鈦合金材料乃為提高航空機具飛行性能而開發的高性能材料,隨著工業技術及科技的進步及人們消費能力的提昇,其應用領域也由早期的航太工業逐漸擴展至其他領域,諸如船艇、汽車、運動休閒器材及生醫器材等行業,與人類的關係越來越密切;隨著鈦合金應用普及化之後所必須面臨的問題,則是如何克服鈦合金各種加工技術的難題。
鈦金屬可分為純鈦、α合金、α+β合金及β合金四大類。純鈦在常溫為HCP(Hexagonal Close-Packed)晶格結構(α相),在885℃左右變態成體心立方BCC(Body-Centered Cubic)結構(β相),此溫度稱為β變態點。在純鈦中添加不同合金元素及不同添加量會改變β變態點位置,造成α+β兩相區的出現。
經合金添加後之鈦合金,在常溫為單一α相者稱α合金,在常溫為α+β相者稱為α+β合金,在常溫為β相者為稱為β合金。
(1) α 合金
α合金為α相安定元素及中性元素固溶於α相中所形成的單相合金,以Ti-5Al-2.5Sn最具代表性,此類合金高、低溫性能安定,延性及耐潛變性均佳。
(2) α+β 合金
α+β合金中,α及β相的含量受α安定元素及β安定元素的影響極大,在性能上亦有顯著不同。β相含量少則合金行為類似α合金,反之α相含量少則合金行為類似β合金。α+β合金中最具代表性的是Ti-6Al-4V。β相含量較多者有Ti-6Al-6V-2Sn及Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo等。Ti-6Al-4V之用量佔所有鈦合金用量的70%左右。
(3) β 合金
β合金在常溫下為準安定的體心立方堆積(BCC)結構,為單一β相合金。此類合金之冷間加工性較α+β合金為佳,時效硬化處理後抗拉強度可達150kgf/mm2,降伏強度可達140 kgf/mm2。具代表性的此類合金有Ti-15V-3Cr-3Su-3Al、Ti-10V-2Fe-3Al及Ti-13V-11Cr-3Al等。
早期鈦合金之開發主要是用於飛機零組件上,現今則因工業科技的進步與經濟能力的提昇,鈦及鈦合金的應用除了仍延續早期的航太、國防、石化、電廠工業之外更擴及汽機車、自行車工業、醫療器材零組件、運動休閒用品及建築景觀等行業。
鈦合金鍛件 | |
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材質特性 | 鍛造技術 |
‧比強度高 ‧耐蝕性優良 ‧低溫耐性優良 ‧400~500C高溫強度優良 ‧熱膨脹係數小 ‧疲勞強度高 ‧非磁性 |
‧傳統段造 ‧近似恆溫鍛造 ‧恆溫鍛造 ‧超塑性鍛造 ‧SPF/DB |
航太工業 | |
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‧引擎葉片 ‧軸樞 ‧迴轉軸件 ‧機身外殼 |
‧轉軸 ‧支撐座 ‧派龍 ‧尾翼片 |
民生工業 | |
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‧錶殼 ‧魔法瓶 ‧螺絲、螺帽 ‧網球拍 |
‧釣具 ‧高爾夫球頭 ‧手工具 ‧眼鏡架 |
車輛工業 | |
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‧進氣閥 ‧出氣閥 ‧連桿 |
‧彈簧承座 ‧活賽環 ‧自行車零件 |
生醫工業 | |
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‧人工關節 ‧人工骨頭 ‧人公齒床 |
‧骨釘 ‧義肢零件 |
能源、化學工業 | |
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‧渦輪葉片 ‧閥類零件 ‧管件接頭 |
‧壓力容器接頭 ‧石油探採設備零件 |
海洋工業 | |
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‧引擎葉片 ‧高壓蓄氣器 ‧結構零件 |
‧海底管路零件 ‧深海調查船零件 |
註: 螺絲圖片由甫剛公司提供