文献综述
摘要：
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、
耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。自1954年美国研制成功Ti-6Al-4V合金以来，钛合金以它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好等一系列优越性特点，而成为钛工业中的王牌合金。特别在航空高科技领域得到了大量应用，现今于医学，汽车等上也应用广泛。钛合金阳极氧化膜的存在，，进一步弥补了钛合金在某些方面的缺陷，使其性能更加优异突出。本篇综述着重对钛合金，钛合金阳极氧化膜的原理规律和制备技术做了主要介绍。
关键字：钛，钛合金，航空工业，阳极氧化，钛合金阳极氧化膜 前言
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要金属，密度小，比强度高和耐腐蚀性好。因此钛及钛合金一直是航空航天工业的“脊柱”之一。近年来，钛在石油、化工、冶金、生物医学和体育用品等领域开始得到应用，并己成为新工艺、新技术、新设备不可缺少的金属材料，钛工业进入一个新的发展时期
钛合金的历史发展
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。
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，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做是Ti-6Al-4V合金的改型。
钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料，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比重、强度和使用温度介于铝和钢之间，但比强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。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。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。钛合金在军用飞机中的用量迅速增加，达到飞机结构重量的20％～25％。70年代起，民用机开始大量使用钛合金，如波音747客机用钛量达3640公斤以上。马赫数小于 2.5的飞机用钛主要是为了代替钢，以减轻结构重量。又如，美国SR-71 高空高速侦察机(飞行马赫数为3，飞行高度26212米)，钛占飞机结构重量的93％，号称“全钛”飞机。当航空发动机的推重比从4～6提高到8～10，压气机出口温度相应地从200～300°C增加到500～600°C时，原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金，或用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片，以减轻结构重量。60年代中期，钛及其合金已在一般工业中应用，用于制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。70年代，
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钛合金在航空发动机中的用量一般占结构总重量的20％～30％，主要用于制造压气机部件，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机机匣、中介机匣、轴承壳体等。航天器主要利用钛合金的高比强度，耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机 也都使用钛合金板材焊接件。80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。A2(Ti3Al)和r（TiAl）基合金的出现，使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端（风扇和压气机）向发动机的热端（涡轮）方向推进。结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。
另外，20世纪70年代以来，还出现了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形状记忆合金，并在工程上获得日益广泛的应用。
钛合金的运用现状
航空航天的运用
目前，钛及其合金主要用于航空航天和军事工业上。据统计，钛在航空航天上的应用约占钛总产量的70%左右，包括军用飞机、民用飞机、航空发动机、航天器、人造卫星壳体连结座、高强螺栓、燃料箱、导弹尾翼、弹头壳体等。美国在这方面走在世界前列。20实际60年代，阿波罗载人飞船登上月球，钛合金在其中做了重要贡献，越来越多的钛合金运用于美国的军事工业中。进入20 世纪80 年代，美国飞机的用钛量占70%~80%，每年用钛达1.3~1.9 万多吨，其中军用飞机占整个飞机的用钛量的41%~70%。另据报道。美国民用飞机到2019 年计划生产3.3 万架，以每架用钛10 t 计则潜在需求为33万吨。如果这些计划得以实现，将对钛产业界产生巨大影响。
作为美国竞争对手的俄罗斯也一直注重航空航天上钛材的使用量。其航空工业主要使用三种钛合金：（1）板材用合金（2）锻件、紧固件用合金（3）铸造合金。板材用合金主要是074 系列中等强度，加工性能好的钛合金如BT1-00,BT1-0 等。锻件用合金主要有BT22其淬透深度可达200 mm，可用于制造各种高负载航空零件。铸造合金有BT18y,BT36后者是使用温度最高的合金，推荐使用温度为550℃~600℃，并用它制造了压气机盘。航空紧固件广泛使用BT16 合金。
20 世纪70 年代以来，西欧为了同美日抗衡大大加快以军事为背景的钛合金的应用研究。其中法国使用新合金Ti-17 制造了GE90 和M88 发动机零件，其工作温度为350℃~400℃。用Ti-6242 和Ti-6246 合金制造了MTP390 发动机的零件。法国人还利用Ti-6246 合金制造了阿里亚娜-5 发射器的结构零件，将β-CEZ 钛合金用于M88-X 未来型发动机中，其工作温度为400℃~450℃，另外法国还开发了β-CEZ 合金的SPF-DB 板材成型工艺，并生产了该钛合金的精密铸件，用于空中客车民航客机的舱门滑动装置。英国在钛合金应用方面也取得了一定成绩，如IMI834 钛合金广泛用于罗尔斯-罗伊斯Trent700 发动机中，其工作温度可达600℃，重量比镍基超合金同等部件减轻50 kg。
经过 40 多年的研究，我国在这个领域取得了可喜的成绩。从“东方红”卫星上天到“神舟”飞船发射成功以及新型战机问世等，这其中都有钛合金的贡献。“九五”期间，为满足航空航天等部门需要国家把钛合金作为新材料的发展重点之一。“十五”期间又进一步开发航空航天用高温钛合金、阻燃钛合金、高强钛合金、TiAl 金属间化合物、钛基复合材料。相信，通过“十五”攻关，一批新型钛合金将在航天事业中再立新功。
船舶行业的运用
目前，钛在舰船上已应用的部位有:耐压壳体、螺旋桨和桨轴、通海管路、阀及附件、
各类管接头、热交换器、冷却器、冷凝器、发动机零部件、升降装置及发射装置、声学装置
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零部件、系泊装置等。
钛合金抗高速海水冲刷，在流速13 m/s 条件下使用也不会出现冲刷腐蚀现象，特别适用于工作介质为高压，高流速，动海水的管路。用钛材制造舰船的通海管路和阀还能减少管径，减薄管壁。俄罗斯、美国、英国已经使用形状记忆合金（SMA）作为船用管路的管接头。普遍采用的是Ti-Ni-SMA 管接头，它可以解决钛与钢的不可焊以及拆卸不便等问题。热交换器用钛已经很成熟。
海水淡化装置中的蒸发器接触高温海水，蒸发后盐度增加，钛合金耐高温离子腐蚀可广泛用于海水淡化装置的蒸发器。
舰船上用钛的部位及采用的钛合金见表 1。
应用部位 耐压壳体 螺旋桨及桨轴 通海管路、阀及 附件 热交换器及海 水淡化装置 发动机零件 声学装置及换 能器零件 系泊装置及发 射装置 采用的钛合金 ЛT-1M, Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-4V,Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo 纯 Ti, Ti-6Al-4V，纯 Ti, Ti-Al-Mn, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-0.5Cu-0.5Fe,Ti-3Al-2.5V,β-C,TiNi，Ti-31,Ti-75 纯 Ti, Ti-5Al, Ti-Al-Mn, Ti-0.3Mo-0.8Ni, Ti-6Al-4V,Ti-31 Ti-6Al-4V,Ti-5Al-2.5Sn,Ti-8Al-1Mo-1V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 纯 Ti Ti-6Al-4V, Ti-4Al-0.005B, β-C 表1：钛在船舶上运用
表1 舰船上用钛的部位及采用的钛合金
医疗行业的运用
医用钛合金无毒、质轻、比强度高，具有极好的生物相容性和耐腐蚀性，是较理想的医用金属材料，可用作植入人体的植入物等。 目 前 ， 医学领域广泛使用的钛仍是纯 (TA1,TA2)Ti-6Al-4V,Ti-5Al-2.5Fe 和Ti-6Al-7Nb合金，这些钛合金会析出极少量的钒和铝离子，降低其细胞适应性且有可能对人体造成危害。 医用钛合金弹性模量接近于人体骨骼，因此钛合金人工关节，包括膝关节、肘关节、踝关节等被广泛用于人体矫形手术中。据估计，我国每年对钛合金人工关节的需求量超过5000 套。据统计，钛的医用市场每年正以5%~7%的速度增长。可见，钛在医疗行业有广阔的发
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展前景。
体育行业的运用
钛也正在向体育运动器材应用领域进军。目前最大的应用领域是全世界都在用钛铸造高尔夫球杆头。20 世纪80 年代末，日本开始研制钛合金精铸高尔夫球头（俗称木头）结果获得了良好效果。它重量轻、强度高，与不锈钢相比可以制作打击面与容积更大的球头，因此打得准、打得远。更有意义的是钛合金球头击球时，运动员球感很好，声音非常悦耳。因此钛合金球头获得了很大的发展。近年，高强钛合金(Ti-15-3 合金)精铸球头，新研制的带钨 合金镶块的精铸钛球头，新的阻尼钛合金球头在研制和应用上发展很快。现在，高尔夫球头钛合金的制造已形成具有一定生产规模的产业。
化工行业的运用
化工、冶金、造纸、制碱、石油和农药工业是使用钛合金较早的行业。主要用在耐腐泵、阀门、叶轮、阳极液槽、加热器、蒸发器等，它们大部分是在腐蚀性高的液体介质中运转。钛合金在这些部门中的作用，取得了良好的技术经济效果。如在铁合金厂，抽送铬-硫酸溶液的不锈钢泵使用寿命只有一年，改用钛泵用转2 年后仍呈金属光泽，未发生腐蚀现象，用寿命延长。在我国氯碱工业中，同传统使用石墨阳极电解槽相比，应用钛阳极电解槽每年可节约电近10 亿kWh，价值3 亿多元，使用寿命延长40 倍以上。目前，美国和日本在这个领域用钛量分别为1984t （2001 年）和2 350 t （2002年）。“十五”期间，我国对氯碱、纯碱、化肥3 个行业进行扩建提高产能，据推算，钛材用量约为1 830 t
其他行业的运用
（1）在建筑业中，钛的应用也越来越广泛。日本早在1973 年就建造了世界首例钛屋顶，其后在日本真光明教堂神殿屋顶上用钛量达90 t~120 t。
（2）在农业和畜牧业中，钛也发挥一定的作用。经实验证明，钛具有增强植物的光合，促进碳水化合物的合成等作用。
⑶在食品业和制药业中，钛用于制造容器、反应器和加热器等。 ⑷在核工业中，钛用来制造核废料和腐蚀性废料的储备罐。
钛合金的分类
钛是同素异构体，熔点为1720℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；在882℃以上呈体心立方品格结构，称为β钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金（titanium alloys）。室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：α合金,(α+β)合金和β合金。中国分别以TA、TC、TB表示。
α钛合金
它是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500℃～600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。
β钛合金
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它是β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372～1666 MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。
α+β钛合金
它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。
钛合金按用途可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金（钛-钼，钛-钯合金等）、低温合金以及特殊功能合金（钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金）等。
钛合金的性能
钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。99.5％工业纯钛的性能见表2， 钛合金性能 参数 密度g/cm3 4.5 熔点 ℃ 1800 导热系数(w/m.k) 15.24 抗拉强度MPa 539 伸长率 断面收缩率 25% 弹性模量MPa 硬度HB 25% 1.078*105 195 表2: 95%工业纯钛的性能
与工业纯钛相比，钛合金除了具有以上性能还具有以下特性。
(1)比强度高
钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60％，纯钛的强度接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。
(2)热强度高
使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450～500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃～500℃范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500℃，铝合金则在200℃以下。
(3)抗蚀性好
钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。
(4)低温性能好
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