2019-11-06 20:47:01
南非距离加工钛合金更近一步

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业余矿物学家和化学家威廉·格雷戈尔(William Gregor)于1791年在英国首次发现钛铁矿-一种含有世界上最轻金属之一的黑沙。四年后,这种轻金属被德国化学家马丁·海因里希(Martin Heinrich)分离并命名为“钛”克拉普罗斯

钛的强度可与世界上最常用的金属钢相媲美,但密度大约为56%,重量较轻约45%。从钛铁矿中提取纯钛非常困难,因此大约145年后,这种金属才开始普遍使用。

将可控数量的其他元素(例如铬,铁,钒,铝,氮,铌,钼,钌)添加到钛中即可制成钛合金。

在钛中添加其他元素可以使其更坚固或更耐腐蚀。这与其他品质一起,使钛合金在航空航天,汽车,化学,珠宝,生物医学,建筑和其他行业中广受欢迎。

但是钛及其合金非常昂贵。由于难以从矿石中提取钛,因此制成成品涉及许多复杂的步骤,这些步骤需要大量能量并产生大量废物。例如,在最常用的航空航天工业中,11kg的钛只能制成1kg的成品。

我和我的同事们正在研究如何在南非开发可用于非航空航天领域的新型低成本钛合金。随着科学家努力降低钛合金的成本,此类研究正在世界其他地方进行。

据我所知,如果我们的工作取得成功,它们可能是南非第一种本地设计的低成本钛合金。低成本合金将为可负担的省油汽车,可负担的医疗植入物和假肢铺平道路。该行业还将创造就业机会并从销售中产生收入。

合金种类

钛合金可以三种基本形式存在-α,β以及α和β的组合-取决于所添加金属的数量和类型。

当将铝,锡,氧和氮等元素添加到钛中时,会生成Alpha钛合金。这样可使合金在高达882°C的温度下保持其组织,并提高其强度。它还具有抗腐蚀和蠕变的能力,这意味着在长时间承受高应力的情况下,变形速度很慢。

但是,α钛合金更难以形成形状,并且与其他合金相比,加热或冷却后不会改善。它们通常用于必须承受压力的航空航天结构,发动机和船只。

当添加大量元素(如铁,钒,铬和钼)时,将制成Beta钛合金。该合金的室温强度高,而高温强度差。即使在室温下,这些合金也可以很容易地形成各种形状,使它们成为整形外科植入物的诱人材料。

第三类合金结合了α和β。这意味着要添加大量的铁和铝稳定元素,例如铁和铝。这使合金具有强度和延展性的良好组合。它们是迄今为止最发达,使用最多的合金。它们适用于从航空航天到汽车和生物医学行业的广泛应用。

便宜的合金

我们的重点是制造更便宜的第三种合金:α和β的组合。

我们通过更改商用合金(称为Ti-6Al-4V)中的元素含量来实现这一目标。例如,我们用铁代替了大多数钒,因为钒稀有且昂贵,比铁贵约150倍。我们必须小心谨慎,例如,铁可能在熔化过程中分离并形成不同的化合物。

我们还减少了合金中的铝量。这是因为以前的研究报告称,含铝的钛合金难以形成,因此导致工具的磨损。

下一步是减少合金成形时的废料。将钛合金制成不同的形状通常占生产钛产品总成本的30%,并产生多达20%的废物。

为此,我们研究了可以操纵多远的微观结构(内部结构只能通过显微镜观察),以在合金中获得所需的性能。这将降低商业生产期间的成本,因为我们知道我们可以拉伸或压制合金多远而不会破裂。

生产合金

我们通过一种称为真空电弧熔化的常规技术生产了这些合金。真空电弧熔炼炉位于南非国家研究与开发机构Mintek。

这样做的局限性在于只能产生按钮大小的样本。因此,我们无法为各种测试制作样本。

我们比较了合金的硬度,发现与商业化的α和β合金相比,新型合金具有更高的硬度值。在某些情况下,它们是可比的。

我们还检查了新型合金在盐和酸溶液中的腐蚀情况,发现它们在两种溶液中均具有更好的耐腐蚀性。

我们能够在不同温度和成形速度下测试合金样品,以找到将合金成形为无缺陷形状的最佳组合。我们看到合金具有宽广的加工窗口。只需要避免少量的温度和变形速度。

还有更多工作要做

还有更多工作要做。我们无法测量这些合金的室温强度,因为我们需要更大的样品。

我们也没有研究这些合金的可焊性,也没有研究将它们机械切割成不同形状和尺寸的难易程度。钛合金的机加工约占其总成本的30%-40%。

在非洲科学院的博士后研究金计划的支持下,我们获得了资助,以继续对新开发的合金进行研究。现在,我们可以使用科学与工业研究理事会的真空感应熔炼炉生产更大的样品。

制造更大合金的主要挑战是我们必须即兴创作。我们使用的真空熔炉不是为制造新合金而设计的。南非提供正确的熔炉,但需要维修。

但是,到目前为止,我们的结果令人鼓舞。

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