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东莞市豪杰金属材料有限公司
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纯钛的塑性高，但强度低，因而限制了它在工业上的应用。为了获得要求的性能，扩大钛的使用范围，在钛中添加不同的合金元素，得到各种不同牌号的钛合金。工业钛合金的化学成分见表1。1．钛合金的分类按退火后的组织，钛合金可以分为三大类：（1）α合金及近α合金。（2）（α+β）合金。（3）β合金及近β合金。国家标准用TA代替α合金；TB代表β合金；TC代表（α+β）合金。例如TA1为工业纯钛；TB1为β钛合金；TC4为（α+β）钛合金。新试制的合金多直接沿用美国标准，用合金元素及含量来表示。例如Ti-1023合金是以钛为基，含10%钒、2%铁和3%铝的合金。2．钛合金中的合金元素根据对钛的同素异晶转变温度的影响，钛合金中的合金元素可以分为四类：（1）α稳定元素能提高钛的同素异晶转变温度，扩大α相区，亦即增大α相稳定性的元素称α稳定元素。铝以及作为杂质存在氧、碳、氮属于α稳定元素（图2（a））。图2钛合金状态图类型及各种元素的作用表1工业纯钛及钛合金的化学成分和性能牌号合金元素含量/（%）（质量）杂质元素含量不大于/（%）（质量）状态室温性能高温性能为某炉批实测数据平均值。（2）同晶型β稳定元素晶格类型与β-Ti相同，能降低钛的同素异晶转变温度，在β-Ti中无限固溶，扩大β相区，即增大β相稳定性的元素，称为同晶型β稳定元素。钼、钒、铌、钽等元素属这一类（图2（b））。（3）共析型β稳定元素能降低钛的同素异晶转变温度，扩大β相区，但只能在β-Ti中有限固溶，并引起共析转变的元素，称为共析型β稳定元素（图2（c））。这类元素包括范围较广，且共析反应速度相差十分悬殊。铬、锰、铁等元素与钛共析反应温度较低，转变速度较慢，在一般热处理条件下转变难以进行，故也称为非活性共析型元素；反之，硅、铜、氢、镍、银等元素，共析转变速度较快，淬火也无法抑制其进行，故不能将β相稳定到室温，相应称为活性共析元素。（4）中性元素锆、铪两种元素与钛性质相似，原子尺寸也十分接近，在α-Ti和β-Ti中都能无限固溶，对钛的同素异晶转变温度影响不大，因而称为中性元素（图2（d））。生产中，锡也归入中性元素。3．合金元素对组织和性能的影响钛合金中较常用的合金元素有10余种，其主要强化途径是固溶强化和沉淀强化。前者是通过提高α相或β相的固溶浓度而提高合金的性能；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（α+TiXMy）以达到强化的目的。按现有水平，钛合金利用单相或复相固溶强化效果，可使抗拉强度从纯钛的约450MPa提高到1000～1200MPa，即提高1倍左右；如再结合适当的热处理，还可进一步提高到1200～1500MPa，个别合金的σb可达1800～2000MPa。如前所述，钛中加入元素不同，可获得组织为单相或多相的合金，溶解浓度的差异、组织形态、晶粒大小等因素对钛合金的力学性能均有影响，下面分别作一简单介绍。（1）α钛合金若要使钛合金退火组织由单相α构成，添加元素应以α稳定元素为主。工业上，主要靠加入铝获得α钛合金。因此，此类钛合金，多半属于钛-铝系。添加合金元素铝是因为铝有较低的密度，能抵消加入合金中重过渡金属元素对钛合金密度的影响作用。铝能显著地使室温和高温下的α相强化，但加入量过多会出现Ti3Al相而引起脆性，因此，铝的添加量一般不**过7%（质量）。为进一步改善α-Ti合金的耐热性，钛-铝系合金中还添加锆、锡等中性元素和少量的β稳定元素。α钛合金为单相合金，不能热处理强化，只有中等水平的室温强度。但由于这类合金的组织稳定，抗蠕变性能好，可在较高温度下长期稳定地工作，是创制新型耐热钛合金的基础。航空工业常用的α钛合金有TA4，TA5，TA6和TA7等。TA7可用来制作承力较大的钣金件和锻件。对于α钛合金，惟一的热处理方式是退火。（2）β钛合金是退火组织完全由β相构成的合金。从钛与同晶型β稳定元素的状态图（图3）可知，要得到单相β组织，合金中β稳定元素的含量必须大于Cβ，才能使β转变温度降低到室温或室温以下。据实验结果，要使合金的β转变温度下降到600℃，应分别加入30%Mo，或70%V，或50%Nb，或70%Ta；如要将β转变温度下降到温室，则加入量还要更大。这样就可能使钛由主要元素变为非主要元素，加大合金密度，降低比强度。所以，稳定的β钛合金在工业上并没有多大的实际意义。目前，稳定型β合金只有作耐蚀材料的Ti-32Mo。工业常用的β钛合金是亚稳定型近β钛合金。这类合金中β稳定元素含量无须大于Cβ，而只要大于CKB。这是因为此类合金当其加热到β相区淬火时，将发生马氏体转变，和钢一样，钛合金中马氏体转变也有一个开始温度Ms和转变终了温度Mf，它们随合金中β稳定元素含量的增加而降低，当β稳定元素含量**过CKB时，Ms下降到室温。通常将CKB称为临界浓度（图3）。亚稳定近β钛合金在固溶状态有良好的工艺塑性，便于加工成形，时效处理后可获得很高的强度性能。例如TB2（Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al）合金，固溶状态σb＜1000MPa，δ≥20%；时效后σb≈1350MPa，δ≥8%。目前，国内试制的亚稳定近β钛合良好号有：TB1，TB2，Ti-22，Ti-15-3，Ti-1023等，主要用于紧固件和飞机结构件。这类合金的缺点是对杂元素敏感性高，组织不够稳定，耐热性较低，不宜在高温下使用。另外，该类合金的冶金工艺也较一般合金复杂，焊接性较差。（3）（α+β）钛合金该合金退火组织由（α+β）两相组成。它兼有α和β钛合金的优点，即具有较高的耐热性，热加工较容易并能通过热处理强化。（α+β）型合金的优点是可以通过调整成分，使合金的组织，即α相和β相的性质与比例在很宽的范围内变动，从近α型直到近β型合金，以满足不同的设计和使用要求。从成分上，（α+β）合金一般是以Ti-Al为基再添加适量的β稳定元素。因在周期表中具有实用价值的合金元素当中大多属β稳定的组元，故（α+β）型合金成分的选择余地远远**过α合金。如在我国冶标中规定的（α+β）钛合金，就分别属于：Ti-Al-Mn系：TC1（Ti-2Al-1.5Mn），TC2（Ti-3Al-1.5Mn）Ti-Al-V系：TC3（Ti-5Al-4V），TC4（Ti-6Al-4V），TC10（Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5Fe）Ti-Al-Cr系：TC5（Ti-5Al-2.5Cr），TC6（Ti-2-5.5Al-2Cr-1Fe-2Mo）Ti-Al-Mo系：TC8（Ti-6.5Al-3.5Mo-0.25Si），TC9（Ti-6.5Al-3.5Mo-2.5Sn-0.3Si）TC11（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.25Si）其中TC10为高强钛合金，TC6，TC8，TC9，TC11，属热强钛合金，工作温度为400～500℃。（α+β）钛合金的性能不仅与β稳定元素含量而且还与热处理方式有关（见图4）。由图可见α+β合金的强度在较大范围内是可调整的，只要控制合金成分和选择适当的热处理方法，就能获得不同的组织形态，从而具有不同的性能水平。