隨著人們生活品質的提高,對產品審美和品質的要求也在不斷提升。越來越多的消費類產品采用合金材料來制作。金屬材料給人高端、堅固、耐用的品質感,而傳統的塑料外殼產品在消費者心中逐漸被貼上“廉價”和“低品質”的標簽。
對于消費類產品而言,常用的合金材料有鋁合金、鋅合金和鎂合金。鈦合金由于其生物相融性好,常用在醫療領域。
這四種合金,鈦合金最硬,強度也最高。硬度方面,鈦合金要遠硬于其他三種合金。就抗拉強度而言,鈦合金強于鋅合金,其次是鎂合金,強度最低的是鋁合金。
但就產品結構設計而言,還需要考慮重量,如果將比重考慮進去,鋅合金由于密度最大,比強度反而最小。鈦合金和鎂合金比強度高,但鈦合金價格昂貴,加工性能不好,因此在需要綜合考慮重量和強度的結構件中,多采用鎂合金。
鈦是一種新型金屬,鈦的性能與所含碳、氮、氫、氧等雜質含量有關,最純的碘化鈦雜質含量不超過0.1%,但其強度低、塑性高。99.5%工業純鈦的性能為:密度ρ=4.5g/立方厘米,熔點為1725℃,硬度HB195。
強度高
鈦合金的密度一般在4.51g/立方厘米左右,僅為鋼的60%,純鈦的強度才接近普通鋼的強度,一些高強度鈦合金超過了許多合金鋼的強度。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。目前飛機的發動機構件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。
熱強度高
使用溫度比鋁合金高幾百度,在中等溫度下仍能保持所要求的強度,可在450~500℃的溫度下長期工作;鈦合金在150℃~500℃范圍內仍有很高的比強度,而鋁合金在150℃時比強度明顯下降。鈦合金的工作溫度可達500℃,鋁合金則在200℃以下。
抗蝕性好
鈦合金在潮濕的大氣和海水介質中工作,其抗蝕性遠優于不銹鋼;對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強;對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優良的抗腐蝕能力。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質的抗蝕性差。
低溫性能好
鈦合金在低溫和超低溫下,仍能保持其力學性能。低溫性能好,間隙元素極低的鈦合金,在-253℃下還能保持一定的塑性。因此,鈦合金也是一種重要的低溫結構材料。
化學活性大
鈦的化學活性大,與大氣中O、N、H、CO、CO2、水蒸氣、氨氣等產生強烈的化學反應。含碳量大于0.2%時,會在鈦合金中形成硬質TiC;溫度較高時,與N作用也會形成TiN硬質表層;在600℃以上時,鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層;氫含量上升,也會形成脆化層。吸收氣體而產生的硬脆表層深度可達0.1~0.15mm,硬化程度為20%~30%。鈦的化學親和性也大,易與摩擦表面產生粘附現象。
導熱系數小、彈性模量小
鈦的導熱系數λ=15.24W/(m.K)約為鎳的1/4,鐵的1/5,鋁的1/14,而各種鈦合金的導熱系數比鈦的導熱系數約下降50%。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2,故其剛性差、易變形,不宜制作細長桿和薄壁件,切削時加工表面的回彈量很大,約為不銹鋼的2~3倍,造成刀具后刀面的劇烈摩擦、粘附、粘結磨損。
鈦合金是航空航天工業中使用的一種新的重要結構材料,比重、強度和使用溫度介于鋁和鋼之間,但比強度高并具有優異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。鈦合金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。60年代中期,鈦及其合金已在一般工業中應用,用于制作電解工業的電極,發電站的冷凝器,石油精煉和海水淡化的加熱器以及環境污染控制裝置等。鈦及其合金已成為一種耐蝕結構材料。此外還用于生產貯氫材料和形狀記憶合金等。
鈦合金具有質量輕、比強度高、耐腐蝕性好等優點,故被廣泛應用在航空工業中,應用鈦合金最多的是發動機系統。
利用鈦合金制造發動機零件有很多好處。鈦合金的密度低,可以降低運動零件的慣性質量,從而使摩擦力減小,提高發動機的燃油效率。同時鈦氣門彈簧可以增加自由振動,減弱振顫。
選擇鈦合金可以減輕相關零件的負載應力,縮小零件的尺寸,從而使發動機及整機的質量減輕。零部件慣性質量的降低,使得振動和噪聲減弱,改善發動機的性能,提高發動機的轉速及輸出功率。 鈦合金在其他部件上的應用可提高人員的舒適度和美觀等。鈦合金在節能降耗方面起到了不可估量的作用。
鈦合金具有強度高而密度又小,機械性能好,韌性和抗蝕性能很好。另外,鈦合金的工藝性能差,切削加工困難,在熱加工中,非常容易吸收氫氧氮碳等雜質。還有抗磨性差,生產工藝復雜。航空工業發展的需要,使鈦工業以平均每年約8%的增長速度發展。目前世界鈦合金加工材年產量已達4萬余噸,鈦合金牌號近30種。
利用鈦合金強度大、超級耐腐蝕的特點制成的高強度彈簧,已經廣泛運用于床墊等民用領域。通過在床墊彈簧中使用鈦合金技術的品牌,其中新型的鈦合金彈簧,能順應身體曲線,達到由軟至硬、由淺入深的獨特承托效果,輕松享受深度睡眠。并且,經兩次高溫定型處理,彈簧的彈性和回復力得到有效提升,耐用度增強。