材料人報告丨鈦合金材料研究數據分析

材料人報告征集令

材料人報告旨在用數據為科研工作者分析當前熱點領域、材料和人物等。為了更好的服務廣大讀者，材料人編輯部誠心地向廣大讀者征求意見。大家可以根據以下幾個方向提供建議。
1、科研領域熱點事件
2、科研領域熱點人物
3、高校熱點研究機構
4、熱點研究領域或材料

該征集令是為了更好的報道讀者所想之報道，歡迎大家在留言版積極留言，說不定下個月就有你想要的報告。

1、鈦合金的發展史

鈦是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬，鈦合金強度高、耐蝕性好、耐熱性高。20世紀50～60年代，主要是發展航空發動機用的高溫鈦合金和機體用的結構鈦合金。第一個實用的鈦合金是1954年美國研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐熱性、強度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好，而成為鈦合金工業中的王牌合金，目前該合金使用量已占全部鈦合金的75%～85%，其他許多鈦合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。70年代開發出一批耐蝕鈦合金。自80年代以來，耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發展，主要用于制作飛機發動機壓氣機部件，其次為火箭、導彈和高速飛機的結構件。目前鈦合金的主要研究集中在高溫鈦合金、阻燃鈦合金、醫用鈦合金等方面。

2、近年國內外鈦合金研究數據分析

本文基于web of science數據庫分析了十年間有關鈦合金的發表情況：

2.1 歷年發表文章數量分析

可以看到時間間鈦合金發展迅速，從2008年的1500篇左右突破到2017年的3618篇，呈逐年上升的趨勢。

2.2 各機構發表情況

上圖列出了近十年發表數量前十的機構，通過發表文章所屬機構來看，西北工業大學發表最多，而且西工大的研究方向主要集中在高溫鈦合金和鈦合金的鍛造，對國防和航空方面的發展做出了重要貢獻。值得注意的是，在鈦合金論文產出的前十名中，國機構占據六席。

2.3 發表數前十期刊

上圖列出了發表文章前十的期刊，編者對這幾個期刊分析發現，影響因子集中在3.0左右，工程技術領域3區居多，也說明了鈦合金目前的研究已經很成熟，想要發表影響因子高的文章還需打破傳統觀念的突破。

2.4 發文類型統計

和大多數研究方向一樣，鈦合金發表的文章也主要集中在論文、會議論文、綜述等形式。

2.5 不同研究方向發文情況

鈦合金的研究主要集中在鈦合金的本身，也就是材料開發，微觀組織，所以發文主要集中在材料科學，而今年來醫用鈦合金發展較快，包括骨科、牙科都廣泛使用鈦合金作為植入替代品。

2.6 國際專利發表情況

根據WIPO數據對titanium alloy材料的相關專利發表情況進行了檢索并統計，截止2018年發表專利總數達到31106篇，下面是2008至2018年十年內專利發表的統計圖表。從發表國家來看，中國在鈦合金的專利產出上占據優勢，超越美國位列第一，而鈦合金每年的獲得授權的專利近幾年一直高居不下，都接近2000篇左右。

2.7 高被引文章推薦

（1）?Mechanical biocompatibilities of titanium alloys for biomedical applications（J.Mech.Behav.Biomed.,2007,DOI:10.1016/j.jmbbm.2007.07.001）被引頻次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） 被引頻次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）被引頻次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）被引頻次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）被引頻次71

3、鈦合金近年研究進展

鈦合金主要用于航空和醫用，下面筆者從兩個方面著手展開：

3.1 醫用鈦合金

鈦合金具有耐腐蝕性、生物兼容性、耐磨性以及較好的強度和韌性，因此可廣泛應用于生物醫療領域。 從上世紀起，鈦合金就開始應用于醫療領域。研制出的鈦合金假牙、人體關節以及血管支架已成功用于臨床應用。醫用鈦合金在保持必要的力學性能的同時，還要保證添加元素不會與人體組織產生毒害和過敏反應。 目前，純鈦和Ti-6Al-4V是使用最廣泛的醫用材料。然而，研究發現V存在潛在的毒性。而最有應用前景的是添加Nb、Zr、Mo、Ta等元素的鈦合金。鈦合金在植入人體后，如果彈性模量過高，會在植入物與骨骼之間產生應力屏蔽， 從而導致植入物失效，因此研究開發低模量的鈦合金日漸興起。美國開發的 Ti-35Nb7Zr-5Ta和Ti-13Mo-7Zr-3Fe鈦合金具有較低的彈性模量，與人體骨骼十分接近，可有效避免應力屏蔽，可作為髖關節的替代物。利用無毒的Nb元素代替V元素，開發出的Ti6Al7Nb合金，在保持了Ti-6Al-4V合金結構和性能的同時，也保證了其生物兼容性；開發的Ti-Zr合金在力學性能和耐腐蝕性 能方面完全可以代替Ti-6Al-4V合金，并且提高了生物兼容性，被認為是一種合適的牙科植入替代合金。俄羅斯通過在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，孔隙率達到 30%的多孔鈦合金的彈性模量與人體骨的彈性模量相差無幾；合適的空隙還有利于骨細胞的粘附和生長。為了提高多孔鈦合金的強度，有研究者提出可將具有生物相容性的聚合物填入鈦合金孔隙中。日本森永正彥等根據由DV－Xα 方法發展而來的 d電子設計理論( 可以預測鈦合金中可能出現的有害相) ，開發出一系列四元系醫用鈦合金，如 Ti－29Nb－13Ta－nX( 5Zr、4. 6Sn、4Mo、6Sn)，基于此理論開發了一系列合金如: Ti－35Nb－13Ta－4Mo 和Ti－29Nb－13Ta－5Zr 合金，兩者的彈性模量僅有 55～65 GPa，相比以前的鈦合金彈性模量要低的多。[1]

3.2 航空用鈦合金

20 世紀50 年代，軍用飛機進入超音速時代，原有的鋁、鋼結構已經不能滿足新的需求，鈦合金恰恰在這個時候進入了工業性發展階段。鈦合金因密度小、比強度高、耐蝕、耐高溫、無磁、可焊、使用溫度范圍寬(?269~600℃)等優異性能，而且能夠進行各種零件成形、焊接和機械加工，在航空領域很快得到廣泛應用。

3.2.1?航空發動機用鈦合金

發動機是飛機的心臟。發動機的風扇、高壓壓氣機盤件和葉片等轉動部件，不僅要承受很大的應力，而且要有一定的耐熱性。在國外先進航空發動機中，高溫鈦合金用量已占發動機總質量的 25%~40%，如第3代發動機 F100 的鈦合金用量為25%，第4代發動機F119的鈦合金用量為40%。目前，航空發動機用高溫鈦合金的最高工作溫度已由 350℃提高到 600℃，能夠滿足先進發動機對材料的需求。

3.2.2 飛機機身用鈦合金

飛機發動機要求所用合金熱強度、比強度好，而機身則要求合金在中等溫度下具備強度好、耐腐蝕、質輕等優良特性。最值得一提的就是波音747的鈦合金起落架梁。這種梁是最大的鈦合金鍛件，盡管其他合金(比如7075鋁合金)成本更低，但承載需要質量時，鋁合金起落架體積超出機翼范圍而不符合要求。在飛機機身中應用較廣泛的鈦合金有 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?航空緊固件用鈦合金

不論軍民用飛機還是航天器上，除了金屬構件還有很多碳纖維復合材料。俄羅斯的一架伊爾-96飛機用緊固件可減少質量近600 kg。我國航空航天系統鈦合金緊固件的使用也有明顯的減重效果。飛機和航天器減少質量后，可以提高推力、增加射程、節省燃料、減少發射費用等。美國、法國等航空發達國家，95%以上的鈦合金緊固件都采用Ti-6Al-4V(TC4)材料制造。除此之外，還有TB2、βIII、Ti-44.5、Ti-15-3(TB5)、TB8 和 TB3。[2]

而從鈦合金研究方向來看，主要有高溫鈦合金、高強高韌β型鈦合金、阻燃鈦合金等幾個主要方向。

3.3 高溫鈦合金

世界上第一個研制成功的高溫鈦合金是Ti-6Al-4V，使用溫度為300-350℃。隨后相繼研制出使用溫度達400℃的IMI550、BT3-1等合金，以及使用溫度為450~500℃的IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金。已成功地應用在軍用和民用飛機發動機中的新型高溫鈦合金有：英國的IMI829、IMI834合金；美國的Ti-1100合金；俄羅斯的BT18Y、BT36合金等。近幾年國外把采用快速凝固/粉末冶金技術、纖維或顆粒增強復合材料研制鈦合金作為高溫鈦合金的發展方向，使鈦合金的使用溫度可提高到650℃以上。美國麥道公司采用快速凝固/粉末冶金技術成功地研制出一種高純度、高致密性鈦合金，在760℃下其強度相當于室溫下使用的鈦合金強度。

3.4?高強高韌β型鈦合金

β型鈦合金最早是20世紀50年代中期由美國Crucible公司研制出的B120VCA合金（Ti-13v-11Cr-3Al）。β型鈦合金具有良好的冷熱加工性能，易鍛造，可軋制、焊接，可通過固溶-時效處理獲得較高的機械性能、良好的環境抗力及強度與斷裂韌性的很好配合。日本鋼管公司（NKK）研制成功的SP-700（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe）鈦合金，該合金強度高，超塑性延伸率高達2000%，且超塑成形溫度比Ti-6Al-4V低140℃，可取代Ti-6Al-4V合金用超塑成型-擴散連接（SPF/DB）技術制造各種航空航天構件；俄羅斯研制出的BT-22（TI-5v-5Mo-1Cr-5Al），其抗拉強度可達1105MPa以上。

3.5?阻燃鈦合金

常規鈦合金在特定的條件下有燃烷的傾向，這在很大程度上限制了其應用。針對這種情況，各國都展開了對阻燃鈦合金的研究并取得一定突破。美國研制出的Alloy c（也稱為Ti-1720），名義成分為50Ti-35v-15Cr（質量分數），是一種對持續燃燒不敏感的阻燃鈦合金，己用于F119發動機。BTT-1和BTT-3為俄羅斯研制的阻燃鈦合金，均為Ti-Cu-Al系合金，具有相當好的熱變形工藝性能，可用其制成復雜的零件。

參考文獻：

[1] 于杰. 新型醫用鈦合金材料的研究進展[J]. 昆明理工大學學報( 自然科學版), 2017, 42(3): 1-3

[2] 金和喜. 航空用鈦合金研究進展[J]. 中國有色金屬學報 , 2015, 25(2): 1-3

本文由材料人Allen供稿，材料牛整理編輯。

材料人網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu。

材料測試、數據分析，上測試谷！