新钛合金材料的性能分析

新钛合金材料的性能分析

于碧寒

天津津航计算技术研究所 天津 300308

摘要：随着社会科技水平的不断发展进步，钛合金材料被广泛应用于当前社会领域，于科学技术领域中占据重要地位，新型钛合金制备技术的研发，有利于更好的促进我国经济水平的提升。所以这就需要对钛合金材料的制作方法、性质功能等进行研究，以便提升材料的应用范围，更好的为人们现实生活服务。下文将从钛合金材料性能出发，对其制备方法及性能展开论述。

关键词：新钛合金材料；制备；性能

一、钛合金材料的分类

二十世纪中期，钛元素开始被人们作为一种结构金属来研发，它是同素异构体，有着较高的熔点，其熔点为1660±10℃，在环境低于882摄氏度时，钛的晶体结构为密排六方结构，这种状态下将其称为α钛；而在环境高于882摄氏度时，钛的晶体结构为体心立方结构，此时将其称为β钛。根据钛元素的不同温度下不同的结构特征，将其与其他合金元素结合从而得到不同种类的钛合金材料。通常情况下，我们将钛合金材料分为以下三种类型：α合金，β合金和（α+β）合金，它们的材料特性有些许差异，我们国家将这三类钛合金材料用TA、TB、TC加序号进行表示。对于α合金，它是由钛元素与铝元素锡元素结合而成的单相合金，即使在较高的温度下也表现出α相，这使其有稳定的组织结构，其主要优点是有较好的抗氧化性、低温韧性、耐腐蚀性，同时其耐磨性也更为优越。当处于500到600摄氏度的高温环境中时，钛合金材料呈现出优于铝合金的耐热性能，且能够继续保持其优良的机械工作性能，α合金虽表现出抗蠕变性能和轻型耐热性，但它不能进行热处理强化操作，通常适用于制造用于500摄氏度以下的零件。当处于低温环境下时，钛合金材料充分体现出低温韧性，此环境下的材料强度相对于常温环境有了明显增强，即使在-200摄氏度的低温中也能保持这一特性。

对于β钛合金，它是由钛元素和锰、铬、钒等元素互相结合而成的单相合金，即使在较高的温度下也有稳定的组织结构，在未进行热处理时该材料本身具有的强度较高，通过淬火、时效处理后的合金其本身的优良特性得到进一步强化，在室温中的强度也能达到相对较高的水平，这也使其具有较好的可加工性和可塑性，其切削磨削加工性在这三种钛合金类型中最好。该钛合金材料的短板则是不适用于高温环境，没有良好的热稳定性，不适合进行焊接操作，且成本较高。

对于α+β钛合金，它是由钛元素与铝、硒、锰、铬等合金元素构成的双向合金，这种合金有良好的综合性性能特征，通过淬火、时效处理后的合金材料其本身的优良特性得到了进一步强化，例如，其进行热处理后的强度性能可以提高百分之五十以上。该钛合金材料具有稳定的组织结构、较高的韧性和高温变形特性、可塑性强，其强度大约为1.2GPa，比强度值为23至27，数值高于许多常用合金材料。因为该材料在高温下强度高，所以可在400到500摄氏度的温度下进行加工操作，加工性能良好。然而，α+β钛合金的这些特性也使得它的焊接性能较差。

二、钛合金材料的性能

1、物化特性

钛合金材料主要包括板钛矿、锐钛矿和金红石三种，由于板钛矿主要属于正交晶系，而金红石和锐钛矿主要归属于四方晶系，在高温情况下，一旦温度超过650℃，板钛矿就能够转化为锐钛矿，而在915℃的情况下，锐钛矿可以转化为金红石，在钛合金材料遇到的过程中，主要关系到合金材料的大小和所包含的杂质，也关系到新型钛合金材料的制备方式，颗粒越小的合金材料，可以在越低的温度下完成结构改变，所以锐钛型的材料转变为金红石型的钛合金材料所需的温度只要在600℃以下即可，钛合金材料具有一定的生物惰性，稳定性强，不具有毒性，应用安全。

2、光催化性能

锐钛型的钛合金材料禁带宽度为3.2eV，一旦其与光子的波长不足387.5纳米或者与387.5纳米相等的情况下，导带会被价带中所包含的电子激发，以此会形成负电性的e-，其属于高活性的电子，且在吸收光子后，价带上也会产生空穴h+，材料表面上氧会获得电子，在该反应发生的过程中，最终的生成物氢氧自由基和原子氧的化学活性均极长，对有机污染物产生氧化降解作用，而空穴h+直接回对半导体表面中所包含的有机物质的电子产生一定的吸附作用，导致不能对光产生吸收作用的物质被氧化分解。最终生成的氢氧自由基、原子氧及空穴h+均能够与细菌之中的有机物产生作用，直接形成水和二氧化碳，还会生成无机物，有利于对细菌进行消灭，消除异味和油渍。

3、钛合金材料的抗腐蚀性能

钛合金材料的结构与涂层相组织决定了其耐腐蚀性能，使用适用于钛表面制备耐腐蚀涂层的电解液，在接触过程中具有最小的电解腐蚀电流。不同电解液形成的涂层其电解腐蚀电流由小到达的顺序如锐钛矿+金红石、锐钛矿、金红石、金红石（热氧化物），非晶态结构涂层有利于提高合金材料的抗腐蚀性能，因为非静态物质结构上为长程无序、短程有序，内部不存在错位、晶界、孪晶等缺陷，钛合金材料结构与成分均匀，硬度较强且具有一定的耐磨性能。

三、钛合金材料的制备方法

1、气相法

（1）物理气相沉积法。采用高频、等离子体或者高频方式对原材料采用等高温热源加热方式进行加热处理，以便原材料能够汽化，在汽化过程中形成等离子体，进而对其进行骤冷处理，以便等离子体能够形成凝聚的纳米粒子。采用该方式制成的钛合金材料具有极高的纯净度，且颗粒分布均匀，颗粒直径比较小，具有极好的分散性，通过分析材料内部颗粒的大小及分布情况，能够以气体压力改变方式和加温形式进行控制，但是该制备方式需要极高的技术水平，也需要较高的制作成本。

（2）化学气相沉积法。以复合等离子体形式、高频等离子体形式和直流电弧等离子体形式进行等离子气相合成，以此制备钛合金材料。其中高频等离子体形式不会产生电极污染，但是能量的利用率不足，所以具有一定的不稳定性，直流电弧等离子形式能够通过电弧所产生的高温对反应气体进行等离子化，但是由于电极溶化和蒸发影响，会对产品产生污染。而复核等离子形式主要是结合上述两种方式，将其优点融合，以此完成新型钛合金材料的制备。

①气相合成法：以喷雾方式，使其与惰性气体产生激冷，以此形成亚微米级，采用水蒸气反应方式，在低温情况下将材料进行合成，采用该方式制作的钛合金材料，不仅纯度较高，还具有极好的单分散性，只是在采用该方式制备材料的过程中，需要较为精准的设备，不仅生产量较低，生产所需成本也比较高。②气相氧化法：应用物品四氯化钛作为原材料，以氧气作为氧源，将氮气和氩气作为稀释气，将四氯化钛转化为蒸汽放入反应器中，使其与氧气在高温条件下发生反应，温度应控制在900℃以上，控制在1400℃以下。采用该方式制作钛合金材料，具有极高的自动化程序，且制成的材料具有极好的单分散性，颗粒度极好，透光性也比较高，但是对生产设备的要求也。

2、液相法

2.1 溶胶法

其主要是采用硫酸氧钛作为生产的原材料，加入酸液，使其溶解成胶状物，对其进行表面活性的处理，以获得胶状颗粒，并加热，分解而得到制备材料。采用该方式制作钛合金材料具有极好的分散性，烧结活性较强，生产成本较高，不能大规模生产。

2.2溶胶法联合凝胶法

该方式主要采用无机钛盐和有机钛盐作为主要原材料，通过有机介质在水中对其进行溶解，使其产生缩聚反应，在经过溶胶和凝胶后，形成凝胶，并通过加热或者冷冻处理，以此生产产品。采用该方式制备钛合金材料，纯度较高，具有极好的分散性，煅烧的温度也不需要过高，需要的设备简单，但是制作时间较长，煅烧过程中极易出现凝胶体积增加的情况。

结束语

综上所述，由于钛合金材料具有极佳的材料特性，所以相关人员需要着重对该材料进行研究，以不断完善合金材料的制备方式，提升制备效率，提升材料的使用质量，在获得最大经济效益的情况下，发挥钛合金材料的材料性能优势，服务于人们的生产与生活。

参考文献：

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[2]肖苏华,张静娴,张文华.应用于3D打印的聚乳酸/纳米TiO2复合材料制备及力学性能研究[J].塑性工程学报,2017,24(3):219-224.