钛金属的主要物理性能

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1、第2章21钛的基本性质C18工业纯钛钛的矿物在自然界中分布很广，处于分散状态，主要形成矿物钛铁矿Fe TiO3、金红石TiO2及钒钛铁矿等，约占地壳重的0. 6%,在金属世界里排行 第7,含钛的矿物多达70多种，在海水中含量是1Ug / L,在海底结核中也含 有大量的钛。钛的基本性质主要包括以下几个方面。21 1物理性质纯净的钛是银白色金属，具有银灰色光泽。钛属难熔金属，原子序数为 22,相对原子质量为47. 90,位于周期表WB族。钛有两种同素异构体,。Ti在882C以下稳定，为密排六方晶格(hep) 结构；pTi在882C与熔点1678C之间稳定存在，具有体心立方晶格(bbc) 结构。在8

2、82C发生。一 p转变。Ti的点阵常数(20C)为a=0 2950nm,=0 4683nm, /o/=1587； pTi 的点阵常数为 o=03282nm(20C)或 o= 03306nm(900C)。钛的密度为4. 51g/em3，只相当于钢的57%,属轻金属。钛的熔点较高, 导电性差，热导率和线膨胀系数均较低，钛的热导率只有铁的1/4,是铜的 1 / 7。钛无磁性，在很强的磁场下也不会磁化，用钛制人造骨和关节植入人体 内不会受雷雨天气的影响。当温度低于0.49K时，钛呈现超导电性，经合金 化后，超导温度可提高到910K,钛的基本物理性能数据列于表21。比密度续表2. 1, 2力学性能室温下

3、纯钛的晶体结构为密排六方结构，其点阵长短轴比e/aGl633, 室温变形时主要以 10101210柱面滑移为主，并常诱发孪生9；钛同时 兼有钢(强度高)和铝(质地轻)的优点。高纯钛具有良好的塑性，但杂质含 量超过一定时，变得硬而脆Ilo。工业纯钛在冷变形过程中，没有明显的屈服点，其屈服强度与强度极限接 近，在冷变形加工过程中有产生裂纹的倾向，工业纯钛具有极高的冷加工硬化 效应，因此可利用冷加工变形工艺进行强化。当变形度大于20%30%时， 强度增加速度减慢，塑性几乎不降低。;钛的屈服强度与抗拉强度接近，屈强比(do 2/db)较高，而且钛的弹性 量小，约为铁的 54，成形加工时回弹量大，冷成形

4、困难。有时利用这一特 性，将钛合金作为弹性材料使用11 12,但是，高弹钛合金多属。+p（或近a） 合金，具有六方晶系结构，其物理性能呈强的各向异性，如弹性模量绕c轴呈对 称分布，c轴方向弹性模量为14313GPa，底面各取向的弹性模量为10414GPa, 因此需要仔细考虑合金板材的各向异性、弹性模量以及合金织构与弹性各向异 性之间的关系，通过合金化与工艺的调整，有目的地控制织构与弹性各向异性 以满足设计和使用要求。图21所示为钛单晶弹性模量取向分布13。图21钛单晶弹性模量取向分布（单位：GPa） 工业纯钛与高纯钛（999）相比强度明显提高，而塑性显著降低，二者 的力学性能数据列于表 22。

5、衰 2-2 纯钛的力学性能I 性 能I高纯钛I工业纯钛| 性 能|高纯钛|工业纯钛|I111F11| 抗拉强度 oMPa |250| 300600 |正弹性模量 EMPa| 108X10 3|112X10 3|屈服强度 fo2MPa|190| 250500 |切变弹性模量 GMPa|40X10 3 |41X10 3|伸长率 a|40|2030 |泊松比 f|034 |032|断面收缩率 |60|45|IIII冲击韧性oh/MJm2|M2. 5 I 0 51. 5 II 111IIII 体 弹 性 模 量 K / MPa I 126X109 I 104X103 IIIIIIIII钛的另一特点是在

6、高温能保持比较高的比强度。作为难熔金属，钛熔点高，随着温度的升高，其强度逐渐下降，但是，其高的比强度可保持到550 600C。同时，在低温下，钛仍具有良好的力学性能：强度高，保持良好的塑 性和韧性。曾经对工业纯钛在一 196C下进行拉伸和低周循环疲劳实验L1 , 结果表明，变形后的强度较之室温拉伸变形有了明显提高，同时塑性也有明显增 加。但其循环变形具有明显的循环硬化特性并伴随有大量的孪晶生成，从而 显示出低温循环疲劳在微观结构演化上可能与室温的情况不同1s，室温循 环疲劳中位错的行为起了关键性的影响“。表 23 列出了工业纯钛的低温 力学性能。表 2-3 工业纯钛的低温力学性能IIIIII|

7、 温度/C|fb/MPa |Oo 2/MPa | f/% | 矽I213 化学性能工业上大量应用的工业纯钛纯度约为 99 5%，钛在淡水和海水中有极高 的抗蚀性，在海水中的抗蚀性比铝合金、不锈钢和镍基合金都好。钛与氧形成 高化学稳定性的致密的氧化物保护膜，因而在低温和高温气体中具有极高的抗 蚀性。在室温条件下，钛不与氯气、稀硫酸、稀盐酸、硝酸和铬酸作用，在碱 溶液和大多数的有机酸和化合物中抗蚀性也很高，但能被氢氟酸、磷酸、熔融 辕侵蚀。钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向 大。但实际上钛在许多介质中很稳定。如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质 中是耐腐蚀的，这是因为钛

8、和氧的亲和力大，在空气中或含氧介质中，钛表面 生成一层致密、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀，即使受 到机械磨损，也会很快自愈或再生，这表明钛是具有强烈钝化倾向的金属，介 质温度在315C以下，钛的氧化膜始终保持这一特性，完全满足钛在一般环境 中的耐蚀性。钛最突出的性能是对海水的抗腐蚀性很强。工业纯钛的耐蚀性与高纯钛相似，但低温性能则差得多。张树霞 c1， 等通 过实验发现，工业纯钛在稀盐酸溶液中存在一个腐蚀临界浓度(0 74%)，当 盐酸浓度低于该值时，在任何情况下钛都不会发生腐蚀，同时工业纯钛还在一 定浓度的盐酸中有一个临界腐蚀温度，当溶液温度高于此临界温度，钛表面的 保护膜

9、很快就被破坏，而低于此临界温度时，钛处于钝化状态。图 22 所示为 工业纯钛在稀盐酸中腐蚀临界温度和盐酸浓度之间的关系。500 00 0 40 0 80 1 20 1 60 2 00 2 40盐酸浓度 工业纯钛在稀盐酸中腐蚀临界温度和盐酸浓度之间的关系 2 2 杂质元素对钛性能的影响杂质对工业纯钛的性能影响很大，杂质含量高则强度提高，塑性急剧降低，生产上常以硬度作为测定工业纯钛的纯度标准13），钛的纯度与硬度的 关系见表 24。钛是一种化学性质非常活泼的金属，原子价是可变的。在较高的温度下， 衰 2-4 钛的纯度与硬度的关系I| 纯度 /%|99.95 |99.8 |99.6 |99.5 |9

10、9.4I|2251|_|硬度(HV) |90|1|1145|1165|1195|1I钛金属的主要物理性能名称单位数据名称单位数据原子序数22比热卡/克.度0.138原子量47.9热膨胀系数X10-6/C (0-100 C)8.2克原子体 积厘米3/克 原子10.7弹性模量拉伸压缩剪切公斤/毫米210850密度20克/厘米34.505公斤/毫米210340熔点C16684公斤/毫米210550沸点C3535公斤/毫米24500熔化潜热千卡/克 分子5导热系数卡/厘米秒.C0.036汽化潜热千卡/克 分子112.50.3%电阻系数X10-6欧母.厘米47.8同素异晶 转变温度C882转变时体积的

11、变化%5.5转变时熵 的变化C0.587磁化率X10-6厘米3/克3.2转变潜热千卡/克 分子67810%泊桑比0.41钛的性质原子结构钛位于元素周期表中WB族，原子序数为22,原子核由22个质子和20-32个中 子组成，核外电子结构排列为1S22S22P63S23D24S2。原子核半径5x10-13厘米。物理性质钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米(20C),熔点16684C,熔化潜热3.7-5.0 千卡/克原子，沸点326020C,汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子，临界温度4350C, 临界压力1130大气压。钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢，钛具有超导性，纯

12、钛的超 导临界温度为0.38-0.4K。在25C时，钛的热容为0.126卡/克原子度，热焓1149卡/克原 子，熵为7.33卡/克原子度，金属钛是顺磁性物质，导磁率为1.00004。 钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%，断面收缩率可达70-80%，但强度 低，不宜作结构材料。钛中杂质的存在，对其机械性能影响极大，特别是间隙杂质(氧、氮、 碳)可大大提高钛的强度，显著降低其塑性。钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通 过严格控制其中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的。化学性质 钛在较高的温度下，可与许多元素和化合物发生反应。各种元素，按其与钛发生 不同反应可分为四类： 第一类：卤

13、素和氧族元素与钛生成共价键与离子键化合物； 第二类：过渡元素、氢、铍、硼族、碳族和氮族元素与钛生成金属间化物和有限 固溶体；第三类：锆、铪、钒族、铬族、钪元素与钛生成无限固溶体； 第四类：惰性气体、碱金属、碱土金属、稀土元素(除钪外)，锕、钍等不与钛 发生反应或基本上不发生反应。* 与化合物的反应： HF和氟化物氟化氢气体在加热时与钛发生反应生成 TiF4， 反应式为(1) ；不含水的氟化 氢液体可在钛表面上生成一层致密的四氟化钛膜，可防止HF浸入钛的内部。氢氟酸是钛的最 强熔剂。即使是浓度为1%的氢氟酸，也能与钛发生激烈反应，见式(2)；无水的氟化物及其 水溶液在低温下不与钛发生反应，仅在高

14、温下熔融的氟化物与钛发生显著反应。Ti + 4HF=TiF4+2H2 + 135.0 千卡(1) 2Ti + 6HF=2TiF4 + 3H2(2) HCl和氯化物氯化氢气体能腐蚀金属钛，干燥的氯化氢在300C时与钛反应生成TiCl4,见式(3) ;浓度5%的盐酸 在室温下不与钛反应，20%的盐酸在常温下与钛发生瓜在生成紫色的 TiCl3，见式(4) ;当温度长高时，即使稀盐酸也会腐蚀钛。各种无水的氯化物，如镁、锰、铁、 镍、铜、锌、汞、锡、钙、钠、钡和NH4离子及其水溶液，都不与钛发生反应，钛在这些 氯化物中具有很好的稳定性。Ti + 4HCl=TiCl4+2H2 + 94.75 千卡(3)2

15、Ti + 6HCl=TiCl3 + 3H2 (4)硫酸和硫化氢钛与5%的稀硫酸反应后在钛表面上生成保护性氧化膜，可保护钛不被稀酸 继续 腐蚀。但5%的硫酸与钛有明显的反应，在常温下，约40%的硫酸对钛的腐蚀速度最快，当浓 度大于40%，达到60%时腐蚀速度反而变慢，80%又达到最快。加热的稀酸或50%的浓硫酸可与钛 反应生成硫酸钛，见式(5) , (6)，加热的浓硫酸可被钛还原，生成S02,见式(7)。常温 下钛与硫化氢 反应，在其表面生成一层保护膜，可阻止硫化氢与钛的进一步反应。但在高温下， 硫化氢与钛反应析出氢，见式(8)，粉末钛在600C开始与硫化氢反应生成钛的硫化物， 在900C时反应

16、产物主要为TiS，1200C时为Ti2S3。Ti+H2S04 = TiS04+H2 (5) 2Ti + 3H2S04 = Ti2(S04)3+H2 (6)2Ti + 6H2S04 = Ti2(S04)3 + 3S02 + 6H20 + 202 千卡(7)Ti+H2S = TiS + H2 + 70 千卡 (8) 硝酸和王水 致密的表面光滑的钛对硝酸具有很好的稳定性，这是由于硝酸能快速在钛表面生 成一层牢固的氧化膜，但是表面粗糙，特别是海绵钛或粉末钛，可与次、热稀硝酸发生反应， 见式(9)、(10)，高于70C的浓硝酸也可与钛发生反应，见式(11)；常温下，钛不与 王水反应。温度高时，钛可与王水

17、反应生成TiCl2。3Ti + 4HN03 + 4H20 = 3H4Ti04 + 4N0 (9)3Ti + 4HNO3+H2O = 3H2TiO3 + 4NO (10)Ti + 8HN03 = Ti(N03)4 + 4N02 + 4H20 (11) 综上所述，钛的性质与温度及其存在形态、纯度有着极其密切的关系。致密的金 属钛在自然界中是相当稳定的，但是，粉末钛在空气中可引起自燃。钛中杂质的存在，显著的 影响钛的物理、化学性能、机械性能和耐腐蚀性能。特别是一些间隙杂质，它们可以使钛晶格发 生畸变，而影响钛的的各种性能。常温下钛的化学活性很小，能与氢氟酸等少数几种物质发生 反应，但温度增加时钛的活

18、性迅速增加，特别是在高温下钛可与许多物质发生剧烈反应。钛 的冶炼过程一般都在800C以上的高温下进行，因此必须在真空中或在惰性气氛保护下操作。中国美国俄罗斯TAD碘化钛Grade11号纯钛BT1-00工业纯钛TA1工业纯钛Grade22号纯钛BT1-0工业纯钛TA2工业纯钛Grade33号纯钛0T4-0Ti-0.8A1-0.7SnTA3工业纯钛Grade44号纯钛0T4-1Ti-2a1-1.5MNTA4Ti-3A1Grade5Ti-6a1-4v0T4Ti-3A1-1.5MnTA5Ti-4Al-0.005BGrade6Ti-5A1-2.5VBT5Ti-5A1TA6Ti-5AlGrade7Ti-0

19、.2pdBT5-1Ti-5A1-2.5SnTA7Ti-5Al-2.5SnGrade9Ti-3A1-2.5vBT6Ti-6A1-4vTA8Ti-5Al-2.5Sn-3Cu-1.5ZrGrade10Ti-11.5Mo-4.5Sn-6ZrBT6cTi-6A1-4vTC1Ti-2A1-1.5MnGrade11Ti-0.2pdBT3-1Ti-6A1-1.5Cr-2.5Mo-0.5TC2Ti-3A1-1.5MnGrade12Ti-0.3Mo-0.75NiBT9Ti-6.5A1-3.Mo-0.3TC3Ti-4A1-4vA-1Ti-5A1-2.5SnBT/4Ti-5A1-3Mo-0.3STC4Ti-6A1-4

20、vA-3Ti-6A1-2Nb-1TaBT16Ti-8A1-5Mo-5VTC6Ti-6A1-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3SiA-4Ti-8A1-1Mo-1VBT18Ti-8a1-0.6Mo-11Zr-TC7Ti-6A1-0.6Cr-0.4Fe-0.4Si-0.01BAB-1Ti-6a1-4vBT19Ti-6A1-5.5Mo-3.5-5.5(TC9Ti-6A1-3.5Mo-2.5Sn-0.3SiAB-3Ti-6A1-6V-2SnBT20Ti-6A1-1.5Mo-1.5TC10Ti-6A1-6V-2Sn-0.5CXu-0.5FeAB-4Ti-6A1-2Sn-4Zr-2MoBT22Ti-

21、5.5A1-5V-5Mo-1.5CiTC11Ti-6A1-3.5Mo-1.5Zr-0.3SiAB-5Ti-3A1-2.5VBT-3BTi-4A1-2V钛合金的具体分类按照合金在平衡和亚稳定状态的相组成，钛合金可分为a、近a、a+B、近B、 B等五类；但习惯上将钛合金分为a、a+B和B三大类。钛合金分类如图所示。若 按照使用性能特点，则可分为结构钛合金、耐热（热强）钛合金和抗钛合金等类 我国钛合金国标牌号中，TA系列代表a型钛合金；TB系列代表B型钛合金；TC 系列代表 a+B 型钛合金。中国钛合金的牌号及其名义成分牌号名义成分合金类型工作温度（C）TA7Ti-5A-2.5Sna500TCITi

22、-2Al-1.5Mn近a350TC3Ti-5Al-4Va+B400TC4Ti-6A1-4Va+B400TC6Ti-6 Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Sia+B450TC11Ti-6.5 Al-3.5 Mo-1.5 Zr-0.3Sia+B500TB2Ti-5Mo-5V-8Cr-3AlB300Ti-22Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5AlB30047121Ti-7Mo-10V-2Fe-1Zr-4AlB300ZTC4Ti-6Al-4Va+B350ZT3Ti-5Al-5Mo-2Sn-0.3Si-0.02Cea+B500世界各国钛合金的特性及应用合金牌号特性及应用Ti-5Al-2.

23、5Sn锻造时抗裂纹的能力较好，成型性尚可，焊接性良 好，热处理不能强化。用于传动齿轮相外冗，喷气 发动机外壳装置及导向叶片罩，管道结构等Ti-8Al-1Mo-1V成型性及锻造时抗裂纹的能力尚可，焊接性好，但 不可热处理强化。用地制作喷气发动机叶片，叶轮 和外壳，陀螺仪万向导向叶片罩，喷管装置的内蒙 皮和框架等Ti-6Al-4V属于热处理强化的钛合金，它具有较好的焊接性薄 板成型性和锻造性能。用于制造喷气发动机压缩机 叶片，叶轮等。其他如起落架轮和结构件，紧固件, 支架，飞机附件，框架、桁条结构、管道，应用非 常广泛Ti-6Al-6V-2Sn属于可热处理强化的钛合金，锻造时抗裂纹的能力 好，但焊

24、接性差，用于制造紧固件，入风口控制导 向装置，试验结构件Ti-13V-11Cr-3Al属于可热处理强化的钛合金，成型性良好，锻造时 有一定抗裂纹能力，焊接性尚可，用作结构锻件， 板状桁条结构，蒙皮，框架、支架、飞机附件，紧 固件Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.2Si属于可热处理强化的钛合金，锻造时抗裂纹的能力 好，用于制造喷气发动机叶片，叶轮，起落架滚轮,飞机骨架、紧固件等Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo成型性焊接性好，锻造时有良好的抗裂纹能力，但 不热处理强化。用于制造压缩机叶片，叶轮，起落 架滚轮，隔圈压气机箱组合件，飞机骨架，蒙皮构 件等Ti-4Al-3Mo-lV属

25、于可热处理强化的钛合金，锻造性、成型性好。 用于制造飞机骨架构件IMI125IMI130IMI160工业纯钛，抗蚀性优异，比强度较高，疲劳极限较 好，锻造性好，可用普通方法锻造、成形和焊接。可制成板、棒、丝材。应用于航空、医疗、化工等 方面，如排气管，防火墙、受热蒙皮以及要求塑性 好、能抗蚀的零件IMI317属于a型钛合金，可焊接，在315593C具有良好 的抗氧化性、强度和高温稳定性，可制造锻件及板 材零件，如航空发动机压气机叶片、壳体、支架IMI315属于a+B型钛合金，可热处理强化，用于航空发动 机压气机盘和叶片、导弹部件等IMI318a+B型合金，锻造性及综合性能良好，是各国普遍 使用

26、的钛合金，用于航空发动机压气机盘和叶片等 部件IMI550a+B型钛合金，易锻造，室温强度好，蠕变抗力较 冋（400 C以下），扌寸久强度高，广泛用于制造发 动机及机翼滑轨，动力控制装置外壳等。IMI551属于a+B型钛合金冋强度钛合金，它具有强度冋、 蠕变极限冋（400C以下），锻造性良好等特性， 用于制造飞机构件如起落架、安装座、燃气涡轮部 件，亦可用于 般工程和化工、汽轮机叶片，压气 机零件及其他高速旋转的部件IMI685是一种属于a+B型钛合金，在室温及中温的比强度 冋，在冋温（520C ）抗蠕变性能良好，冋温稳定性 好，可焊接，容易加工，其使用温度较高。用于制 作航空发动机零部件IM

27、I684属于a+B型钛合金，可焊接、抗蠕变性能（535C 以下）好,热稳定性优良。该合金与IMI685性能相 近，用途相冋。用于制作高压压气机盘及叶片等IMI679是一种复杂的a型钛合金，在450500C具有较好 的强度、冋的蠕变极限以及冋温稳定性和良好的抗 氧化性，匕的缸口疲劳强度高。用于制造航空发动 机压气机盘、叶片，飞机骨架等IMI230a型钛合金，中等强度，塑性好，可焊接，能时效 强化，易成形，合金在退火状态下使用，具有较高 的力学性能。用于制作350C以下工作的发动机导 管，飞机结构等T-A5E在-253C下具有好的塑性和韧性T-A6V综合性能好，是宇航工业用的优质材料T-A7D可焊

28、性中等，力学性能高，用作锻件T-A6V6E2主要用于制作燃气涡轮发动机和飞机导弹结构件T-TU2淬火状态下具有可焊性和成形性，在350C以下使 用T-T6Zr4DE可焊接，用于喷气发动机叶片和盘Ti-6246可制作燃气涡轮盘、风扇叶片及飞机和导弹的结构 件T-V13CA用于制作250C以下的框架、蜂窝结构件等T-A6Z5W可焊接的咼强度钛合金，在520C有良好的抗蠕变 性能T-A6ZD用于制作喷气发动机的零件（如叶片、盘等）T-A4DE2合金在400C以下具有咼强度和抗蠕变性能3.7114可焊接，成型性合格，强度中等3.7124塑性、焊接性和高温强度与工业纯钛相似，用于 350C以下的零件及抗

29、蚀件3.7134密度小，弹性模量咼，用于制作在450C以下工作 的压气机盘、叶片等，是航空工业的重要材料3.7144用于制作在450C以下工作的航空发动机转子和叶 片3.7164综合性能好，用于350C以下工作的高应力机械零 件3.7154合金的强度咼、抗蠕变性能好，可焊接。用于500C 以下长期工作的零件，如航空发动机压气机部件等3.7174属于高强度钛合金，可热处理强化，锻造性能良好3.7184用于制作在400C以下工作的航空发动机部件，如 压气机盘、叶片等LT32合金的强度咼、淬透性好，用于制作427C以下工 作的飞机骨架，导弹锻件等LT41是一种可热处理化的钛合金，它的成形性优异，用

30、于制作飞机的骨架、蒙皮、蜂窝结构、压力容器以 及高强度紧固件等全球鈦金屬產業的現況與趨勢經濟部技術處ITIS計畫/產業分析師蔡幸甫鈦（Ti,比重4.5）為輕金屬之一，其比重較同為輕金屬的鋁（Al,比重2.7）、 鎂（Mg，比重1.74,）二者要大，但仍較一般的結構用金屬為輕（如：鐵、 鎳、銅、鋅等）。鈦因提煉困難，一直未成為商用上大量實用化的金屬；直 到 1960 年前後，美國為發展高性能戰機，才投入巨大的人力物力資源建立 其鈦合金的軍事工業體系。鈦合金除了是航太方面的重要材料以外，最近十 餘年來，鈦合金也逐漸拓展出商業方面的用途，其中較知名的為鈦製高爾夫 球具。其主要原因為，鈦雖然是三種輕金

31、屬當中比重最大者，但仍有其特色：1. 鈦的耐蝕性甚佳，在一般的環境（如：辦公室環境、普通的大氣環境、 下， 其耐蝕性甚至還超過不銹鋼，且其表面還可施以表面處理來表現各種金屬顏 色。2. 鈦的表面金屬原色為所有結構材最高級的，因此只要表面予以拋光就可以有 、很好的效果，這一點特色已經有許多高級相機利用來展現產品的高級感。3. 純鈦為所有金屬中，與人體的適配性最佳，最不容易發生過敏、排斥反應的 現象，又有足夠的強度、硬度、耐蝕性，因此在生醫材料（如人工骨骼）的應 用上，亦迅速取得一席之地。4. 鈦合金的強度可藉加工/熱處理方法達到高強度合金鋼的程度，若以這樣的 強度水準加上比重來衡量（即：強度/重

32、量比），則鈦合金金的強度/重量比可 達到極高的比值，遠超過鋁合金、鎂合金、工程塑膠等常用的輕量化材料， 十分適合需求求高性能的航空/太空用途，因此鈦合金一向在航太產業是極 重要的高級材料。在目前資訊電子產品應用輕金屬作為機殼構件的熱潮中，鈦金屬（包括鈦 合金）由於其具有高強度、高耐蝕性及極佳的表面質感，看起來應是十分適 合用來作為可攜式資訊電子產品的機殼材料，因此也一直都是深受矚目的材 料，其應用產品也都不斷地在高階產品有應用例（如筆記型電腦及手機等）。 但在全球的鈦材市場，仍以傳統的航太及工業等用途為主，圖 1 顯示最近 3 年全球鈦材（Mill Product之需求量及用途分析。全球鈦產業

33、（以供應歐美 軍用/航太的鈦產業為主）於19992000年初達到谷底， 2000年本已逐漸恢復 景氣的狀況，但在 2001 年受 911 事件的衝擊，導致航太產業陷入極端不景氣 的狀況，至今仍未恢復，鈦結構材產業亦深受影響， 2002 年全球的鈦材需 求量，據國際鈦協會UTA）的統計，較2001年大幅下跌19.6%，只有約4.1 萬噸。短期的未來，此方面的鈦結構材產業仍難望有明顯的成長，惟鈦金屬 中屬於民生/休閒、建築、資訊電子方面應用的新興市場則是較不受不景氣衝 擊的部份，這也是全球鈦產業的業者寄予厚望的部份，此外在商用汽車輕量 化、新能源應用方面也可望開發新市場。這些都是鈦合金產業未來開拓

34、產品 應用新領域的重點，依國際鈦協會的估計，新興市場的規模可望自 2001 年 的 5,000 噸鈦材需求量倍增至 2006 年的 10,000 噸，如圖 1 所示。钛材生产工艺目前，金属钛生产的工业方法是可劳尔法，产品为海绵钛。制取钛材传 统的工艺是将海绵钛经熔铸成锭，再加工而成钛材。按此，从采矿到制成钛 材的工艺过程的主要步骤为：钛矿-米矿-选矿-太精矿-富集-富钛料-氯化-粗TiCl4-精制- 纯TiCl4-镁还原-海绵钛-熔铸-钛锭-加工-钛材或钛部件上述步骤中 如果采矿得到的是金红石，则不必经过富集，可以直接进行氯化制取粗TiCI4。 另外，熔铸作业应属冶金工艺，但有时也归入加工工艺

35、。上述工艺过程中的加工过程是指塑性加工和铸造而言。塑性加工方法又 包括锻造、挤压、轧制、拉伸等。它可将钛锭加工成各种尺寸的饼材、环材、 板材、管材、棒材、型材等制品，也可用铸造方法制成各种形状的零件、部 件。钛和钛合金塑性加工具有变形抗力大；常温塑性差、屈服极限和强度极限比 值高、回弹大、对缺口敏感、变形过程易与模具粘结、加热时又易吸咐有害 气体等特点，塑性加工较钢、铜困难。故钛和钛合金的加工工艺必须考虑它们的这些特点。钛采用塑性加工，加土尺寸不受限制，又能够大批量生产，但成材率低， 加工过程中产生大量废屑残料。钛材生产的原则流程如图 11。针对钛塑性加工的上述缺点，近年来发展了钛的粉末冶金工

36、艺。钛的粉 末冶金流程与普通粉末冶金相同，只是烧结必须要在真空下进行。它适用乎 生产大批量、小尺寸的零件，特别适用于生产复杂的零部件。这种方法几乎 无须再经过加工处理，成材率高，既可充分利用钛废料作原料，又可以降低 生产成本，但不能生产大尺寸的钛件。钛的粉末冶金工艺流程为:钛粉（或钛 合金粉）-筛分-混合-压制成形-烧结-辅助加工-钛制品。钛材生产的原则流程钛材除了纯钛外，目前世界上已经生产出近30 种牌号的钛合金。使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V，Ti-5Al2.5Sn等。我国常见的钛合金牌号及其 成分，详见表 89。图 1 钛合金、铝合金和钢的强度对比1.1 复合材料先进复合材料是比

37、通用复合材料有更高综合性能的新型材料，它包括树脂基 复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料等，它在军事工业 的发展中起着举足轻重的作用。先进复合材料具有高的比强度、高的比模量、耐 烧蚀、抗侵蚀、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隐身、抗高速撞击等一系列优点， 是国防工业发展中最重要的一类工程材料。1.1.1 树脂基复合材料 树脂基复合材料具有良好的成形工艺性、高的比强度、高的比模量、低的密 度、抗疲劳性、减震性、耐化学腐蚀性、良好的介电性能、较低的热导率等特点， 广泛应用于军事工业中。树脂基复合材料可分为热固性和热塑性两类。热固性树 脂基复合材料是以各种热固性树脂为基体，加入各种增强

38、纤维复合而成的一类复 合材料；而热塑性树脂则是一类线性高分子化合物，它可以溶解在溶剂中，也可 以在加热时软化和熔融变成粘性液体，冷却后硬化成为固体。树脂基复合材料具 有优异的综合性能，制备工艺容易实现，原料丰富。在航空工业中，树脂基复合 材料用于制造飞机机翼、机身、鸭翼、平尾和发动机外涵道；在航天领域，树脂 基复合材料不仅是方向舵、雷达、进气道的重要材料，而且可以制造固体火箭发 动机燃烧室的绝热壳体，也可用作发动机喷管的烧蚀防热材料。近年来研制的新 型氰酸树脂复合材料具有耐湿性强，微波介电性能佳，尺寸稳定性好等优点，广 泛用于制作宇航结构件、飞机的主次承力结构件和雷达天线罩。1.1.2 金属基

39、复合材料 金属基复合材料具有高的比强度、高的比模量、良好的高温性能、低的热膨 胀系数、良好的尺寸稳定性、优异的导电导热性在军事工业中得到了广泛的应用。 铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体，而增强材料一般可分为纤维、颗粒和 晶须三类，其中颗粒增强铝基复合材料已进入型号验证，如用于F16战斗机作 为腹鳍代替铝合金，其刚度和寿命大幅度提高。碳纤维增强铝、镁基复合材料在 具有高比强度的同时，还有接近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性，成功地 用于制作人造卫星支架、L频带平面天线、空间望远镜、人造卫星抛物面天线等； 碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有良好的高温性能和抗磨损的特点，可用于制作 火箭、导弹构件

40、，红外及激光制导系统构件，精密航空电子器件等；碳化硅纤维 增强钛基复合材料具有良好的耐高温和抗氧化性能，是高推重比发动机的理想结 构材料，目前已进入先进发动机的试车阶段。在兵器工业领域，金属基复合材料 可用于大口径尾翼稳定脱壳穿甲弹弹托，反直升机 / 反坦克多用途导弹固体发 动机壳体等零部件，以此来减轻战斗部重量，提高作战能力。1.1.3 陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是以纤维、晶须或颗粒为增强体，与陶瓷基体通过一定的复 合工艺结合在一起组成的材料的总称，由此可见，陶瓷基复合材料是在陶瓷基体 中引入第二相组元构成的多相材料，它克服了陶瓷材料固有的脆性，已成为当前 材料科学研究中最为活跃的一个方面

41、。陶瓷基复合材料具有密度低、比强度高、 热机械性能和抗热震冲击性能好的特点，是未来军事工业发展的关键支撑材料之 一。陶瓷材料的高温性能虽好，但其脆性大。改善陶瓷材料脆性的方法包括相变 增韧、微裂纹增韧、弥散金属增韧和连续纤维增韧等。陶瓷基复合材料主要用于 制作飞机燃气涡轮发动机喷嘴阀，它在提高发动机的推重比和降低燃料消耗方面 具有重要的作用。1.1.4 碳碳复合材料碳碳复合材料是由碳纤维增强剂与碳基体组成的复合材料。碳碳复合材 料具有比强度高、抗热震性好、耐烧蚀性强、性能可设计等一系列优点。碳碳 复合材料的发展是和航空航天技术所提出的苛刻要求紧密相关。80 年代以来， 碳碳复合材料的研究进入了

42、提高性能和扩大应用的阶段。在军事工业中，碳 碳复合材料最引人注目的应用是航天飞机的抗氧化碳碳鼻锥帽和机翼前缘，用 量最大的碳碳产品是超音速飞机的刹车片。碳碳复合材料在宇航方面主要用 作烧蚀材料和热结构材料，具体而言，它是用作洲际导弹弹头的鼻锥帽、固体火 箭喷管和航天飞机的机翼前缘。目前先进的碳碳喷管材料密度为 1.871.97 克/ 厘米 3，环向拉伸强度为 75115兆帕。近期研制的远程洲际导弹端头帽几乎都采 用了碳碳复合材料。随着现代航空技术的发展，飞机装载质量不断增加，飞行着陆速度不断提高， 对飞机的紧急制动提出了更高的要求。碳碳复合材料质量轻、耐高温、吸收能 量大、摩擦性能好，用它制作

43、刹车片广泛用于高速军用飞机中。1.2 超高强度钢和先进高温合金超高强度钢是屈服强度和抗拉强度分别超过 1200 兆帕和1400 兆帕的钢，它 是为了满足飞机结构上要求高比强度的材料而研究和开发的。超高强度钢大量用 于制造火箭发动机外壳，飞机机身骨架、蒙皮和着陆部件以及高压容器和一些常 规武器。由于钛合金和复合材料在飞机上应用的扩大，钢在飞机上用量有所减少， 但是飞机上的关键承力构件仍采用超高强度钢制造。目前，在国际上有代表性的 低合金超高强度钢300M，是典型的飞机起落架用钢。此外，低合金超高强度钢 D6AC 是典型的固体火箭发动机壳体材料。超高强度钢的发展趋势是在保证超高 强度的同时，不断提

44、高韧性和抗应力腐蚀能力。高温合金是航空航天动力系统的关键材料。高温合金是在6001200oC高温 下能承受一定应力并具有抗氧化和抗腐蚀能力的合金，它是航空航天发动机涡轮 盘的首选材料。按照基体组元的不同，高温合金分为铁基、镍基和钴基三大类。 发动机涡轮盘在60年代前一直是用锻造高温合金制造，典型的牌号有A286和 Inconel 718。70年代，美国GE公司采用快速凝固粉末Rene95合金制作了 CFM56 发动机涡轮盘，大大增加了它的推重比，使用温度显著提高。从此，粉末冶金涡 轮盘得以迅速发展。最近美国采用喷射沉积快速凝固工艺制造的高温合金涡轮 盘，与粉末高温合金相比，工序简单，成本降低，

45、具有良好的锻造加工性能，是 一种有极大发展潜力的制备技术。图2为美国战斗机各种材料结构的重量比。2 军用功能材料2.1 光电功能材料光电功能材料是指在光电子技术中使用的材料，它能将光电结合的信息传输 与处理，是现代信息科技的重要组成部分。光电功能材料在军事工业中有着广泛 的应用。碲镉汞、锑化铟是红外探测器的重要材料；硫化锌、硒化锌、砷化镓主 要用于制作飞行器、导弹以及地面武器装备红外探测系统的窗口、头罩、整流罩 等。氟化镁具有较高的透过率、较强的抗雨蚀、抗冲刷能力，它是较好的红外透 射材料。激光晶体和激光玻璃是高功率和高能量固体激光器的材料，典型的激光 材料有红宝石晶体、掺钕钇铝石榴石、半导体

46、激光材料等。2.2 贮氢材料某些过渡簇金属，合金和金属间化合物，由于其特殊的晶格结构的原因，氢 原子比较容易透入金属晶格的四面体或八面体间隙位中，形成了金属氢化物，这 种材料称为贮氢材料。在兵器工业中，坦克车辆使用的铅酸蓄电池因容量低、自放电率高而需经常 充电，此时维护和搬运十分不便。放电输出功率容易受电池寿命、充电状态和温 度的影响，在寒冷的气候条件下，坦克车辆起动速度会显著减慢，甚至不能起动， 这样就会影响坦克的作战能力。贮氢合金蓄电池具有能量密度高、耐过充、抗震、 低温性能好、寿命长等优点，在未来主战坦克蓄电池发展过程中具有广阔的应用 前景。2.3 阻尼减震材料阻尼是指一个自由振动的固体

47、即使与外界完全隔离，它的机械性能也会转变 为热能的现象。采用高阻尼功能材料的目的是减震降噪。因此阻尼减震材料在军 事工业中具有十分重要的意义。国外金属阻尼材料的应用主要集中在船舶、航空、航天等工业部门。美国海 军已采用 Mn-Cu 高阻尼合金制造潜艇螺旋桨，取得了明显的减震效果。在西方， 阻尼材料及技术在武器上的应用研究工作受到了极大的关注，一些发达国家专门 成立了阻尼材料在武器装备上应用的研究机构。80 年代后，国外阻尼减震降噪 技术有了更大的发展，他们借助 CAD/CAM 在减震降噪技术中的应用，把设计 材料工艺试验一体化，进行了整体结构的阻尼减震降噪设计。我国在 70 年代前后进行了阻尼

48、减震降噪材料的研究工作，并取得了一定的成果，但与发达 国家相比，仍有一定的差距。阻尼材料在航空航天领域主要用于制造火箭、导弹、 喷气机等控制盘或陀螺仪的外壳；在船舶工业中，阻尼材料用于制造推进器、传 动部件和舱室隔板，有效地降低了来自于机械零件啮合过程中表面碰撞产生的振 动和噪声。在兵器工业中，坦克传动部分（变速箱，传动箱）的振动是一个复杂 振动，频率范围较宽，高性能阻尼锌铝合金和减振耐磨表面熔敷材料技术的应用， 大大减轻了主战坦克传动部分产生的振动和噪声。2.4 隐身材料现代攻击武器的发展，特别是精确打击武器的出现，使武器装备的生存力受 到了极大的威胁，单纯依靠加强武器的防护能力已不实际。采

49、用隐身技术，使敌 方的探测、制导、侦察系统失去功效，从而尽可能地隐蔽自己，掌握战场的主动 权。抢先发现并消灭敌人，已成为现代武器防护的重要发展方向。隐身技术的最 有效手段是采用隐身材料。国外隐身技术与材料的研究始于第二次世界大战期 间，起源在德国，发展在美国并扩展到英、法、俄罗斯等先进国家。目前，美国 在隐身技术和材料研究方面处于领先水平。在航空领域，许多国家都已成功地将 隐身技术应用于飞机的隐身；在常规兵器方面，美国对坦克、导弹的隐身也已开 展了不少工作，并陆续用于装备，如美国M1A1坦克上采用了雷达波和红外波隐 身材料，前苏联T-80坦克也涂敷了隐身材料。隐身材料有毫米波结构吸波材料、毫米

50、波橡胶吸波材料和多功能吸波涂料 等，它们不仅能够降低毫米波雷达和毫米波制导系统的发现、跟踪和命中的概率， 而且能够兼容可见光、近红外伪装和中远红外热迷彩的效果。近年来，国外在提高与改进传统隐身材料的同时，正致力于多种新材料的探 索。晶须材料、纳米材料、陶瓷材料、手性材料、导电高分子材料等逐步应用到 雷达波和红外隐身材料，使涂层更加薄型化、轻量化。纳米材料因其具有极好的 吸波特性，同时具备了宽频带、兼容性好、厚度薄等特点，发达国家均把纳米材 料作为新一代隐身材料加以研究和开发；国内毫米波隐身材料的研究起步于 80 年代中期，研究单位主要集中在兵器系统。经过多年的努力，预研工作取得了较 大进展，该

51、项技术可用于各类地面武器系统的伪装和隐身，如主战坦克、155 毫 米先进加榴炮系统及水陆两用坦克。目前，世界上正在研制的第四代超音速歼击机，其机体结构采用复合材料、 翼身融合体和吸波涂层，使其真正具有了隐身功能，而电磁波吸收型涂料、电磁 屏蔽型涂料已开始在隐身飞机上涂装；美国和俄罗斯的地对空导弹正在使用轻 质、宽频带吸收、热稳定性好的隐身材料。可以预见，隐身技术的研究和应用已 成为世界各国国防技术中最重要的课题之一。四 我国军用新材料的产业化趋势应用于军事工业中的新材料均具有较高的技术含量，因而军用新材料的产业 化速度普遍比较缓慢。世界范围内的军用新材料正向功能化、超高能化、复合轻 量和智能化

52、的方向发展。由此看来，钛合金、复合材料和纳米材料在军事工业中 具有十分良好的产业化前景。4.1 钛合金钛是 20 世纪五十年代发展起来的一种性能优异、资源丰富的金属。随着军 事工业对高强低密度材料需求的日益迫切，钛合金的产业化进程显著加快。在国 外，先进飞机上钛材重量已达到飞机结构总重的3035%。我国在“九五”期间， 为满足航空、航天、舰艇等部门需要，国家把钛合金作为新材料的发展重点之一， 预计“十五”将成为我国钛合金新材料新工艺的高速发展时期。4.2 复合材料军事高技术的发展要求材料不再是单一的结构材料，在这种条件下，军用复 合材料应运而生。“八五”和“九五”我国在先进复合材料的研制和应用方面取 得了很大的成绩，它在“十五”期间的发展会更加引人注目。 21 世纪复合材料 的发展方向是低成本、高性能、多功能和智能化。4.3 纳米材料纳米技术是现代科学和技术相结合的产物，它不仅涉及到现有的一切基础性 科学技术领域，而且在军事工业中有着广泛的应用前景。随着未来战争突然性的 急剧增大，各种探测手段越来越先进。为适应现代化战争的需要，隐身技术在军 事领域占有十分重要的地位。纳米材料对雷达波的吸收率较高，从而为兵器隐身 技术的发展提供了物质基础。