鈦合金的應用與挑選指南

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鈦（Titanium）與鈦合金的種類、特性及應用的詳細說明：

一、鈦的基本特性

  • 成分：純鈦（Ti）密度低（4.5 g/cm³），熔點高（1668°C），耐腐蝕性強。
  • 優勢：
    • 比強度高（強度/密度比）：優於鋼和鋁合金。
    • 耐腐蝕性：表面形成緻密氧化膜（TiO₂），耐海水、氯離子、酸鹼。
    • 生物相容性：無毒，廣泛用於醫療植入物。
    • 輕量高強度: 應用於須減輕重量的 飛機，太空設施，賽車，高級自行車。
  • 劣勢：
    • 成本高（提煉與加工複雜）。
    • 高溫易氧化（>600°C需防護塗層）。

二、鈦合金的分類（按顯微組織）

鈦合金根據主要合金元素及室溫組織分為以下五類：

1. 純鈦（Commercial Pure Titanium, CP Ti）

  • 成分：99%以上純鈦，含少量氧（O）、鐵（Fe）等雜質。
  • 分級：按雜質含量分為 Grade 1~4（ASTM B348），Grade 1最軟，Grade 4強度最高。
  • 特性：
    • 優異的成型性與焊接性。
    • 強度低於合金鈦，但耐蝕性最佳。
  • 應用：
    • 化工設備：熱交換器、反應槽襯裡。
    • 建築：屋頂、外牆裝飾（耐候性）。
    • 醫療：非承力植入物（如顱骨板）。

2. α型鈦合金（Alpha Alloys）

  • 成分：添加α穩定元素（Al、O、N），如 Ti-5Al-2.5Sn。
  • 組織：全α相（六方密排結構，HCP）。
  • 特性：
    • 高溫穩定性好（<500°C），抗蠕變。
    • 低冷成型性，不可熱處理強化。
  • 應用：
    • 航空發動機：低溫壓氣機葉片。
    • 航太：火箭燃料儲罐（低溫韌性）。

3. 近α型鈦合金（Near-Alpha Alloys）

  • 成分：α穩定元素為主，少量β穩定元素（Mo、V），如 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo。
  • 組織：α相為主，含少量β相。
  • 特性：
    • 兼顧高溫強度與韌性（適用溫度550-600°C）。
    • 可焊接，但需嚴格控制冷卻速率。
  • 應用：
    • 燃氣渦輪機：高壓壓氣機盤。
    • 船舶：耐海水腐蝕管路。

4. α+β型鈦合金（Alpha-Beta Alloys）

  • 成分：平衡添加α與β穩定元素（Al、V、Mo），如 Ti-6Al-4V（Grade 5, 佔鈦合金用量50%以上）。
  • 組織：α+β雙相，可通過熱處理調整比例。
  • 特性：
    • 綜合性能最佳：高強度、良好韌性與成型性。
    • 可熱處理強化（固溶+時效）。
  • 應用：
    • 航空結構件：飛機起落架、機身框架。
    • 醫療：人工關節、骨釘（生物相容性）。
    • 運動器材：高爾夫球桿頭、自行車架。

5. β型鈦合金（Beta Alloys）

  • 成分：高含量β穩定元素（Mo、V、Nb、Fe），如 Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al。
  • 組織：全β相（體心立方結構，BCC）或β相為主。
  • 特性：
    • 超高強度（時效後可達1300 MPa以上）。
    • 優異冷成型性，但高溫穩定性差（<300°C）。
  • 應用：
    • 航空緊固件：高強度螺栓、鉚釘。
    • 汽車：賽車連桿、懸掛彈簧。
    • 眼鏡框架：輕量化與彈性。

6. 金屬間化合物強化型鈦合金

  • 成分：添加Ni、Si等形成強化相（如Ti₃Al、TiAl）。
  • 特性：
    • 高溫性能優異（650-800°C），但室溫脆性大。
    • 加工困難，需粉末冶金或精密鑄造。
  • 應用：
    • 航空發動機：渦輪葉片（替代鎳基高溫合金）。
    • 超音速飛機：耐熱蒙皮。

三、鈦合金的加工與處理

  1. 熱處理：
    • 退火：消除殘餘應力（純鈦與α合金）。
    • 固溶+時效：用於α+β與β合金（提升強度）。
  2. 焊接：
    • 常用TIG焊、電子束焊，需惰性氣體保護（防氧化）。
    • 焊後需退火消除脆性相（如α鈦中的氧污染層）。
  3. 表面處理：
    • 陽極氧化：提高耐磨性與裝飾性。
    • 熱滲氮：增加表面硬度。

四、鈦合金的應用領域

領域應用實例常用合金
航空航天飛機結構件、發動機葉片、火箭燃料箱Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn
化工/能源海水淡化裝置、核電站熱交換器CP Ti（Grade 2）、Ti-Pd合金
醫療人工關節、牙科植體、手術器械Ti-6Al-4V ELI（超低間隙）
汽車排氣系統、輕量化車身部件Ti-3Al-2.5V、β21S
消費品高級手錶錶殼、運動器材、手機框架β型鈦合金（如Ti-15V-3Cr）

五、鈦合金的選擇要點

  1. 力學需求：
    • 高強度承力件：β型或Ti-6Al-4V。
    • 高溫部件：近α型或TiAl金屬間化合物。
  2. 腐蝕環境：
    • 強酸性介質：選用含Pd或Ru的耐蝕合金（如Grade 7、Grade 16）。
  3. 成本考量：
    • 通用結構：Ti-6Al-4V（性價比高）。
    • 特殊需求：β型合金（高性能但價高）。

六、未來發展趨勢

  • 增材製造：3D打印鈦合金複雜結構（如航空輕量化網格）。
  • 低價鈦合金：開發低成本合金（如Ti-Fe-O系）。
  • 複合材料：鈦基陶瓷複材（提升耐磨與耐溫性）。

總結表格：鈦合金類別對比

類型典型牌號特性主要應用
純鈦（CP Ti）Grade 2高耐蝕、易成型化工設備、醫療植入物
α型鈦合金Ti-5Al-2.5Sn高溫穩定性航空低溫部件
α+β型鈦合金Ti-6Al-4V綜合性能最佳飛機結構、人工關節
β型鈦合金Ti-10V-2Fe-3Al超高強度、冷成型性航空緊固件、汽車彈簧
金屬間化合物TiAl（γ-TiAl）耐高溫、輕量化發動機渦輪葉片

鈦與鈦合金憑藉其獨特的性能組合，已成為高端工業與科技領域的關鍵材料。選用時需綜合考量力學需求、環境耐性與成本，並嚴格控制加工工藝以發揮其最大潛能。

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