低温钛合金的研发

fgtan

低温环境下使用的结构件除要求保持一定的强度，还要求具有良好的塑韧性、较低的热导率和优良的加工性能。目前常用的低温结构材料主要包括不锈钢、铝合金、镍基合金和钛合金等。与不锈钢、铝合金等低温结构材料相比，钛和某些钛合金还具有足够的低温韧性、高的比强度且在低温下热传导率低、膨胀系数小、无磁性的特点。近年来随着各国探索太空的竞争，迫切需要能适应太空低温服役环境的材料，因此钛合金在宇航、超导等领域成为一种倍受关注的工程材料，其中一些新研发的低温钛合金因其重要的战略价值而受到世界各国的普遍重视。

钛和钛合金随着温度的降低，强度性能大幅度提高，高循环次数疲劳寿命特性有所提高，但和一般金属材料相似，其延伸率、冲击韧性和断裂韧性都有下降趋势。如何降低钛合金低温脆性，主要从以下几个方面加以考虑。
一、 采用α和近α钛合金。
由于β钛合金的塑-脆转变温度较高，随着使用温度的降低，其塑韧性急剧降低，一般不适合在低温环境下使用。α和近 α钛合金的塑-脆转变温度普遍较低，即使在液氮（77K）和液氢（20K）温度下仍然具有较好的塑韧性，可以满足低温环境中的应用要求。目前国际上比较成熟的低温钛合金基本上都属于α和近α钛合金。
二、 降低间隙元素含量。
因为O、C、N等间隙元素含量的增加会显著降低钛合金在低温环境下的断裂韧性、延展性与冲击韧性，因此低温钛合金的成分必须为超低间隙级。例如，在美国，为降低钛合金的低温脆性，在现有合金中降低间隙元素含量，开发了超低间隙元素含量的低温钛合金Ti-6Al-4V ELI（ELI指低间隙原子、高纯度）和低温钛合金Ti-5AI-2.5Sn ELI等。在阿波罗计划中，Ti-5AI-2.5Sn ELI已成功应用于核动力火箭的液氢贮箱；一些导管和高压气瓶材料也大量使用了Ti-5AI-2.5Sn ELI。日本在Ti-5AI-2.5Sn ELI基础上研发了Ti-3Al-5Sn-1Mo-0.2Si，有更好的断裂韧性与屈服强度的匹配，而高周疲劳强度更优，随着温度的降低，合金的疲劳强度增加，当温度为77K，循环次数为105次时，该合金最大疲劳强度达1300MPa，而Ti-5AI-2.5Sn ELI仅有1100MPa。
三、降低铝含量。
据研究，适当减少铝含量有利于减小钛合金的低温脆性。例如。前苏联为解决低温脆性问题，大力发展了低铝的近α钛合金，如Ti-4Al-2.5Sn、Ti-4Al-1.4V等，最近，俄罗斯又推出Ti-Al-Zr-Nb系。另外，前苏联也开发了不含铝的低温钛合金，如Ti- 25Zr-1.5Mo系列，该合金低温时具有高的强度和塑性与满意的冲击韧性相匹配，对氧含量敏感性也较小。这些低温钛合金已在航天火箭技术装备中获得了大量应用，如制造液体燃料火箭发动机的燃烧仓和“和平-1”号轨道对接件。
中国船舶重工集团公司第七二五研究所近期开发了一种低温钛合金CT77，该合金的塑-脆转变温度为77K。该合金不但具有优异的冷成形和热成形性能，还具有良好的焊接性能，焊接系数大于0.9。