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                          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)大多低于1%。傳統鈦合金的強度根據合金牌號不同在400~1500 MPa 范圍內,彈性模量介于 50~120 GPa之間,遠低于鋼(約 210 GPa),彈性變形能力約為鋼的 2 倍。鈦合金的高強度和低彈性模量賦予其優異的彈性變形能力,作為結構功能一體化材料在航空航天領域得到廣泛應用。

                          20世紀50年代,美國首次在 B-52 轟炸機上使用 Ti-6Al-4V 制造的鈦合金螺栓,由此開啟了鈦合金緊固件在航空航天領域的應用。隨著航空航天和武器裝備的不斷輕量化要求,輕質高強度高彈性鈦合金逐漸部分取代了傳統 30CrMoSiA 鋼在緊固件中的應用,提高了裝備使用安全性與可靠性。目前常用的 α+β 和 β 型鈦合金的抗拉強度基本為 1000 MPa 級,如 Ti-6Al-4V、Ti-3Al-5Mo-4.5V、Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al 和 Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.3Si(β 21S)等。

                          自20世紀70年代起,麥道公司開始使用 Ti-13V-11Cr-3Al 制造民用飛機用彈簧,替代彈簧鋼實現減重 70%。隨后,洛克希德、波音和空客等開始使用 β 鈦合金材料制造起落架上下鎖、液壓回程和飛機控制等彈簧部件,代表性合金有 Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn 和 Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(β-C),其彈性模量約為104 GPa,抗拉強度為 1300~1450 MPa。

                          國內應用的典型牌號有 TB2、TB3 和 TB5 等。目前彈簧和緊固件使用的 α+β 和 β 型鈦合金一般采用 α+β 兩相態組織以獲得高強度,同時彈性模量(90~120 GPa)也較高,導致彈性性能較低,難以滿足先進飛行器對于高強度高彈性材料的使用需求。β 型 Ti-45Nb 合金作為鉚釘專用材料,在國內外航空航天產品中獲得了應用。該合金具有低彈性模量,塑性和冷加工成型性好等優點,但強度特別是屈服強度低,強度與彈性性能的匹配較差。

                          從20世紀90年代開始,為了降低醫用鈦合金的彈性模量,人們開發了一系列低彈性模量亞穩 β 型鈦合金,如 Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr 和 Ti-35Nb-5Ta-7Zr 等,獲得了更佳的彈性性能,但此類鈦合金為醫療領域開發,強度低,難以滿足航空緊固件和彈簧用鈦合金對高強度和高彈性的使用需求。2003 年,日本豐田中央研究院開發了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 %),該合金經 90% 冷軋變形后強度可達 1200 MPa,彈性模量為 55 GPa,彈性極限高達約 2.5%,顯示出優異的高強度和高彈性匹配,并且該合金在較寬的溫度范圍內具有恒彈性。

                          中國科學院金屬材料研究所開發的亞穩 β 型合金 Ti-24Nb-4Zr-8Sn(Ti-2448)同樣顯示出優異的彈性性能,具有低至 42 GPa 的彈性模量和高達 3.3% 的彈性應變,經固溶時效處理后亦具有優異的高強度和高彈性匹配。橡膠金屬和 Ti-2448 是先進高強度高彈性鈦合金的典型代表,預示著鈦合金能實現高強度和高彈性匹配,其優異的性能依賴于巧妙的成分設計及合適的制備工藝。

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