鈦合金是以鈦為基礎(chǔ),加入其他元素的合金。鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、工藝性能好等特點(diǎn),是航空航天工程的理想結(jié)構(gòu)材料。世界上許多國(guó)家都認(rèn)識(shí)到鈦合金材料的重要性,相繼對(duì)其進(jìn)行研究開(kāi)發(fā),并得到了實(shí)際應(yīng)用。
鈦合金的發(fā)展歷史
①第一個(gè)實(shí)用的鈦合金是1954年美國(guó)研制成功的Ti-6Al-4V合金,由于它的耐熱性、強(qiáng)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(yè)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(jì)50～60年代,主要是發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的高溫鈦合金和機(jī)體用的結(jié)構(gòu)鈦合金,70年代開(kāi)發(fā)出一批耐蝕鈦合金,80年代以來(lái),耐蝕鈦合金和高強(qiáng)鈦合金得到進(jìn)一步發(fā)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(xiàn),使鈦在發(fā)動(dòng)機(jī)的使用部位正由發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端(風(fēng)扇和壓氣機(jī))向發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端(渦輪)方向推進(jìn)。結(jié)構(gòu)鈦合金向高強(qiáng)、高塑、高強(qiáng)高韌、高模量和高損傷容限方向發(fā)展。
③另外,20世紀(jì)70年代以來(lái),還出現(xiàn)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(yīng)用。
世界上已研制出的鈦合金有數(shù)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(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中,鈦合金會(huì)發(fā)生不同種類的腐蝕,我們一起來(lái)看看無(wú)堅(jiān)不摧的鈦合金最“怕”什么:
1、縫隙腐蝕
在金屬構(gòu)件縫隙或者缺陷處,由于電解質(zhì)的滯流構(gòu)成電化學(xué)電池[i]而引起局部腐蝕現(xiàn)象,在中性和酸性溶液中,鈦合金縫隙處發(fā)生接觸腐蝕概率遠(yuǎn)大于堿性溶液,接觸腐蝕并不發(fā)生在整個(gè)縫隙面,而是最終導(dǎo)致局部穿孔破壞。
2、點(diǎn)蝕現(xiàn)象
在大多數(shù)鹽溶液中,鈦沒(méi)有點(diǎn)蝕現(xiàn)象。它主要發(fā)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(kuò)散到鈦中以引起點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕孔徑小于其深度,一些有機(jī)介質(zhì)也在鹵素溶液中與鈦合金點(diǎn)蝕。鈦合金在鹵素溶液中的點(diǎn)腐蝕通常發(fā)生在高濃度高溫環(huán)境中。此外,硫化物和氯化物中的點(diǎn)腐蝕需要特定的條件是有限的。
3、氫脆
氫脆,又稱氫致開(kāi)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(qiáng)度。氫脆敏感性隨強(qiáng)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(jìn)鈦電位移向正電位,提高了鈦材耐酸性和水介質(zhì)的腐蝕。由于鈦合金表面較高的電位,勢(shì)必造成與其接觸的其他金屬形成電化學(xué)回路而造成接觸腐蝕。
鈦合金易在下面兩類介質(zhì)中發(fā)生接觸腐蝕:第一類是自來(lái)水、鹽溶液、海水、大氣、HNO3、醋酸等,該溶液Cd、Zn、Al 的穩(wěn)定電極電位比Ti 更負(fù),陽(yáng)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(tài)[iii],也可能處于活化態(tài)[iv],實(shí)際接觸腐蝕過(guò)程中常見(jiàn)的為第一類溶液腐蝕。通常采用陽(yáng)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(xué)反應(yīng)性差。此性質(zhì)迫使鈦合金與一般傳統(tǒng)的精煉、熔融和鑄造技術(shù)不同,甚至經(jīng)常造成模具的損壞,使得鈦合金的價(jià)格變得十分昂貴。因此剛開(kāi)始大多用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)、航空器,以及石油和化學(xué)工業(yè)等高科技工業(yè)領(lǐng)域。不過(guò)由于太空科技的發(fā)達(dá)、人民生活質(zhì)量的提升,所以鈦合金也漸漸地用來(lái)制成民生用品,造福人民的生活。
參考文獻(xiàn):
[1]2014年鈦合金應(yīng)用存在幾大問(wèn)題 .產(chǎn)業(yè)洞察研究[引用日期2014-05-25]
[2]寧聰琴,周玉.鈦合金的發(fā)展及研究現(xiàn)狀[J].材料科學(xué)與工藝,2002,10(1):100-106
[3]鈦合金常見(jiàn)的腐蝕形式,CBC金屬網(wǎng) ,材料 開(kāi) 發(fā) 與 應(yīng) 用 2013 年 6 月 1545 ( 2013 ) 03004405
注釋:
i 電化學(xué)是研究?jī)深悓?dǎo)體形成的帶電界面現(xiàn)象及其上所發(fā)生的變化的科學(xué)。電和化學(xué)反應(yīng)相互作用可通過(guò)電池來(lái)完成,也可利用高壓靜電放電來(lái)實(shí)現(xiàn)。
ii 鈍化定義為在氧化條件下通過(guò)強(qiáng)陽(yáng)極極化使得金屬材料表面形成一層非常薄的保護(hù)層達(dá)到了阻礙腐蝕的一種狀態(tài),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(yáng)極鈍化,是由于外加電流使金屬由活化態(tài)進(jìn)入鈍化態(tài)。但是在腐蝕過(guò)程中,人們十分重視在沒(méi)有任何外加極化的情況下,金屬表面上產(chǎn)生的自鈍化現(xiàn)象及其發(fā)生條件。這種鈍化是由于腐蝕介質(zhì)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(wěn)定的,它向反應(yīng)物和產(chǎn)物轉(zhuǎn)化的概率相等;絕對(duì)的不可逆反應(yīng)中,在過(guò)渡態(tài)這一時(shí)刻,所有的碰撞分子都會(huì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。
v 陽(yáng)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(zhì)溶液中,通過(guò)外施陽(yáng)極電流使其表面形成氧化膜的一種材料保護(hù)技術(shù),又稱表面陽(yáng)極氧化。
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