煉、熔融和鑄造技術不同,甚至經常造成模具的損壞,使得鈦合金的價格變得十分昂貴。因此剛開始大多用在飛機結構、航空器,以及石油和化學工業等高科技工業領域。不過由于太空科技的發達、人民生活質量的提升,所以鈦合金也漸漸地用來制成民生用品,造福人民的生活。
參考文獻:
[1]2014年鈦合金應用存在幾大問題 .產業洞察研究[引用日期2014-05-25]
[2]寧聰琴,周玉.鈦合金的發展及研究現狀[J].材料科學與工藝,2002,10(1):100-106
[3]鈦合金常見的腐蝕形式,CBC金屬網 ,材料 開 發 與 應 用 2013 年 6 月 1545 ( 2013 ) 03004405
注釋:
i 電化學是研究兩類導體形成的帶電界面現象及其上所發生的變化的科學。電和化學反應相互作用可通過電池來完成,也可利用高壓靜電放電來實現。
ii 鈍化定義為在氧化條件下通過強陽極極化使得金屬材料表面形成一層非常薄的保護層達到了阻礙腐蝕的一種狀態,這就是鈍化。金屬表面的薄膜就是鈍化膜。
iii 金屬在酸性溶液中的陽極鈍化,是由于外加電流使金屬由活化態進入鈍化態。但是在腐蝕過程中,人們十分重視在沒有任何外加極化的情況下,金屬表面上產生的自鈍化現象及其發生條件。這種鈍化是由于腐蝕介質中氧化劑(去極化劑)的還原引起的,稱為金屬的自鈍化。
iv 極不穩定的,它向反應物和產物轉化的概率相等;絕對的不可逆反應中,在過渡態這一時刻,所有的碰撞分子都會轉化為產物。
v 陽極化處理,是一種金屬表面處理工藝。是指金屬材料在電解質溶液中,通過外施陽極電流使其表面形成氧化膜的一種材料保護技術,又稱表面陽極氧化。
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