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  2. 鈦合金和耐熱鋼最新研究動向
    2017-04-12 09:46:33 作者:本網整理 來源:冶金信息網 分享至:

    titanium

     

        鈦合金


       
    (1)概要


        按用途,鈦合金分為耐熱合金、高強合金、鈦-鉬與鈦-鈀合金等耐蝕合金、低溫合金及鈦-鐵貯氫材料與鈦-鎳記憶合金等特殊功能合金。


        1)比強度高


        鈦合金密度約4.5g/cm3,僅為鋼的60%,純鈦的強度接近于普通鋼的強度,鈦合金的比強度(強度/密度)遠大于其他金屬材料。飛機發動機構件、骨架、緊固件及起落架等使用的鈦合金可在450℃~500℃的溫度下長期工作,150℃~500℃范圍仍有很高的熱比強度。


        2)抗蝕性好


        鈦合金在潮濕的大氣和海水介質中工作,其抗蝕性遠優于不銹鋼。對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強。對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優良的抗腐蝕能力。但鈦對還原性氧及鉻鹽介質的抗蝕性差。


        3)低溫性能好


        鈦合金在低溫和超低溫下,仍能保持其力學性能。低溫性能好,間隙元素極低的鈦合金,如TA7,在-253℃下還能保持一定的塑性


        4)化學活性大


        鈦與大氣中的O、N、H、CO、CO2、NH3和水蒸汽會產生強烈化學反應。含碳量大于0.2%時,會在鈦合金中形成硬質TiC;溫度較高時,與N作用也會形成TiN硬質表層;在600℃以上時,鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層;增加H含量會形成脆化層,產生0.1mm~0.15mm深度硬脆表層,硬化程度20%~30%。鈦的化學親和性大,易與摩擦表面產生粘附現象。


        5)導熱系數小、彈性模量小


        鈦的導熱系數15.24W/(m*K),約為鎳的1/4,鐵的1/5及鋁的1/14。各種鈦合金的導熱系數比鈦的導熱系數低50%。鈦合金彈性模量約為鋼的1/2,故其剛性差、易變形,不宜制作細長桿和薄壁件,切削時加工表面的回彈量大,約為不銹鋼的2~3倍,導致刀具后刀面劇烈摩擦、粘附及粘結磨損。


        鈦合金是一種新型結構材料,具有密度小,比強度和比斷裂韌性高,疲勞強度和抗裂紋擴展能力好,低溫韌性好,抗蝕性強的綜合性能。鈦合金主要用于制作飛機發動機的壓氣機部件,火箭、導彈和高速飛機結構件,電解工業電極、發電站冷凝器、石油精煉和海水淡化加熱器及環境污染控制裝置,貯氫材料和形狀記憶合金等。


        與鋼鐵材料相比,Ti合金比強度(強度/密度)高。因此,其在航空器材、生物醫學材料方面的適用范圍不斷擴大。在此介紹新近開發的Ti合金。


      
      (2)DAT54耐熱Ti合金


        DAT54(Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-2.8Mo-0.7Nb-0.06C)是目前高溫特性最好的耐熱Ti合金,用于600℃高溫環境飛機發動機圓盤或汽車電機閥等。


        飛機發動機圓盤周邊需經高頻熱處理,外部為高抗蠕變強度的針狀組織,內部為高抗疲勞強度的等軸組織,為確保飛機圓盤發動機高性能,進行了實用化開發。章動圓盤接觸面積比活塞式發動機小,扭矩曲線更加平坦,在360°旋轉軸上能提供270°壓縮。雙圓盤系統發動機與8缸活塞發動機功率相當。


        (3)生物體材料Ti合金


        鑒于Ti合金具備生物體優異適應性,所以被廣泛用作生物材料。主要生物體材料有Ti-6Al-4VELI和用鈮取代對生物體細胞有毒性的釩的Ti-6Al-7Nb。近年,在采用添加生物體優異適用性的元素基礎上,積極開發近似骨骼組織低彈性率的TNTZ(Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr),并作適用性研究。TNTZ作為生物體材料確保更高的適用性,但因加入高熔點的鉭與鈮元素,在熔解制造過程中容易出現偏析,為抑制形成偏析,尚需再度熔解。


        (4)Ti合金VLTi


        Ti-6Al-4V比強度高、耐蝕性好,所以在飛機、汽車部件、高爾夫帽體育領域廣泛采用Ti合金。鑒于Ti-6Al-4V中含有4%稀有元素釩,日本大同特殊鋼公司為更好穩定價格,用Fe置換V,開發出VLTi(Ti-6Al-Fe)合金。VLTi在確保強度的同時,具有比重低的特性。為提高設計自由度,希望采用低比重、高強度優質材料,VLTi是符合該期望值的合金,制成各種高爾夫帽。此外,VLTi作為Ti-6Al-4V的替代材料,用于汽車連桿或吸氣閥等部件。


        (5)TiAl合金


        TiAl為金屬間化合物,由于金屬間化合物晶體中金屬鍵與共價鍵共存,同時兼有金屬韌性和陶瓷高溫性能。與Fe基與Ni基耐熱材料相比,TiAl合金具有重量輕,高溫比強度高的優點,由此開發具備工業制造、抗高溫氧化性的DAT-TA1(Ti-33.5Al-1.0Nb-0.5Cr-0.5Si)TiAl合金,適用于汽車渦輪。


        TiAl化合物具有耐高溫、抗氧化和密度低等特性,且其彈性模量、抗蠕變性能均優于鈦合金。TiAl合金密度還不及鎳基高溫合金1/2,而性能與鎳基高溫合金相當,具有廣泛使用前景。


        耐熱鋼、耐熱合金


       
    (1)概要


        氣候異常及由此損害健康的問題,致使在全球范圍內推出削減CO2及其廢棄物的環境規則。為此,針對汽車、飛機內燃機、發電設施及廢棄物處理設施,開展了提高能源轉換利用率,靈活應用新能源,蓬勃展開燃燒形態控制等技術的開發。耐熱鋼及其高溫合金便是其開發的新功能材料。本文就耐熱鋼及高溫合金的最新研究動向進行綜合論述。


       
    (2)汽車用耐熱材料


        發動機閥在汽缸內承受燃燒的高溫氣體,需要耐熱鋼或超高溫合金。汽油發動機的吸氣閥廣泛采用SUH3和SUH11馬氏體系耐熱鋼,而排氣閥采用以SUH35為代表的奧氏體系耐熱鋼或高強度、超高溫Ni基合金。由于使用超級合金,軸徑較細,達到高溫時,相對較輕、且可避免表面凸緣硬化,但材料成本過高。因此,開發出比JIS標準中NCF751(70Ni)更低Ni含量的NCF3015(Fe-32Ni-16Cr-2.7Ti-1.1Al-0.8Nb),并達到實用化。同時,還開發出可冷鍛成型的NCF2415C(Fe-24Ni-15Cr-2.2Ti-1.5Al-0.5Nb)閥用鋼,其在兩輪車排氣閥上實用化。近來,由于燃料費用提高,迫切需要通過高溫化的燃燒,提高發動機旋轉區的理論空燃比,為此以NCF440(70Ni)為基礎,開發出汽車發動機用低Ni化NCF5015(Fe-50Ni-15Cr-1Mo-1.5W-2.4Ti-1.4Al-1.3Nb)鋼。


        利用廢氣帶動渦輪旋轉驅動壓縮機,渦輪增壓器可將更多壓縮空氣送到汽缸內,即使排氣量相同的發動機能輸出更高的功率。為降低CO2排放量,需減少排放廢氣的發動機尺寸,并增強渦輪增壓器的適用性。以往,渦輪采用非耐熱性材料,因此,與理論空燃比相比,需要更多地霧化燃料,而且排氣溫度低,導致大幅增加渦輪燃費。最近,開發出的高耐熱性材料使得渦輪可實現理論空燃比燃燒,從而降低了燃費。


        渦輪高速旋轉,引發離心力的作用,這就要求極好的高溫蠕變強度與耐氧化性。以往采用Ni基Incone1713C鑄造合金或價格相對低廉GMR235精密鑄造件。鑒于高溫所需,部分開始采用Mar-M2(47Ni-0.15C-8Cr-10Co-10W-0.7Mo-5.5Al-1Ti-1.5Hf-0.015B)高強、超耐熱合金。


        氣缸蓋及渦輪增壓等部件高溫法蘭結合面的密封,采用金屬密封墊圈。這種密封墊圈在400℃以上高溫環境使用,需要長時間高溫下密封性能不惡化,這就要求采用高硬度、抗高溫軟化性的優異材料。DSN9高N元素不銹鋼,經冷加工與時效處理后得到高硬度,在600℃高溫下,400h,其耐熱性、回彈能力與硬度幾乎不變。由此可知,DSN9鋼帶可制成高溫用金屬密封墊圈加以使用。


      
      (3)發電用耐熱材料


        為提高發電效率,采用24MPa蒸汽、566℃臨界點以上的超高臨界蒸汽壓力(USC)蒸汽發電。目前,600℃級煤炭火力發電設備已達到實用化。為繼續提高發電效率,最近在日本、歐美旨在積極推行700℃以上蒸汽溫度,更高效煤炭火力發電設備項目計劃,而著手開發相應的高溫材料。渦輪葉片、套管螺栓用鐵素體系耐熱鋼在700℃以上的蠕變強度低,達不到容許值,因此須使用Ni基超級高溫合金。鑒于奧氏體系耐熱鋼熱膨脹系數比鐵素體系大,在很大程度上受到設計制約。為此,開發了LTES700(Ni-12Cr-18Mo-0.9Al-1.1Ti)高溫高強度、低熱膨脹系數的Ni基超高溫合金,制成螺栓在現場實機環境進行評估。另外,考慮到葉輪大型化,開發出TES700R(Ni-12Cr-6Mo-7W-1.6Al-0.7Ti)改良型超級高溫合金,制成圓盤進行性能評估。


       
    (4)飛機用材料


        渦輪風扇發動機既能提高渦輪前溫度,又不增加排氣速度,同時提高噴氣發動機的熱效率和推進效率。渦輪風扇發動機在渦輪噴氣發動機的基礎上增加了多級渦輪,并經由這些渦輪帶動一排或幾排風扇,風扇后面的氣流分成兩部分,一部分進入內涵道壓氣機,另一部分則未經燃燒,直接排到外涵道空氣中。由于渦輪風扇發動機部分燃氣能量用于帶動前端風扇,因此降低了排氣速度,提高了推進效率;為提高熱效率,可提高渦輪前溫度,之后可通過調整渦輪結構參數和增大風扇直徑,使更多燃氣能量經風扇傳遞到外涵道,毋須增加排氣速度。對于渦輪風扇發動機來講,熱效率與推進效率并不相矛盾,只要結構和材料允許,提高渦輪前溫度十分有利。根據結構參數,航空用渦輪風扇發動機分為兩類,即不加力式渦輪風扇發動機用于高亞音速運輸機,加力式渦輪風扇發動機用于殲擊機。


        (5)廢棄物處理用材料


        垃圾焚化爐等廢棄物處理設施,高溫處理廢棄物時,產生腐蝕性極強的氣體及焚化為低熔點腐蝕灰分。垃圾焚化爐金屬材料需要采用高耐蝕SUS310或NCF625不銹鋼或Ni基合金。


        為有效利用垃圾能源,作為抑制二惡英等有害物質垃圾處理設備的氣化焚化爐近來受到人們關注。當熔融溫度超過1000℃,即使采用MO-RE2超級高溫耐熱鑄鋼,其強度與耐蝕性仍顯不足,尚需尋求性能更優異的高耐蝕高強度合金。為此,開發出極端嚴峻環境下使用的Ni基TN105(Ni-0.3C-27Cr-10W-2Al-2Si)鑄造合金,其可在氣化熔融爐高溫氣體加熱器管材中使用。

     

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    責任編輯:劉洋


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