浅析钛与钛合金的应用与发展

        近年来,很多军迷正在从简单的“兵器对对碰”装备比拼,逐步走向动力体系、气动设计、电子体制等诸多装备要素的探讨,或者深入到材料、工艺、生产装备等基础研究的专业领域。这是好事,也是兵器迷行文的目的。军坛也似乎正在逐步从新闻表面的喧嚣,更多的扩展到专业底层——那些因枯燥、苦涩、沉重、默不作声而被忽视了很久的东西,那些骨灰级军迷和深切的爱国者需要学习和培养的东西。

  第一篇对的性质和钛材的生产做了介绍。
  钛虽然有很多优良的性质,但是,事物总是两面的——兵器迷经常“但是”后面做文章——纯钛也有很多弱点:
  首先,钛在高温时的化学活性比较高。钛本身耐热,在500℃以下相对稳定。不过,在大气中,钛250℃开始吸收氢,400℃开始吸收氧,600℃开始吸收氮,甚至,在钛在500-600℃的纯氧中可以自行燃烧。杂质的增加,会破坏钛的强度和塑性。这给钛的使用与热加工带来了很大的麻烦。第三篇谈时,我们会再涉及这个话题。
  再有,钛的导热性差,只有铁的1/3,铝的1/5,摩擦系数大(0.42),抗磨性也不高。因此容易使刀具和工件的温度急剧升高,造成粘刀,降低刀具寿命,切削加工性差。
  最后,钛的弹性模量低,抗变形能力差,只有铁的55%,影响制件的刚度,这也是为什么,我们在现实中看到很难看到细长的钛合金承力构件的原因。
  为了在应用钛的时候扬长避短,人们采用了合金的方式。即将钛与其他金属,或类金属元素固溶在一起,大幅度改善钛材性能的短板,以便更好的发挥钛的长处,这就是本篇的重点——钛合金。
  这一篇的特点,是专业术语较多。我们尽量绕开简要介绍一下,但无法完全避开。感兴趣的朋友可以找专业论著研读,一起交流(兵器迷啃这些东西头大啊)。不感兴趣的朋友,就当看个热闹罢了。
  钛有两种同素异晶体,即α密集六方晶系,和β体心立方晶系。根据温度不同,钛组织共析分解发生变化,这两种晶系结构就会相互转换。简单的说,α钛和β钛在钛组织中所占的比例,会随着温度发生变化。一般来说,温度越高,钛组织中的β相越多,反之,温度越低,钛组织中的α相越多。根据钛的α和β二元系相图,纯钛在882.5度时,钛的α相将向β相转换(见下图)。如果温度更高,达到1000-1600度,钛组织将逐渐液化。
  钛合金按照合金退火组织中,钛的α和β这两种主要晶型结构的占比,可以分成以下三类:
  一、α合金:这种钛合金中的钛以α相为主,高温性能好,抗腐蚀,组织稳定性好,焊接性好,工业纯钛也属于这一种。
  缺点是常温强度低,塑性变形能力低,强度不高,热加工性差。
  如果一种元素有助于扩大和稳定钛合金的α相区,提高α到β相区的转换温度,则这种元素就是α稳定元素。一般的,耐热钛合金以加入α稳定元素为主。
  α稳定元素中比较典型的是铝。铝(Al)具有显著的固溶强化作用,在室温和高温都能强化合金的强度,改善钛合金的热稳定性和焊接性能。Al对钛合金的多重属性的改善,类似于碳在钢中的作用,因此在几乎所有的结构钛合金中,都能看到Al的影子。
  此外,镓、锗、氧、氮、碳等也是α稳定元素。
  二、β合金:这种钛合金中的钛,以β相为主。
  属于高温稳定态,合金强度高,塑性加工性能好。缺点是合金组织性能不稳定,冶炼复杂。
  如果一种元素有助于扩大和稳定钛合金的β相区,降低α到β相区的温度,则这种元素就是β稳定元素,。一般的,高强度合金以加入β稳定元素为主。
  β稳定元素中比较典型的是(V)。钒有显著的强化固溶作用,在β钛中可以无限固溶,并在提高合金强度的同时,有效提合金的高热稳定性,维持良好的塑性。
  此外,、锰、铁、、硅、铜、钴等也是β稳定元素。
  三、α+β合金:这种钛合金中α和β相的钛都不少。
  α+β两相钛合金往往兼具α钛合金和β钛合金的特点,常温强度高,中等温度的耐热性也不错,热处理强化性能和焊接性能良好。
  大家可能猜到了,这个结果的形成,是由于人们在钛合金中同时固溶了α和β两种稳定元素。
  事实上,仅仅靠一种或一类元素,对钛合金的性能改善是有很大局限的。因此,人们往往将不同种类的α稳定元素和β稳定元素,或者再加上介于二者之间的中性元素(如、锡、铈、镧、镁),精心调配其中的比例和固溶工艺,加入钛合金配方中,形成具有综合优化性能的α+β合金,兼顾钛合金的各种性能要求。
  比如:某钛合金TiAl24Nb13Mo1.5Si0.5,用到了α稳定元素铝Al, 也用到了β稳定元素铌Nb、钼Mo和硅Si
  有朋友问了,既然如此,是不是应该重点开发α+β合金呢?
  完全正确。目前,α+β合金的应用范围确实是最广的,α耐热合金其次,β强度合金的应用最少。因为虽然钛可以通过强化达到1000-1200MPa的抗拉强度,部分型号甚至可以达到1800 -2000 MPa, 但仅仅从强度水平看,钛合金的优势并不比最高2400MPa的马氏体时效合金钢明显,价格还贵得多。因此,钛合金目前的主要应用场景是耐热、耐腐蚀和结构减重,并保持强度和塑性,而不是单纯的追求常温下的高强度。
  那么,中国能够制造什么样的钛合金,特别是,能够制造α+β合金吗?
  让我们欣慰的是,这三类合金,中国都有系列化的产品了。
  四、中国国标钛合金
  在2007年11月颁布施行的国家标准:GBT3620.1中,中国公布了钛及钛合金的牌号和化学成分,包括76种钛合金
  这里需要说明几点:
  1 中国的钛合金品牌中,既包括添加了稳定元素的钛合金产品,也包括了没有添加合金元素的工业纯钛产品。即:在TA合金中,包括了9种工业纯钛TA1-TA4。这与目前钛工业大国的做法是类似的,他们是:
  美国的ASTM标准:Ti35,Ti50,Ti65工业纯钛钛合金
  德国的BWB标准:LW3.7024,LW.3.7034工业纯钛钛合金
  法国的NF标准:T35,T40工业纯钛钛合金
  日本的JIS标准:KS50,KS60,KS85工业纯钛钛合金
  在这些国家的钛合金标准中,纯钛也算钛合金。因此在很多新闻报道中,你看到纯钛也被称作钛合金,或者倒过来明明是钛合金,却被称为钛,其中有一些就是这个道理。
  2 我们同样可以在很多报道中,看到国标之外的合金描述方式,有些是2007年后尚未收录国标的新品种,只有代号(如:Ti679),高温钛合金的代号往往与温度相关(如Ti55标识550度的钛合金使用温度)。有些是在名称中加入了加工工艺缩写(如:铸造钛合金ZTi3)。有些干脆用合金成分来表示(如:TiAl24Nb15Mo1.5)。大家见多了,自然见怪不怪。
  说到这里,三大类钛合金介绍完了。
  可是等等,没完呢,还有第四种。
  那位鼻子气歪了,兵器迷出尔反尔,名副其实的“说三”却“道四”,这不是自己打自己嘴巴吗?
  您稍安勿躁,待俺细细讲来。
  五、金属间化物钛合金
  金属间化物——没办法,专业词汇太多。可为了把故事讲下去,该拽还得拽啊。
  上述三大类钛合金,尤其是TC类合金,大体保障了钛合金在600℃以下环境中的使用。但温度再高,就会出现材料的蠕变抗力下降和强度下降的情况。(所谓蠕变,就是合金在高温环境下时受到小于工作正常标准的应力,出现持续缓慢形变的情况。)而现代航空工业,特别是发动机行业,对钛合金提出了更高的耐温要求,α+β钛合金因此面临着严峻的考验。
  经过人们的深入研究,发现上述单纯采用固溶强化的三类钛合金,其钛原子与稳定元素的原子之间,是相对无序的混杂排列,是物理溶解关系。而如果能够让他们的原子间的排列,遵循某种高度有序化的规律,甚至达到二者之间以共价键的化学关系,形式化合物——这就是金属间化物——将会使金属合金的整体强度得到提高。特别是在一定温度范围内,合金的强度反而随温度升高而增强!
  为此,西方发达国家的冶金学家经过长期的努力,终于研究出有序强化的钛-铝系金属间化合物。它具有高比强度、比刚度、高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能,Ti3Al基合金长期工作温度在650℃左右,而TiAl基合金工作温度可达760℃~800℃,从而突破了长期困扰钛合金发展的600℃瓶颈。
  兵器迷之所以刚才没有提到这类合金,有两个原因。一是金属间化物钛合金目前只是开了个头,并非钛合金的主流应用。二是2007版国标中,只有α,β,和α+β三大类,未见收录此类间化物合金(也许尚未有国产化的产品通过国家的正式评审检验)。在此补充说明一下,是为了介绍钛合金的最新发展趋势,并希望引起大家的后续关注。
  有些失望?呵呵。
  其实,中国科学家也在金属间化物钛合金领域坚持不懈的做着艰苦努力。近年来,已经在公开报道中隐约看到了一束希望的曙光。能够观察和推测到的是,中国科技工作者,似乎已经把他们研究的某种金属间化物钛合金,自行取了名字——排在TA,TB和TC合金之后,就叫TD合金。
  第四篇还有TD和其他国产钛合金在航空航天领域应用的相关介绍,您接着瞧。
  钛合金作为金属世界的奇葩,其发展和进步都带有一丝神秘的色彩。这种神秘在一定程度上,来自于它的复杂。而这种复杂,更多的体现在钛合金元素的配方和固熔工艺上。为了达到一种理想的合金性能,需要不知多少次试制、试验和分析比对,才能真正了解这样的复杂性。
  比如前述国标中的TC合金(也就是α+β合金)中的TC21,其化学成分是Ti-6Al-2Mo-1.5Cr-2Zr-2Sn-2Nb。也就是说,除了α+β相的钛基以外,还要添加铝、钼、铬、锆、锡、铌六种稳定元素——好比中药中的君臣佐使,各味药材共同作用,才能提供最佳的药效和最小的副作用。
  兵器迷把钛合金配方比作中药,是有道理的。大家知道,中药的配方是十分精道的,其中每一位药的大致功效也是清楚的。但是多位药配合起来的药方,其药理就并不十分精确。这种了解功效甚于了解药理的情况,在钛合金行业是很常见的。
  比如:在钛铝合金Ti-Al中,人们在实践中发现,当Al的质量在钛合金中占7%以下时,Al越多,合金的强度越高,而密度越低。当然,这还需要铝和其他合金元素如何达到最佳配合。为此,冶金学家卢森伯格(Rosenberg)提出了一个著名的钛合金成分铝当量经验公式:
  Al*=Al%+1/3Sn%+1/6Zr%+1/2Ga%+10[()]%<8%-9%
  即铝当量的低于8-9%,就不会出现不利的钛α2相析出。这一公式对用途最为广泛的钛合金,即Ti-Al合金的生产具有决定性的指导意义。但这却是建立在经验基础之上的,其物理意义至今不明。
  所以,老牌工业国家如英美德日,为什么功力深厚,原因是很多的。理论扎实是一方面,经验积累又是一方面。就后者来说,很多东西,甚至不是诺贝尔奖、专利、著作这类明面上的东西能完全说得清、道的明的。书上那些东西,你能追,至少知道差在哪儿差多少。可是操作经验、技术诀窍,管理细节,是不知道的差距,因此很难快速和普遍掌握。别说钛合金了,就说低端产业:国内有个缝纫机厂家,资金雄厚,收购了德国一家缝纫机厂,工艺专利技术图纸都买了。再做,做到人家质量的90%左右,就再也上不去了,再上成本就爆了。甚至就是成本爆了也做不上去,而且,还不知道为什么。
  和中国改革一样,容易得的红利都得了。下面的事情,没有教科书了。
  咋办?
  砸钱是一回事。也许中国人不差钱了。好吧,这个可以有。
  砸心思是另一回事。日本人看了中国的象牙微雕说,我们做螺丝的心思就像你们做牙雕一样。所以你们中国人牙雕做的好,我们日本人螺丝做得好——这不是在夸中国人。真心的,不是。
  砸时间又是一回事。什么是积累,什么是耐得住寂寞,什么是失败是成功之母。十年、二十年失败,把能失败的都失败了,也就该成功了。所以才说,那些失败,是成功的种子。
  砸钱、砸心思,砸时间,甚至要一代一代砸下去。
  过去的,一定会过去——象贸易违法了,估计牙雕的手艺,慢慢的,就失传了。
  可是,只要中国人把做牙雕的精神,一代一代传承下来,去做螺丝,去做钛合金,去做单晶合金、去做发动机,去扎扎实实做好每一件事,中国人就一定能追上、甚至超过我们的对手
  如此,过去的依然会过去,但中国人的手艺,就永远,也不会失传了。

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