低溫鈦合金的研發(fā)

低溫環(huán)境下使用的結構件除要求保持一定的強度，還要求具有良好的塑韌性、較低的熱導率和優(yōu)良的加工性能。目前常用的低溫結構材料主要包括不銹鋼、鋁合金、鎳基合金和鈦合金等。與不銹鋼、鋁合金等低溫結構材料相比，鈦和某些鈦合金還具有足夠的低溫韌性、高的比強度且在低溫下熱傳導率低、膨脹系數(shù)小、無磁性的特點。近年來隨著各國探索太空的競爭，迫切需要能適應太空低溫服役環(huán)境的材料，因此鈦合金在宇航、超導等領域成為一種倍受關注的工程材料，其中一些新研發(fā)的低溫鈦合金因其重要的戰(zhàn)略價值而受到世界各國的普遍重視。

鈦和鈦合金隨著溫度的降低，強度性能大幅度提高，高循環(huán)次數(shù)疲勞壽命特性有所提高，但和一般金屬材料相似，其延伸率、沖擊韌性和斷裂韌性都有下降趨勢。如何降低鈦合金低溫脆性，主要從以下幾個方面加以考慮。

一、 采用α和近α鈦合金。

由于β鈦合金的塑-脆轉變溫度較高，隨著使用溫度的降低，其塑韌性急劇降低，一般不適合在低溫環(huán)境下使用。α和近α鈦合金的塑-脆轉變溫度普遍較低，即使在液氮（77K）和液氫（20K）溫度下仍然具有較好的塑韌性，可以滿足低溫環(huán)境中的應用要求。目前國際上比較成熟的低溫鈦合金基本上都屬于α和近α鈦合金。

二、 降低間隙元素含量。

因為O、C、N等間隙元素含量的增加會顯著降低鈦合金在低溫環(huán)境下的斷裂韌性、延展性與沖擊韌性，因此低溫鈦合金的成分必須為超低間隙級。例如，在美國，為降低鈦合金的低溫脆性，在現(xiàn)有合金中降低間隙元素含量，開發(fā)了超低間隙元素含量的低溫鈦合金Ti-6Al-4V ELI（ELI指低間隙原子、高純度）和低溫鈦合金Ti-5AI-2.5Sn ELI等。在阿波羅計劃中，Ti-5AI-2.5Sn ELI已成功應用于核動力火箭的液氫貯箱；一些導管和高壓氣瓶材料也大量使用了Ti-5AI-2.5Sn ELI。日本在Ti-5AI-2.5Sn ELI基礎上研發(fā)了Ti-3Al-5Sn-1Mo-0.2Si，有更好的斷裂韌性與屈服強度的匹配，而高周疲勞強度更優(yōu)，隨著溫度的降低，合金的疲勞強度增加，當溫度為77K，循環(huán)次數(shù)為105次時，該合金最大疲勞強度達1300MPa，而Ti-5AI-2.5Sn ELI僅有1100MPa。

三、降低鋁含量。

據研究，適當減少鋁含量有利于減小鈦合金的低溫脆性。例如。前蘇聯(lián)為解決低溫脆性問題，大力發(fā)展了低鋁的近α鈦合金，如Ti-4Al-2.5Sn、Ti-4Al-1.4V等，最近，俄羅斯又推出Ti-Al-Zr-Nb系。另外，前蘇聯(lián)也開發(fā)了不含鋁的低溫鈦合金，如Ti-25Zr-1.5Mo系列，該合金低溫時具有高的強度和塑性與滿意的沖擊韌性相匹配，對氧含量敏感性也較小。這些低溫鈦合金已在航天火箭技術裝備中獲得了大量應用，如制造液體燃料火箭發(fā)動機的燃燒倉和“和平-1”號軌道對接件。

中國船舶重工集團公司第七二五研究所近期開發(fā)了一種低溫鈦合金CT77，該合金的塑-脆轉變溫度為77K。該合金不但具有優(yōu)異的冷成形和熱成形性能，還具有良好的焊接性能，焊接系數(shù)大于0.9。

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