深圳市龙华区淬火安全系数

　　包括澳大利亚皇家墨尔本理工大学、悉尼大学在内的研究团队将合金和3D打印工艺结合在一起，创造出了一种新的钛合金，这种合金在拉伸下坚固而不脆。这项发表在一期《自然》杂志上的突破，为在航空航天、生物医学、化学工程、空间和能源技术中应用的新一类更可持续的高性能钛合金的研制带来了希望。新钛合金由两种钛晶体的混合物组成，称为α-钛相和β-钛相，每种钛晶体对应于特定的原子排列。氧气和铁是α-钛相和β-钛相的两种强大的稳定剂和强化剂，它们而廉价。但研究人员发现，有两个挑战阻碍了通过传统制造工艺开发坚韧的α-β钛氧铁合金。一个挑战是氧气会使钛变脆；另一个挑战是加入铁可能会导致严重的冶金缺陷，形成大块β钛。该团队使用了激光定向能沉积从金属粉末打印出他们的合金，这是一种适用于制造大型复杂零件的3D打印工艺。他们将合金设计理念与3D打印工艺设计结合，确定了一系列坚固、延展性好、易于打印的合金。关键的推动因素是氧和铁原子在α-钛相和β-钛相内部和二者之间的分布。研究人员在α-钛相中设计了一种纳米级的氧梯度，具有坚固的高氧段和延展性的低氧段，从而能够对部原子键施加控制，降低了潜在脆化的可能性。该团队表示，这些新合金的人性能可与商业合金相媲美。悉尼大学副校长西蒙·林格教授表示，这项研究提供了一种新的钛合金系统，该系统具有广泛且可调的机械性能、高可制造性、巨大的减排潜力，也为同类系统材料设计提供了见解。研究人员表示，该团队在设计中融入了循环经济的思想，为利用工业废物和低品位材料生产新的钛合金创造了希望。此外，氧脆化不仅对钛，而且对其他重要金属，如锆、铌、钼及其合金，都是一个重大的冶金挑战。新研究可能会提供一个模板，即通过3D打印和微结构设计来缓解这些氧脆化问题。

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　　优点二:强韧又轻盈。钛合金的第二个超能力是它的力学性能。医生们发现，理想的植入材料应该具备两个特点——坚固，能承受日常活动，而且弹性要接近真实骨骼。钛合金满足了这些要求。首先，它具备轻量化的特点，密度只有钢铁的一半，但强度相当；其次，它的弹性适中，新型钛合金的约60GPa（吉帕），已经接近人骨的30GPa；第三，它能抗疲劳，可以承受数百万次的弯曲而不断裂。

　　在电影《钢铁侠》中有一个情节是，托尼在第二代战甲试飞过程中，挑战盔甲战衣强度，一直飞向天空，但是上升到一定高度后，全身结冰的问题突出明显，战甲表面开始结冰，而且电力系统也出现问题，托尼从高空降下后才慢慢恢复。为了防止钢铁盔甲结冰，第三代钢铁侠战甲就用了钛合金，这其实是有科学依据的。钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。有些钛合金在零下253度仍有一定塑性，飞行器飞到地球大气最冷的大气中间层(距离地面50 km～85 km)温度也只有零下八十到零下一百一十的温度，所以钛合金是制造飞行器最好的选择。

　　在现实中，能飞出大汽层的可能只有火箭了。但这并不代表钛合金只能应用在航天航空行业中。钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高，在工业中有很多特定的环境和空间需要用到钛合金制造的零配件。

　　钛合金加工是一个复杂且专业性很强的过程，涉及到多种技术和工艺，以确保材料的高性能和加工的经济性。加工钛合金时，还需注意控制加工环境，避免材料吸氧、氢和氮，导致性能下降。此外，选择合适的加工参数和刀具路径，以及进行必要的中间退火，都是保证加工质量和效率的关键。钛合金加工制造的英文是 "Titanium Alloy Parts Manufacturing"。德文是 "Herstellung von Titanlegierungsbauteilen"。俄文是 "Производство деталей из титановых сплавов"。

　　钛合金的加工性能和最终的力学性能很大程度上取决于其微观组织结构。热处理，包括退火、时效处理和定向再结晶等，被用来优化钛合金的微观结构，从而提升其机械性能和加工性。例如，退火可以消除加工硬化，恢复材料的塑性，而时效处理则可以强化材料。机械加工技术: 切削:钛合金切削时，由于其硬度较高和导热性差，需要采用硬质合金刀具，特别是钨钴类硬质合金，因为它们与钛的化学亲和力小，导热性相对较好。切削过程中，采用较小的前角和较大的后角，以及圆弧过渡刃，可以减少刀具磨损和提高加工质量。 磨削、铣削、钻削、镗孔、攻丝:这些加工方法同样需要选择合适的刀具材料和加工参数，以防止刀具过早磨损和工件变形。

　　电火花加工（EDM）和线切割适用于加工硬质材料的复杂形状，尤其在需要极高精度时。 焊接技术:钛合金焊接时，因为其高熔点和化学活性，容易产生气孔和富集效应，因此常采用TIG（钨极惰性气体保护焊）、激光焊和等离子弧焊等高能密度焊接方法，并在保护性气氛下进行，以减少污染。 表面处理技术:为了提高钛合金的耐磨性、耐蚀性等，会采用表面处理技术，如化学转化膜处理、喷砂、电镀、离子渗镀、等离子喷涂等。

　　锻造和轧制:热锻和热轧是将钛合金坯料在高温下变形，以形成所需形状和尺寸，冷轧则是在室温或接近室温下进行，适用于需要高精度尺寸和表面质量的产品。

　　钛合金 / 增材制造 / 钛基复合材料 / 力学性能 / 梯度功能材料钛合金及其复合材料是我国航空航天领域结构材料中的关键材料，被称为航空工业的脊柱。高温钛合金是在传统钛合金的基础上针对特定高温环境所开发的钛合金体系，具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀、耐高温等性能，因此被用作现代航空航天发动机或高温段部件用关键结构材料。高温钛合金可用于工作温度600 ℃以下的航空发动机高压压气机叶片、飞机机身构件及蒙皮等。TiAl合金在耐高温的基础上，具有更的抗蠕变和抗氧化特性，适用于军用飞机发动机高压压气机及低压涡轮叶片等，是目前替代镍基高温合金的理想材料；Ti‒V‒Cr系阻燃钛合金应用于航空发动机的尾喷管和加力燃烧室，可有效避免航空发动机钛火风险。

　　３）熔点高。钛合金的熔点显著高于钢铁材料，所以钛合金紧固件的耐热性比钢制紧固件耐热性好。表１ 紧固件用不同材料特性比较

　　４）热膨胀系数和弹性模量小。根据热应力计算公式:Δσ＝ＥαΔＴ （１）式中:Ｅ 为弹性模量；α 为热膨胀系数；ΔＴ 为温度变化。由式（１）可知，钛合金材料的热膨胀系数和弹性模量比镍合金和钢铁材料小，在相同温度变化区间内，钛合金产生的热应力很小，所以钛合金具有较高的热疲劳性能。

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　　结构钛合金发展与应用随着飞机设计理念逐渐由过去的单纯静强度转变到一寿命、破损一，直至现代的损伤容限设计理念．钛合金材料也逐步向具有高断裂韧性和低裂纹扩展速率的损伤容限型钛合金方向发展。目前，国外发达国家已经在新型损伤容限型钛合金材料研制和在飞机上的应用方面走在了前列，是像中强度的Ti一6Al-4V ELI和高强度的Ti-6-2222S等，已经成功地应用在了美国F-22、F-35和C-17等新一代飞机中。大大地提高了飞机的使用寿命和战斗力。随着飞机设计理念的发展，钛合金结构的损伤容限设计思路在我国也开始得到关注。自“十五”以来，我国先后自主开发了TC4一DT中强高韧损伤容限型钛合金和TC21高强高韧损伤容限型钛合金，并建立了损伤容限型钛合金的B加1一技术，为我国新型飞机的研制奠定了材料应用技术基础。为了满足航空、航天结构用钛合金的发展需要，我国自主研发了低强高韧性的丝材钛合金(NbTi)和管材合金(TAl8)，1300 MPa一2000 MPa系列超高强度钛合金(TB8、TBl9、TB20)等，初步形成了具有中国特的飞机结构用新型钛合金材料体系，奠定了新一代航空、航天结构用钛合金的应用框架结构。具体性能见表1。