材料人报告丨钛合金材料研究数据分析

材料人报告征集令

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1、钛合金的发展史

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金。第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，目前该合金使用量已占全部钛合金的75%～85%，其他许多钛合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。70年代开发出一批耐蚀钛合金。自80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展，主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。目前钛合金的主要研究集中在高温钛合金、阻燃钛合金、医用钛合金等方面。

2、近年国内外钛合金研究数据分析

本文基于web of science数据库分析了十年间有关钛合金的发表情况：

2.1 历年发表文章数量分析

可以看到时间间钛合金发展迅速，从2008年的1500篇左右突破到2017年的3618篇，呈逐年上升的趋势。

2.2 各机构发表情况

上图列出了近十年发表数量前十的机构，通过发表文章所属机构来看，西北工业大学发表最多，而且西工大的研究方向主要集中在高温钛合金和钛合金的锻造，对国防和航空方面的发展做出了重要贡献。值得注意的是，在钛合金论文产出的前十名中，国机构占据六席。

2.3 发表数前十期刊

上图列出了发表文章前十的期刊，编者对这几个期刊分析发现，影响因子集中在3.0左右，工程技术领域3区居多，也说明了钛合金目前的研究已经很成熟，想要发表影响因子高的文章还需打破传统观念的突破。

2.4 发文类型统计

和大多数研究方向一样，钛合金发表的文章也主要集中在论文、会议论文、综述等形式。

2.5 不同研究方向发文情况

钛合金的研究主要集中在钛合金的本身，也就是材料开发，微观组织，所以发文主要集中在材料科学，而今年来医用钛合金发展较快，包括骨科、牙科都广泛使用钛合金作为植入替代品。

2.6 国际专利发表情况

根据WIPO数据对titanium alloy材料的相关专利发表情况进行了检索并统计，截止2018年发表专利总数达到31106篇，下面是2008至2018年十年内专利发表的统计图表。从发表国家来看，中国在钛合金的专利产出上占据优势，超越美国位列第一，而钛合金每年的获得授权的专利近几年一直高居不下，都接近2000篇左右。

2.7 高被引文章推荐

（1）Mechanical biocompatibilities of titanium alloys for biomedical applications（J.Mech.Behav.Biomed.,2007,DOI:10.1016/j.jmbbm.2007.07.001）被引频次463

（2）Machining induced surface integrity in titanium and nickel alloys: A review（Int.Nt.J.Mach.Tool.Manu.,2010,DOI:10.1016/j.ijmachtools.2010.11.003） 被引频次310

（3）A new material model for 2D numerical simulation of serrated chip formation when machining titanium alloy Ti-6Al-4V（Int.Nt.J.Mach.Tool.Manu.,2007,DOI：10.1016/j.ijmachtools.2007.10.014）被引频次213

（4）Characteristics of cutting forces and chip formation in machining of titanium alloys（Int.Nt.J.Mach.Tool.Manu.,2009,DOI：10.1016/j.ijmachtools.2009.02.008）被引频次175

（5）Selective Laser Melting of Titanium Alloys and Titanium Matrix Composites for Biomedical Applications: A Review（Adv.Eng.Mater.,2016,DOI:10.1002/adem.201500419）被引频次71

3、钛合金近年研究进展

钛合金主要用于航空和医用，下面笔者从两个方面着手展开：

3.1 医用钛合金

钛合金具有耐腐蚀性、生物兼容性、耐磨性以及较好的强度和韧性，因此可广泛应用于生物医疗领域。 从上世纪起，钛合金就开始应用于医疗领域。研制出的钛合金假牙、人体关节以及血管支架已成功用于临床应用。医用钛合金在保持必要的力学性能的同时，还要保证添加元素不会与人体组织产生毒害和过敏反应。 目前，纯钛和Ti-6Al-4V是使用最广泛的医用材料。然而，研究发现V存在潜在的毒性。而最有应用前景的是添加Nb、Zr、Mo、Ta等元素的钛合金。钛合金在植入人体后，如果弹性模量过高，会在植入物与骨骼之间产生应力屏蔽， 从而导致植入物失效，因此研究开发低模量的钛合金日渐兴起。美国开发的 Ti-35Nb7Zr-5Ta和Ti-13Mo-7Zr-3Fe钛合金具有较低的弹性模量，与人体骨骼十分接近，可有效避免应力屏蔽，可作为髋关节的替代物。利用无毒的Nb元素代替V元素，开发出的Ti6Al7Nb合金，在保持了Ti-6Al-4V合金结构和性能的同时，也保证了其生物兼容性；开发的Ti-Zr合金在力学性能和耐腐蚀性 能方面完全可以代替Ti-6Al-4V合金，并且提高了生物兼容性，被认为是一种合适的牙科植入替代合金。俄罗斯通过在Ti-Zr 二元合金中加入Nb元素，研制出了Ti51-Zr18-Nb 合金。研究表明，孔隙率达到 30%的多孔钛合金的弹性模量与人体骨的弹性模量相差无几；合适的空隙还有利于骨细胞的粘附和生长。为了提高多孔钛合金的强度，有研究者提出可将具有生物相容性的聚合物填入钛合金孔隙中。日本森永正彦等根据由DV－Xα 方法发展而来的 d电子设计理论( 可以预测钛合金中可能出现的有害相) ，开发出一系列四元系医用钛合金，如 Ti－29Nb－13Ta－nX( 5Zr、4. 6Sn、4Mo、6Sn)，基于此理论开发了一系列合金如: Ti－35Nb－13Ta－4Mo 和Ti－29Nb－13Ta－5Zr 合金，两者的弹性模量仅有 55～65 GPa，相比以前的钛合金弹性模量要低的多。[1]

3.2 航空用钛合金

20 世纪50 年代，军用飞机进入超音速时代，原有的铝、钢结构已经不能满足新的需求，钛合金恰恰在这个时候进入了工业性发展阶段。钛合金因密度小、比强度高、耐蚀、耐高温、无磁、可焊、使用温度范围宽(−269~600℃)等优异性能，而且能够进行各种零件成形、焊接和机械加工，在航空领域很快得到广泛应用。

3.2.1 航空发动机用钛合金

发动机是飞机的心脏。发动机的风扇、高压压气机盘件和叶片等转动部件，不仅要承受很大的应力，而且要有一定的耐热性。在国外先进航空发动机中，高温钛合金用量已占发动机总质量的 25%~40%，如第3代发动机 F100 的钛合金用量为25%，第4代发动机F119的钛合金用量为40%。目前，航空发动机用高温钛合金的最高工作温度已由 350℃提高到 600℃，能够满足先进发动机对材料的需求。

3.2.2 飞机机身用钛合金

飞机发动机要求所用合金热强度、比强度好，而机身则要求合金在中等温度下具备强度好、耐腐蚀、质轻等优良特性。最值得一提的就是波音747的钛合金起落架梁。这种梁是最大的钛合金锻件，尽管其他合金(比如7075铝合金)成本更低，但承载需要质量时，铝合金起落架体积超出机翼范围而不符合要求。在飞机机身中应用较广泛的钛合金有 β-21S(Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si)、Ti-10-2-3(Ti-10V-2Fe-3Al)、Ti-15-3(Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn)、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr等。

3.2.3 航空紧固件用钛合金

不论军民用飞机还是航天器上，除了金属构件还有很多碳纤维复合材料。俄罗斯的一架伊尔-96飞机用紧固件可减少质量近600 kg。我国航空航天系统钛合金紧固件的使用也有明显的减重效果。飞机和航天器减少质量后，可以提高推力、增加射程、节省燃料、减少发射费用等。美国、法国等航空发达国家，95%以上的钛合金紧固件都采用Ti-6Al-4V(TC4)材料制造。除此之外，还有TB2、βIII、Ti-44.5、Ti-15-3(TB5)、TB8 和 TB3。[2]

而从钛合金研究方向来看，主要有高温钛合金、高强高韧β型钛合金、阻燃钛合金等几个主要方向。

3.3 高温钛合金

世界上第一个研制成功的高温钛合金是Ti-6Al-4V，使用温度为300-350℃。随后相继研制出使用温度达400℃的IMI550、BT3-1等合金，以及使用温度为450~500℃的IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金。已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有：英国的IMI829、IMI834合金；美国的Ti-1100合金；俄罗斯的BT18Y、BT36合金等。近几年国外把采用快速凝固/粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向，使钛合金的使用温度可提高到650℃以上。美国麦道公司采用快速凝固/粉末冶金技术成功地研制出一种高纯度、高致密性钛合金，在760℃下其强度相当于室温下使用的钛合金强度。

3.4 高强高韧β型钛合金

β型钛合金最早是20世纪50年代中期由美国Crucible公司研制出的B120VCA合金（Ti-13v-11Cr-3Al）。β型钛合金具有良好的冷热加工性能，易锻造，可轧制、焊接，可通过固溶-时效处理获得较高的机械性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。日本钢管公司（NKK）研制成功的SP-700（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe）钛合金，该合金强度高，超塑性延伸率高达2000%，且超塑成形温度比Ti-6Al-4V低140℃，可取代Ti-6Al-4V合金用超塑成型-扩散连接（SPF/DB）技术制造各种航空航天构件；俄罗斯研制出的BT-22（TI-5v-5Mo-1Cr-5Al），其抗拉强度可达1105MPa以上。

3.5 阻燃钛合金

常规钛合金在特定的条件下有燃烷的倾向，这在很大程度上限制了其应用。针对这种情况，各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。美国研制出的Alloy c（也称为Ti-1720），名义成分为50Ti-35v-15Cr（质量分数），是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金，己用于F119发动机。BTT-1和BTT-3为俄罗斯研制的阻燃钛合金，均为Ti-Cu-Al系合金，具有相当好的热变形工艺性能，可用其制成复杂的零件。

参考文献：

[1] 于杰. 新型医用钛合金材料的研究进展[J]. 昆明理工大学学报( 自然科学版), 2017, 42(3): 1-3

[2] 金和喜. 航空用钛合金研究进展[J]. 中国有色金属学报 , 2015, 25(2): 1-3

本文由材料人Allen供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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