高強(qiáng)度的鈦合金有望被應(yīng)用于汽車(chē)制造

鈦的密度約為低碳鋼的45%，單質(zhì)鈦金屬的強(qiáng)度不是很高，通常采用合金化的方法提高其強(qiáng)度。

大約50年前，冶金專(zhuān)家們?cè)阝佒刑砑予F、釩和鋁，在適當(dāng)條件下制成了強(qiáng)度很高的Ti185合金。

但是這種材料傾向于成團(tuán)聚集，鐵元素可能會(huì)聚集于一些區(qū)域，在材料中形成一些缺陷，難以形成穩(wěn)定的商業(yè)化的生產(chǎn)。

大約6年以前，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，美國(guó)能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等單位創(chuàng)新地開(kāi)發(fā)出一種低成本的產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)技術(shù)。

在制備Ti185合金時(shí)，工藝流程不是首先從熔化態(tài)的鈦金屬開(kāi)始，而是以氫化鈦粉作為進(jìn)料，這種方法縮短了一半的工藝處理時(shí)間，顯著地降低了能源消耗。

現(xiàn)在美國(guó)先進(jìn)材料有限公司已經(jīng)采用了這種低成本生產(chǎn)技術(shù)，還與美國(guó)能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的冶金專(zhuān)家Curt Lavender合作對(duì)這種技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，并已將氫化鈦粉和其他一些先進(jìn)材料銷(xiāo)售給航空航天工業(yè)工業(yè)等領(lǐng)域。

通過(guò)熱處理進(jìn)一步提高Ti185合金的強(qiáng)度，將其放在爐子里加熱到不同溫度，然后在冷水中淬火，可以在原子尺度上使合金元素重新排列，提高材料的強(qiáng)度。

如果在一個(gè)較低的溫度進(jìn)行熱處理以前，先將Ti185合金加熱到一個(gè)較高的溫度進(jìn)行熱處理，可以獲得比現(xiàn)在市場(chǎng)上任何商用鈦合金的強(qiáng)度高10%~15%的鈦合金。

如果能在納米尺度觀察這種材料的顯微結(jié)構(gòu)，就可以對(duì)熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，使材料達(dá)到很高的強(qiáng)度。

用電子顯微鏡在數(shù)百納米范圍對(duì)這種鈦合金進(jìn)行了觀察，數(shù)百納米約為人頭發(fā)絲平均直徑的1%0。

為了進(jìn)一步觀察單個(gè)原子在三維空間的排列，可用原子探針層析成像系統(tǒng)觀察單個(gè)原子在三維空間的排列。

采用這些強(qiáng)大的顯微鏡技術(shù)，科研人員發(fā)現(xiàn)∶

通過(guò)熱處理工藝，在基體β相上，出現(xiàn)了微米尺寸的和納米尺寸的a相沉淀區(qū)，每一個(gè)沉淀區(qū)都有一些元素富集；

鋁原子和鈦原子趨向于分布在納米尺寸的a相沉淀區(qū)，釩和鐵趨向于移動(dòng)到β相基體。

如果加熱到788℃以上，原子會(huì)以新的排列方式形成一種獨(dú)特的單一相的層次納米結(jié)構(gòu)。

在研究人員理解了這種納米結(jié)構(gòu)以后，可望開(kāi)發(fā)出強(qiáng)度更高的鈦合金。

汽車(chē)制造用鋼材的抗拉強(qiáng)度為800~900MPa，而美國(guó)能源部太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室制備的Ti185鈦合金的抗拉強(qiáng)度接近1700 MPa，接近汽車(chē)制造用鋼材的抗拉強(qiáng)度數(shù)值的兩倍，而Ti185鈦合金的密度約為鋼的1/2。

雖然這種鈦合金的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)高于鋼鐵，但考慮到其強(qiáng)度一生產(chǎn)成本的比率，還是很有希望被應(yīng)用于輕質(zhì)汽車(chē)領(lǐng)域。