收藏词条 编辑词条 钛合金
钛合金(titanium alloy)
以钛为基含有其他合金元素和杂质的合金。是铁材料主要组成部分。自钛工业发展以来，先后投入生产的合金牌号已超过100种，进行批量生产的约有30～40种，而在航空和民用工业广泛应用的合金只有10余种，主要是Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn合金。20世纪70年代末，耐热钛合金、高强高韧钛合金的研制和生产有了明显的增长。
特点 钛合金和其他金属材料相比，具有下列特点：(1)在-253～600℃范围内，比强度(抗拉强度／密度)高，抗拉强度可达1200～1400MPa，而密度仅为钢的60％；(2)耐热性好，耐热钛合金最高使用温度已达600℃；(3)耐蚀性能优异，在适当的氧化性环境中可形成一种薄而坚固的氧化膜，有抵抗多种介质侵蚀的能力；(4)低温性能良好。
分类 钛合金根据存在于它们组织中的相可分为3类：α型、α+β型和β型钛合金。中国分别用TA、TC、TB作为字头，其后标名合金顺序号。除按组织分类外，也可根据工艺方法分为变形钛合金、铸造钛合金和粉末冶金钛合金。按使用性能可分为结构铁合金、耐热钛合金、耐蚀钛合金、低温钛合金和功能钛合金等。
α型钛合金 含有“稳定剂，在室温稳定状态下基体为α相的钛合金。α型钛合金具有良好的耐热性和组织稳定性，是发展耐热钛合金的基础。其缺点是变形抗力较大，不能热处理强化，强度中等，抗拉强度大多在1000MPa以下。α型钛合金密度小，焊接性能好，低温性能也优于其他类型的钛合金。典型代表是Ti-5Al-2.5Sn合金。
近α型钛合金 α型钛合金中加入少量β稳定剂、在室温稳定状态8相含量一般低于10％的钛合金。常用合金元素有：钒、钼、铌、硅等，可改善合金的加工塑性，并进一步提高常温和高温性能。根据添加组元的性质，退火组织中将包含少量β相或金属间化合物，可称此类合金为近α型或α加化合物型钛合金。前者如Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si合金；后者如Ti-2Cu、Ti-5Al-2.5Sn-1.5Zr-3Cu合金等。近α型或α加化合物型合金具有一定的热处理强化能力。
α+β型钛合金 含有较多的β稳定剂、在室温稳定状态由a和β相所组成的合金。α+β型合金的优点是，可通过调整成分使合金中的α和p相的比例在很宽的范围内变动。为了提高强度，α+β型钛合金可进行固溶处理和时效处理，热处理的强化效果随β稳定组元浓度的增加而提高，一般为25％～50％，个别合金可达80％。
α+β型钛合金的耐热性一般不如α型钛合金，时效强化效果大多只能保持到450℃，通常在中温范围内使用，但某些高铝的α+β型合金仍有较高的耐热性，如Ti-6.5A1-3.5Mo-2Zr-0.3Si合金可在450～500℃范围内使用。为了满足高温下保持较高强度的特殊要求，发展了Ti-6Al-2Sn-4zr-6Mo和Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2C卜025Si合金。
a+β型钛合金热加工工艺性良好，变形抗力较小，但合金的组织及性能对工艺参数十分敏感。因此，为获得优质的毛坯或半成品，必须严格控制热工艺规范。这类合金的焊接性不如a型钛合金。a+β型钛合金应用广泛，尤其是Ti-6Al-4V合金应用面更广。
β型钛合金 含有足够的β稳定剂、在适当冷却速度下能使其室温组织全部为β相的钛合金。包括热力学稳定β型合金和亚稳定B型合金。前者在钛中加入足量的β稳定化元素，通过淬火或某些情况下的空冷，可得到室温时的β组织；后者合金元素只需高于临界浓度，通过淬火处理，就可获得单一的亚稳定口相组织。稳定型B合金只作为耐蚀材料使用，如Ti-32Mo；而作为结构材料主要应用亚稳定型口钛合金，如Ti-15V-3Sn-3Cr-3Al、Ti-3A1-8Mo-11Cr、Ti-3Al-5Mo-5V-5Cr、Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn合金等。β型钛合金具有良好的工艺塑性，便于加工成形，时效处理后强度可达1280～1380MPa。
亚稳定β型钛合金的缺点是：密度较大，对杂质元素敏感性高，组织不够稳定，耐热性较低，不宜在高温使用，冶金工艺较复杂，成本高，切削加工较困难，焊接性较差。这类合金由于强度高、成形性好和高的淬透性，只要克服由成分带来的不足，就会得到更广泛的应用。
成分和性能 钛合金的性能是由钛和添加的合金元素间相互作用而决定的。合金元素对钛合金的强化机制和组织、性能具有重要影响。
合金元素 纯钛具有同素异晶转变，故以钛为基的合金通常都有这种转变，只是转变的温度随合金元素的性质和含量不同而不同。钛合金中最常用的合金元素有10余种，其主要强化途径是固溶强化和沉淀硬化。前者是通过提高a相或β相的固溶浓度而提高合金性能；后者是借助热处理获得高度弥散的α+β或α+金属间化合物以达到强化的目的。钛中各合金元素的强化效果(按每添加1％合金元素抗拉强度的增值Δσb计)分别是：硅120、铁75、锰75、铬65、钼50、铝50、钒35、锡25、锆20、铌15MPa。钛合金利用单相或复相固溶强化，可使其抗拉强度从纯钛的450MPa增加到1000～1200MPa，如再结合适当的热处理，强化效果还可提高25％～50％，个别合金的抗拉强度可达1800～2000MPa。根据合金元素对钛相变温度的影响和对α-钛、β-钛的作用性质，可将钛中的合金元素分为3类。
(1)α稳定元素。可以提高钛的同素异晶转变温度，扩大α相区和增加α相的热力学稳定性。α稳定元素较多固溶在α相内，在复相合金中优先溶于α相，是强化α相的主要元素。常见的α稳定元素有铝、镓、硼、氧、氮、碳等，其中铝最为重要，实际上几乎所有的钛合金都含有铝。钛同铝相变复杂，而使钛合金强化，它不仅可明显提高钛合金的弹性模量、常温和高温强度，还可以提高α+β型合金的时效硬化能力，改善合金的抗氧化性能，降低合金的密度并抑制ω相的析出。铝在钛中的极限溶解度为7.5％左右，超过此值出现有序相Ti3Al，对合金的塑性、韧性和应力腐蚀具有不利影响，故一般铝的添加量不超过7％。用铝进行合金化，不能提高钛合金的腐蚀稳定性，所以一般耐蚀钛合金中不含铝。
(2)β稳定元素。稳定β相，降低β⇔α转变温度，扩大β相区，在复相合金中优先溶于β相内。还可以将其再划分为β共晶型和β共析型2种。前者有钼、铌、钽、钒等，它们和β-钛有相同的晶体结构，且原子尺寸相差不多，因此能在β-钛中无限固溶，不会发生由β相分解为α相和中间化合物。共析型β稳定元素除降低同素异晶转变温度外，还有共析转变作用。在极缓慢冷却条件下，β相能转变成α相加其他相或化合物。根据共析反应速度的差别，其中的锰、铬、铁、镍、钴的共析反应温度较低，转变速度极慢，故也称为惰性共析型元素；而硅、铜、银等元素的共析转变速度极快，淬火也无法抑制其进行，所以不能将β相稳定到室温，因此称之为活性共析元素。
β稳定元素是配制中温以下使用的高强钛合金不可缺少的元素，除增强热处理强化效应外，也可改善合金的加工塑性，降低变形抗力和加工温度。由于β稳定元素优先溶于β相，具有较高的强度水平，因此合金组钛tai织中β相所占的比例既和成分有关，也决定着合金平均强度的变化。在钼、钒、钽、铌等β同晶型元素中，以钼的固溶强化作用最显著，钒次之，钽和铌最弱。这类元素由于不形成金属间化合物，可保证合金具有较高的综合性能。
共析型β稳定元素对合金具有突出的强化作用，尤其是在时效状态。因此，在高强钛合金中普遍采用。共析转变温度较高的硅、铜等，当其含量不超过α相极限溶解度时，可改善蠕变性能，故耐热钛合金中常添加O.25％～O.4％的硅。铁、铬等惰性B共析元素具有强烈稳定β相的能力，大多应用于高温亚稳定型β合金中。
(3)中性元素。对相变温度影响不大，在α相和β相中均可无限固溶，如锡、锆、铪等。它们有助于固溶强化和延迟钛合金某些有害的转变(如ω相的形成)，是常用的合金元素。锡和锆等中性元素，一般不单独使用，而是作为多元合金的补充强化剂。为了保证耐热钛合金的组织是以“相为基，除铝以外，就只能依靠中性元素来进一步提高合金的热强性。但含锡量过高也会形成有序相Ti3Sn，使合金的塑性和热稳定性下降，为此提出：钛合金中α稳定元素和中性元素的总量，折合成铝当量应遵循：％Al+1/3(％Sn)+1/6(％zr)+4(％Si)+10(％O)≤8％。
力学性能 钛合金的力学性能与合金成分、变形的热力学参数、加热条件、冷却条件、热处理规范以及由此产生的组成物形貌有关。表中列出钛合金的名义成分和平均力学性能。
钛合金的名义成分和平均力学性能
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室 温 |
极值温度 |
夏氏 |
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|||||||
名义成分／％ |
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拉伸 |
屈服 |
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断面 |
试验 |
拉伸 |
屈服 |
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断面 |
冲击 |
硬度 |
a合金： |
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5A1-2．5SrL(低氧) |
退火 |
807 |
745 |
16 |
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—195 |
1241 |
1158 |
16 |
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27 |
35 |
近a合金： |
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续表
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室 温 |
极值温度 |
夏氏 |
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|||||||
名义成分／％ |
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拉伸 |
屈服 |
|
断面 |
试验 |
拉伸 |
屈服 |
|
断面 |
冲击 |
硬度 |
6A1-2Sn-4Zr-2M0 |
双重退火 |
979 |
896 |
15 |
35 |
315 |
772 |
586 |
16 |
42 |
|
32 |
5AI-5Sn-2Zr-2MO-0.25Si |
975 C／0．5h· |
1048 |
965 |
1 3 |
|
315 |
793 |
565 |
15 |
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6Al-2Nb-1Ta-1Mo |
轧制2．5cm |
855 |
758 |
13 |
34 |
315 |
586 |
462 |
20 |
|
31 |
30 |
5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.25Mo-0.3Si(IMl829) |
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5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb- |
近口热处理 |
≥1030 |
≥910 |
≥6 |
≥15 |
600 |
≥585 |
≥450 |
≥9 |
≥20 |
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α-β合金： |
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6Al-4V |
固溶+时效 |
1172 |
1103 |
10 |
25 |
315 |
862 |
703 |
10 |
28 |
|
41 |
6A1-4V(低氧) |
退火 |
896 |
827 |
15 |
35 |
195 |
1517 |
1413 |
14 |
|
24 |
35 |
3A1-2.5V |
退火 |
689 |
586 |
20 |
|
315 |
483 |
345 |
25 |
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|
6A1-2Sn-4Zr-6Mo |
固溶+时效 |
1269 |
1172 |
10 |
23 |
31 5 |
1020 |
841 |
18 |
55 |
|
|
6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.25Si |
固溶+时效 |
1276 |
1138 |
11 |
33 |
315 |
979 |
807 |
14 |
27 |
|
|
6.5A1-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si |
双重退火 |
1030 |
900 |
10 |
30 |
500 |
685 |
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β合金和近β合金： |
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8Mo-8V-2Fe-3A1 |
固溶+时效 |
1310 |
1241 |
8 |
|
315 |
1131 |
979 |
15 |
|
|
40 |
3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr |
固溶+时效 |
1448 |
1379 |
7 |
|
315 |
1034 |
896 |
20 |
|
10 |
42 |
11.5Mo-6Zr-4.5Sn |
退火 |
883 |
834 |
15 |
|
315 |
724 |
655 |
22 |
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15Mo-3A1-2.8Nb-0．2Si(β321s) |
固溶状态 |
920 |
880 |
≥8 |
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|
5Mo-5V-8Cr-3Al |
淬火状态 |
≤980 |
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20 |
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弯曲角 |
10V-2Fe-3Al |
固溶+时效 |
1276 |
1200 |
10 |
19 |
205 |
1117 |
1048 |
13 |
33 |
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展望 从扩大应用市场、降低成本和满足新科学技术领域对钛合金材料的要求考虑，钛合金的发展方向是：(1)开发具有更高强度／密度比、且塑性加工和冷成形性良好的新合金。(2)开发能降低钛材料成本的廉价新型钛合金。(3)突破现有高温钛合金使用的“热障”温度，开发热强性更高的新型耐热钛合金、阻燃钛合金、钛铝系金属间化合物、钛基合金复合材料。(4)开发具有更好耐蚀性能的新合金以满足非航空应用要求。(5)开发阻尼性良好，可作消振和消声材料的钛合金。(6)开发钛合金的低成本制造工艺。(7)开辟钛合金新的应用领域，强化应用推广工作。