鈦合金疲勞的案例
《JMST》深海潛水器耐壓艙用鈦合金保載疲勞研究獲進展！
潛水器的每一次作業，耐壓艙都承受一次不斷變化的海水壓力（升載-保載-卸載）作用，這種載荷譜下的疲勞稱為保載疲勞（Dwell fatigue）。新型高強韌鈦合金是耐壓艙的首選材料，研究其保載疲勞特性對于深海潛水器的設計和可靠性評估具有重要意義。
研究發現，耐壓艙鈦合金的三種保載疲勞失效模式，即疲勞失效、延性失效及疲勞與延性混合失效。保載與疲勞載荷的相互作用加速了試樣的失效，并導致不同失效模式之間的競爭。研究進一步發現保載疲勞壽命與第一周次累積最大應變有關，二者在雙對數坐標下呈近似線性關系，間歇加載時間對鈦合金的保載疲勞行為沒有影響。實驗結果和理論分析揭示了鈦合金的保載疲勞機理，即保載產生的塑性變形增大了試樣的實際應力，這促進了已形成裂紋或損傷的擴展，同時，疲勞載荷部分導致的局部塑性應變增大了保載疲勞塑性應變的累積。
該研究由中國科學院力學研究所LNM微結構計算力學課題組與中國船舶重工集團公司第七〇二研究所等單位合作完成，得到國家重點研發計劃項目“深海裝備耐壓結構體、材料耐壓特性及評估技術研究”的支持。相關研究成果發表在Journal of Materials Science & Technology上，力學所孫成奇為論文的第一作者和通訊作者。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.063
圖1.(a)“奮斗者號”潛水器；(b)耐壓艙；(c)常規疲勞波形；(d)保載疲勞波形
圖2.保載疲勞3種失效模式。A-1~A-4：疲勞失效；B-1~B-4：延性失效；C-1~C-4：混合失效
圖3.
展開 《Materials Design》：疲勞性能優異，且對雜質不敏感的鈦合金！
圖1 MIM耐雜質鈦合金（β Ti-Nb-Zr）基本的相組成和微觀結構
圖2 晶界區的相組成、微觀結構和各相之間的位向關系
圖3 MIM常見的鈦合金與耐雜質鈦合金（β Ti-Nb-Zr）的高周疲勞性能比較
圖4 含有典型粉末冶金缺陷的MIM耐雜質鈦合金（β Ti-Nb-Zr）的高周疲勞失效機制與四點彎曲疲勞試樣內滾子之間的均勻力矩區域內示意圖
圖5 （a）MIM耐雜質鈦合金（β Ti-Nb-Zr）經污染燒結的高周疲勞性能；（b）由孔隙處片狀α次生相激活疲勞小裂紋的裂紋萌生區，即主要裂紋萌生機制；（c）在高加載應力條件下，由孔隙處大尺寸虧碳碳化物析出相激活疲勞小裂紋的裂紋萌生區，即條件觸發的裂紋萌生競爭機制（有條件的疲勞二象性）；（d）極少數情況下，由魚骨晶界和大尺寸虧碳碳化物析出相共同激活疲勞小裂紋的裂紋萌生區
展開 【綜述】鈦及鈦合金在汽車輕量化研發領域的前景及實際應用
發動機的連桿對材料的強度、疲勞性能、剛度( 特別是大頭端) 及耐磨性能都有嚴格的要求，鈦連桿質量的減輕, 結合以質輕的活塞和活塞銷, 使噪聲、震顫、車身跳動明顯減輕, 改善了發動機的工作性能。同時, 這些零件如果用鈦制造,還可以提高發動機的工作溫度。 活塞銷要求材料具有一定的強度、耐磨性能、高剛度和耐高溫, 目前最佳選擇是密度低、高溫強度高、生產成本相對不高的金屬間化合物γ-TiAl。 對更高速度的發動機而言, 其氣門傳動機構也以使用抗蠕度、抗氧化的鈦材為宜。尤其是使用γ-鋁化鈦作氣門彈簧, 除 減輕質量, 還可將發動機速度提高10%。
2、發動機氣門
用鈦合金制造的汽車發動機氣門，不但能減輕質量、延長使用壽命，而且可降低油耗和提高汽車的可靠性。鈦制氣門與鋼制氣門相比，質量可減少30%～40%，發動機極限轉速可提高20%。就目前的應用而言，進氣門的材料以Ti－6A l－4V為主，排氣門的材料以Ti－6242S為主，通常Sn和Al一起被添加，可以得到較低的脆性和較高的強度；Mo的添加可改善鈦合金的熱處理性能，加強淬火及時效鈦合金的強度，同時增加硬度。
3、氣門彈簧座
高強度及耐疲勞性是汽門彈簧座必須具備的性能，β鈦合金為熱處理型合金，能通過固溶時效處理來獲得很高的強度，相應的比較適合的材料有Ti·15V－3Cr－3Al－3Sn與Ti－15Mo－3Al－2.7Nb－0.2Si。三菱汽車在其規?；a汽車上使用Ti－22V－4Al鈦合金汽門彈簧座，較原鋼制鎖扣減輕了42%的質量，氣門機構減少了6%的慣性質量，發動機最大轉速增加了300r/min。
4、鈦合金彈簧
鈦及其合金相對于鋼材料具有較低的彈性模量，σs/E值大，適合制造彈性元件。
展開 鋁合金、鋅合金、鎂合金、鈦合金對比
鎂合金常用牌號有AZ31B、AZ31S、AZ31T、AZ40M、AZ41M、AZ61A、AZ61M、AZ61S、AZ62M、AZ63B、AZ80A、AZ80M、AZ80S、AZ91D、AM60B、AM50A、M1C、M2M、M2S、ZK61M、ZK61S、ME20M、LZ91、LZ61、LZ121、LA141、LA191、LAZ933、LA81、LA91、LAZ931、MA18、MA21、MA14等。
鈦合金
鈦合金指的是多種用鈦與其他金屬制成的合金金屬，強度高、耐蝕性好、耐熱性高。鈦合金廣泛應用于制作飛機發動機壓氣機部件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等。鈦合金也應用在火箭、導彈和高速飛機的結構件。
鈦是同素異構體，熔點為1668℃，在低于882℃時呈密排六方晶格結構，稱為α鈦；在882℃以上呈體心立方晶格結構，稱為β鈦。利用鈦的上述兩種結構的不同特點，添加適當的合金元素而得到不同組織的鈦合金。室溫下，鈦合金有三種基體組織，鈦合金也就分為以下三類：α合金,(α+β)合金和β合金。我國分別以TA、TC、TB表示。
鈦合金的密度一般在4.51g/cm3左右，僅為鋼的60%，一些高強度鈦合金超過了許多合金結構剛的強度，因此鈦合金的比強度(強度/密度)遠大于其他金屬結構材料，可制出單位強度高、剛性好、質輕的零部件。
部分鈦和鈦合金的力學性能
鈦合金產品
鈦無毒、質輕、強度高且具有優良的生物相容性，是非常理想的醫用金屬材料，可用作植入人體的植入物等。
展開 
大連睿藍科技有限公司精細水切割機 專注鈦合金工業加工
專注鈦合金工業加工
水切割作為一種冷切割加工方式，無熱反應及受熱變形的特點，對于鈦合金加工可謂是“一物降一物”的最恰當切屑方式，今天我就來帶大家了解一下關于睿藍科技精細水刀在鈦合金產品的專注和不斷深耕歷程。
2020年，睿藍科技創始人MT. Andy劉畢業于蘭州大學，攜手蘭大及吉林大學共同將水刀技術率先應用于工業領域，且在鈦合金、有色金屬、汽車玻璃等材料設立專項研發方向。
2021年第一臺為鈦合金產品定制化的專用水刀切割機在大連誕生，切割厚度0~200mm,切割精度±0.08mm，基本解決平面切割無需修復的加工效果。
2022年首次對于航空領域的鈦合金材料進行切割加工，研發出新型噴嘴，完美解決了零部件在平面加工過程中同時可開孔等復雜的加工工藝，一次成型，并成為航空某部指定加工單位。
2023年MT. Andy劉在大連成立了大連睿藍科技有限公司，與吉林大學聯合建立了鈦合金材料研究室，在鈦合金的水刀切割加工上，研發出三軸、四軸、五軸、三維、管切、封頭切、炮彈切割等前沿技術和加工工藝，成為中國精細化水刀行業鈦合金加工的引領者。
2024年睿藍科技研發制造了全球最大加工床身的鈦合金板材精細水切割機，有效加工尺寸為5X16M,實現單板和多板的同時切割。并全球獨創鈦合金板材一次成型三維坡口技術，節約固有加工時間40%，綜合成本節約50%。公司與蘭大共同研發一款應用于綠硅鈦合金研磨的砂輪片，為全國首創。
2025年睿藍科技在制一臺全球最大的鈦合金管板一體機，實現智能控制系統無人看守，集成模塊化，有效加工長度可達20M， 應用于超大鈦合金管件的加工。
大連睿藍科技有限公司業已成為全球精密水切割系統的頂級制造商，專注于工業數控水切割系統的設計與制造，代表著數控水切割行業最先進的技術，期待著您的到來與洽談。
展開 鈦及鈦合金的焊接(一)
本文說盡闡述了鈦及鈦合金的材料特點及焊接性、并針對鈦及鈦合金焊接中易產生氧化、裂紋、氣孔籌焊接缺陷，進行了焊接性試驗。能過對鈦及鈦合金焊接工藝規范的不斷摸索，以及對試驗過程出現的問題的合理分析，總結出鈦及鈦合金焊接工藝特點及操作要領。
一、鈦及鈦的分類及特點
國產工業純鈦有TA1、TA2、TA3三種，其區別在于含氫氧氮雜質的含量不同，這些雜質使工業純鈦強化，但是塑性顯著降低。工業純鈦盡管強度不高，但塑性及韌性優良，尤其是具有良好的低溫沖擊韌性；同時具有良好的抗腐蝕性能。所以，這種材料多用于化學工業、石油工業等，實際上多用于350℃以下的工作條件。
根據鈦合金退火狀態的室溫組織，可將鈦合金分為三種類型：
α型鈦合金、(α+β)型鈦合金及β型鈦合金。
α型鈦合金中，應用較多的是TA4、TA5、TA6型的Ti-AI系合金和TA7、TA8型的Ti+AI+Sn合金。這種合金室溫下，其強度可達到931N/mm2，而且在高溫下（500℃以下）性能穩定，可焊性良好。
β型鈦合金在我國的應用量較少，其使用范圍有待進一步擴大。
二、鈦及鈦合金的焊接性
鈦及鈦合金的焊接性能，具有許多顯著特點，這些焊接特點是由于鈦及鈦合金的物理化學性能決定的。
1.氣體及雜質污染對焊接性能的影響
在常溫下，鈦及鈦合金是比較穩定的。但試驗表時，在焊接過程中，液態熔滴和熔池金屬具有強烈吸收氫、氧、氮的作用，而且在固態下，這些氣體已與其發生作用。隨著溫度的升高，鈦及鈦合金吸收氫、氧、氮的能力也隨之明顯上升，大約在250℃左右開始吸收氫，從400℃開始吸收氧，從600℃開始吸收氮，這些氣體被吸收后，將會直接引起焊接接頭脆化，是影響焊接質量的極為重要的因素。
展開 納米力學表征3D打印鈦及鈦鋁合金的應用
其后續機械加工余量小、材料利用率高、周期短、成本低，同時大功率激光可制備難熔金屬構件，且可以根據零件的工作條件和服役性能要求,改變局部激光熔化沉積材料的化學成分和顯微組織,實現多相合金、梯度材料的近凈成形。多相合金材料及梯度材料的綜合力學性能往往取決于其單相或單組分的力學性能。然而，通常增材制造材料的組織結構復雜并且晶粒尺寸極小，傳統辦法很難精細表征每一相的力學性能。因此，準確表征增材制造材料微觀尺度下相或組元的力學性能，對于理解并調控結構件整體的力學性能具有重要意義。
南極熊3D打印網獲悉，近期，加拿大多倫多大學材料系鄒宇教授課題組（https://mse.utoronto.ca/faculty-staff/professors/zou-yu/）與北京航空航天大學大型金屬構件增材制造國家工程實驗室合作采用高速納米壓痕技術（1個壓痕/約1秒）對3D打印雙相鈦合金（TA15, Ti-6Al-2Zr-Mo-V）和γ-TiAl/Ti2AlNb梯度材料進行了高通量力學表征 （硬度H和彈性模量E）[1] [2]。圖1是3D打印示意圖和納米壓痕實驗圖。另外，兩個課題組對于近期增材制造鈦合金的文獻也做了綜述總結[3].相關工作如下:
論文鏈接:
【1】https://link.springer.com/article/10.1007/s11837-021-04670-6
【2】https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0925838821013554
【3】https://link.springer.com/article/10.1007/s11837-021-04670-6
△圖1. (a) 激光增材制造制備TA15鈦合金示意圖。
展開 鈦及鈦合金的焊接(二)
焊接接頭裂紋問題
鈦及鈦合金焊接時，焊接接頭產生熱裂紋的可能性很小，這是因為鈦及鈦合金中S、P、C等雜質含量很少，由S、P形成的低熔點共晶不易出現在晶界上，加之有效結晶溫度區間窄小，鈦及鈦合金凝固時收縮量小，焊縫金屬不會產生熱裂紋。
鈦及鈦合金焊按時，熱影響區可出現冷裂紋，其特征是裂紋產生在焊后數小時甚至更長時間稱作延遲裂紋。經研究表明這種裂紋與焊接過程中氫的擴散有關。焊接過程中氫由高溫熔池向較低溫的熱影響區擴散，氫含量的提高使該區析出TiH2量增加，增大熱影響區脆性，另外由于氫化物析出時體積膨脹引起較大的組織應力，再加上氫原子向該區的高應力部位擴散及聚集，以致形成裂紋。防止這種延遲裂紋產生的辦法，主要是減少焊接接頭氫的來源。
3.焊縫中的氣孔問題
鈦及鈦合金焊接時，氣孔是經常碰到的問題。形成氣孔的根本原因是由于氫影響的結果。焊縫金屬形成氣孔主要影響到接頭的疲勞強度。
防止產生氣孔的工藝措施主要有：
?。?）、保護氖氣要純，純度應不低于99.99%
（2）、徹底清除焊件表面、焊絲表面上的氧化皮油污等有機物。
（3）、對熔池施以良好的氣體保護，控制好氬氣的流量及流速，防止產生紊流現象，影響保護效果。
?。?）、正確選擇焊接工藝參數，增加深池停留時間使用權于氣泡逸出，可有效地減少氣孔。
三、鈦板手工鎢板氬弧焊焊接試驗
鈦及鈦合金焊接生產中應用最多是鎢極氬弧焊，真空充氬焊接方法應用也很普遍。氬弧焊的電弧在氬氣流的保護與冷卻作用下，電弧熱量較為集中，電流密度高，熱影響區小，焊接質量較高。
1.鈦及鈦合金焊接時，當溫度高于500℃~700℃時，很容易吸收空氣中的氣、氫和氮，嚴重影響焊接質量。
展開 鈦及鈦合金新工藝、新技術、新用途介紹
高溫鈦合金的使用溫度極限遠遠高于普通鈦合金。目前美國已經制備出了新型高溫鈦合金。
(6)鈦鎳合金
鈦和鎳組成的合金，被成為“記憶合金”，這種合金制成預先確定的形狀，再經定型處理后，若受外力變形，只要稍微加熱便可恢復原來的面貌。這種合金可用于儀器儀表、電子裝置等各種領域。
4、結語
鈦擁有許多金屬無法比擬的優點，隨著社會的進步、科技的發展，鈦及鈦合金的應用將更加廣泛，人類對鈦和鈦合金的需求將日益增大，而生產成本高是限制鈦及鈦合金推廣使用的主要原因之一。因此，開發與應用低成本、大規模及生態環保的連續化生產工藝，才能使鈦及鈦合金得到更加廣泛的應用。
展開 鈦及鈦合金新工藝、新技術、新用途介紹
高溫鈦合金的使用溫度極限遠遠高于普通鈦合金。目前美國已經制備出了新型高溫鈦合金。
(6)鈦鎳合金
鈦和鎳組成的合金，被成為“記憶合金”，這種合金制成預先確定的形狀，再經定型處理后，若受外力變形，只要稍微加熱便可恢復原來的面貌。這種合金可用于儀器儀表、電子裝置等各種領域。
4、結語
鈦擁有許多金屬無法比擬的優點，隨著社會的進步、科技的發展，鈦及鈦合金的應用將更加廣泛，人類對鈦和鈦合金的需求將日益增大，而生產成本高是限制鈦及鈦合金推廣使用的主要原因之一。因此，開發與應用低成本、大規模及生態環保的連續化生產工藝，才能使鈦及鈦合金得到更加廣泛的應用。
展開 鈦及鈦合金金相制備及微觀組織欣賞
在過去五十年里，鈦及其合金變得越來越重要，因為它們密度低，比強度高，耐蝕性以及力學性能。在消極的方面，這種合金生產起來太貴。鈦，像鐵一樣，有同素異形體，在熱處理與鋼有許多相似之處。而且，考慮到合金元素對對合金穩定性的貢獻，包括低溫相，α相，或者高溫相，β相，合金元素的影響也采用相似的方式進行評估。
就像鋼一樣，Ti及其合金在于它們穩定的室溫相，α合金，α-β合金以及β合金，但也有另外兩類：近α和近β合金。鈦及其合金的金相比鋼更難制備。它們的研磨和拋光速率更低。激烈的切割或研磨在α合金中通常會引入變形孿晶。
鑒于可能會改變氫化物的含量或形態，鈦及其合金樣品最好采用冷鑲而不是熱鑲。鈦合金在制備過程中污漬或劃痕是相當難除去的，尤其是純鈦。
前期的機械研磨過程時間相當漫長，在最后一兩步中需要引入拋光液。文中對一些拋光液進行了總結。獲得相當好的拋光表面這個問題已經引起了相當大的興趣在電解拋光過程中。
鈦及鈦全金機械拋光方法一直依賴這些古老的程序直到進入20世紀70年代和80年代?？赡苁讉€刊發的現代方法是在Springer和Ahmed在1984年。
這就是三步流程，假設平面研磨步驟可以用320號粒度SiC砂紙，這可能不總是可行。如果試樣切片采用硅片切割，或采用適當粘結強度的磨料刀片，以最小的損傷產生一個平滑的表面，隨后可以使用320號粒度SiC砂紙。如果產生損傷更大的粗糙表面，比如使用了電源鋼鋸，那么研磨就必須使用粗糙度更大的砂紙。程序如下：
■ 濕法研磨采用320#砂紙，研磨2-3分鐘，獲得沒有切割破壞痕跡的樣品平面。
■ 粗拋采用9μm METADI? 牌金剛石拋光膏，在帶孔的TEXMET?牌的拋光布上，熱水10-15分鐘，采用蒸餾水作為潤滑劑。
展開 
如何使用深熔氬?。↘ tig）焊接鈦及鈦合金
鈦合金焊接應用
鈦合金K TIG深熔氬弧焊接的材料范圍在3毫米和16毫米之間。在此厚度范圍內，1G和2G位置均可實現完全穿透式對接焊接，單道次焊接，以及鈦合金縱縫和環縫焊接，鈦合金壓力容器，管道和罐體非常適合應用這一工藝。熔深是K TIG深熔氬弧焊對焊接生產率產生巨大影響的關鍵，實現全焊透而不需要邊緣坡口的能力可節省大量時間和資源，降低成本并增加利潤。相比之下，傳統的TIG焊接工藝需要復雜的V型或J型槽制備工藝，其中在槽制備過程中將金屬母材去除再填充昂貴的焊絲，并且為了確保一致性，必須由昂貴的機器制備。
由于傳統鎢極氬弧焊熔深局限性，在焊接鈦合金中厚板時需要多層多道施焊，不僅消耗大量的昂貴焊絲和保護氣體，焊接效率也非常低。
鈦合金因焊接時很容易扭曲而聞名，K TIG深熔氬弧焊一次完全穿透材料的焊接能力意味著收縮和變形顯著減少，這對于管道焊接尤其有益。
K TIG深熔氬弧焊是自動焊接工藝， 自動化的要求非常簡單：穩定一致的行駛速度和堅固的操作架。 K TIG深熔氬弧焊系統可以與客戶現有設備如操作機，滾輪架，變位機，拼板機以及機器人進行整合，節省投資成本
在鈦合金焊接中使用這種工藝的其他好處包括：
組對準備和設置，在生產制造環境中很難實現對接零間隙和錯邊。K TIG深熔氬弧焊有能力在板厚15%的錯邊和間隙的情況下維持穩定的熔池，這是其他小孔焊接工藝（例如等離子弧焊接和激光焊接）無法比擬的。
清洗， K-TIG的清洗要求是氬弧焊接的典型要求。 在鈦合金中，吹掃氣體對于確保清潔根部焊道是必需的， 當用K-TIG焊接鈦合金時，我們建議用100％氬氣吹掃。
保護氣體， 用深熔氬弧焊對鈦合金進行焊接的首選保護氣體用100％氬氣焊接。
耗材，比如焊絲和氣體。
展開 鈦與鈦合金沖壓成形研究進展及應用現狀
與瓜瓣焊接球殼相比，整體沖壓成形半球殼的焊縫明顯減少，均勻性、一致性相對更好，疲勞壽命也會大幅提高。我國深潛器載人艙球殼研究起步相對較晚，2015年5月，我國首個4500m載人潛水器載人球殼在中國船舶重工集團公司第七二五研究所出廠，該球殼采用近α型鈦合金制造，先將鈦合金厚板分瓣沖壓成形，再進行組裝并焊接成球，球殼直徑為2.1m，是我國首次利用沖壓成形技術成功制造的大規格鈦合金半球殼。
日常生活領域
隨著鈦與鈦合金沖壓成形技術的不斷提高，以及低成本鈦合金的開發，鈦與鈦合金沖壓制品在日常生活領域中也得到了廣泛的應用。1953年日本光學工業公司將鈦合金沖壓成形件成功應用于尼康F相機焦點快門的金屬簾；1990年推出首架全鈦外殼照相機；京陶的G1（1994年）和G2（1996年）、富士的APS（1997年）照相機上都采用了鈦合金沖壓成形件外殼；富士通公司于1999年推出了鈦合金外殼的筆記本電腦INTERTOP CX300；部分手表外殼、手機外殼、筆筒和水杯等也利用鈦合金取代了傳統材料。此外，西北有色金屬研究院通過沖壓成形技術研發出一款重量輕、抗腐蝕性能好、無毒的純鈦鍋（圖1），已經進入了很多消費者的廚房。
圖1 純鈦鍋
其他領域
除了航空航天、海洋和日常生活領域外，鈦與鈦合金沖壓件也應用到了生物醫療和國防軍工等領域。由于鈦與鈦合金有很好的生物相容性，因此，通常被用于心臟起搏器、腦刺激器、脊髓刺激器、迷走神經刺激器等植入式有源醫療器械的外殼。此外，國防領域方面，我國某100mm迫擊炮座板是通過TA7鈦合金板整體沖壓成形得到的，西北有色金屬研究院研制的鈦合金頭盔（圖2）也是通過沖壓成形制成的。
結束語
鈦與鈦合金具有比強度高、抗腐蝕性能好、生物相容性好等優點，鈦與鈦合金沖壓成形工件廣泛應用于航空航天、海洋、生物醫療和國防等領域。
展開 LS-DYNA鈦合金切削仿真
LS-DYNA鈦合金切削仿真，歡迎合作交流。
鎳鈦合金 顱內支架
工作遇見瓶頸怎么辦，來技術鄰找找辦法
吧里有沒有近三年內，碩士研究課題是鎳鈦合金的哇
