钛及钛合金的分类与性能解析

1.钛及钛合金的分类

（1）工业纯钛 工业纯钛的牌号（TA1、TA2、TA3）和性质与纯度有关，纯度越高，强度和硬度越低，塑性越好，越容易加工成形。钛在885℃时发生同素异构转变。在885℃以下为密排六方晶格结构，称为α钛；在885℃以上为体心立方晶格结构，称为β钛。钛合金的同素异构转变温度随着加入合金元素的种类和数量的不同而变化。工业纯钛的再结晶温度为550～650℃。

工业纯钛中含有的杂质元素有氢、氧、铁、硅、碳、氮等。其中氧、氮、碳与钛形成间隙固溶体，铁、硅等与钛形成置换固溶体，起固溶强化作用，显著提高钛的强度和硬度，但降低塑性和韧性。氢以置换方式固溶于钛中，微量的氢能使钛的韧性急剧降低，增大缺口敏感性，并引起氢脆。

（2）钛合金 在纯钛中加入一定量的合金元素便可得到钛合金。钛合金按性能和用途可分为结构钛合金、耐蚀钛合金、耐热钛合金和低温钛合金等；根据退火组织可分为α钛合金、β钛合金和α＋β钛合金三大类，牌号分别以TA、TB、TC加顺序数字表示。TA4～TA10表示α钛合金，TB2～TB4表示β钛合金，TC1～TC12表示α＋β钛合金；钛合金的相变温度和结晶组织发生相应的变化，强度、塑性、抗氧化性等显著提高。

1）α钛合金。通过加入α稳定元素Al和中性元素Sn、Zr等固溶强化而形成。有时也加入少量β稳定元素（质量分数小于20％）。α钛合金中的主要合金元素是Al，Al溶入钛中形成α固溶体，提高再结晶温度。w_Al为5％的钛合金，再结晶温度从纯钛的600℃提高到800℃；耐热性和力学性能也有所提高。铝还能够扩大氢在钛中的溶解度，减少氢脆敏感性。但Al的加入量不宜过多，否则易出现Ti₃Al相而引起脆性，通常铝的质量分数w_Al不超过7％。

α钛合金具有高温强度高、韧性好、抗氧化、焊接性好、组织稳定等特点，强度比工业纯钛高，但加工性能较β和α＋β钛合金差。α钛合金不能进行热处理强化，但可通过600～700℃的退火处理消除加工硬化，或通过不完全退火（550～650℃）消除焊接时产生的应力。

TA7（Ti-5Al-2.5Sn）是一种应用广泛的α钛合金，具有较好的高温强度和高温蠕变性能，540℃时蠕变强度达到516MPa，适用于制造450℃以下连续承载的构件。TA7加工后一般要进行800～850℃的退火处理，以消除应力。

2）β钛合金。含有很高比例的β相稳定化元素（如Mo、V），使马氏体转变β→α进行得很缓慢，在一般工艺条件下，组织几乎全部为β相。通过时效处理，β钛合金的强度可得到提高，强化机理是α相或化合物的析出。β钛合金在单一β相条件下加工性良好，具有优良的加工硬化性能，但高温性能差，脆性大，焊接性较差，易形成冷裂纹，在焊接结构中应用较少。

3）α＋β钛合金。由α相和β相两相组织构成。α＋β钛合金中含有α相稳定元素Al，为了进一步强化合金，添加了Sn、Zr等中性元素和β稳定元素，其中β相稳定元素的加入量不超过6％（质量分数）。α＋β钛合金兼有α和β钛合金的优点，既具有良好的高温变形能力和热加工性，又可通过热处理强化。随着α相比例的增加，加工性能变差；随着β相比例增加，焊接性变差。α＋β钛合金退火状态时断裂韧性高，热处理状态时比强度大，硬化倾向较α和β钛合金大。α＋β钛合金的室温、中温强度比α钛合金高，并且由于β相溶解氢等杂质的能力较α相大，因此氢对α＋β钛合金的危害较α钛合金小。由于α＋β钛合金力学性能可在较宽的范围内变化，可使其适应不同的用途。

TC4（Ti-6A-4V）是应用最广泛的α＋β钛合金，基本相组成是α相和β相。但在不同的热处理工艺下，两相的比例、性质和形态不同。将TC4合金加热到不同温度后空冷可得到不同的组织。TC4钛合金的室温强度高，在150～350℃时具有良好的耐热性，还具有良好的压力加工性和焊接性，而且可通过焊后的固溶和时效处理进一步强化。(www.xing528.com)

2.钛及钛合金的性能特点

钛及钛合金的比强度很高，是很好的热强合金材料。钛的线胀系数小，在加热和冷却时产生的热应力较小。钛的导热性差，摩擦因数大，切削、磨削加工性和耐磨性较差。钛的弹性模量较低，不利于结构的刚度，也不利于钛及钛合金的成形和矫直。钛的主要物理性能见表11-29。

表11-29钛的主要物理性能（20℃）

工业纯钛容易加工成形，但加工后会产生加工硬化。为恢复塑性，可采用真空退火处理（700℃×1h）。钛与氧的亲和力很强，在室温条件下就能在表面生成一层致密稳定的氧化膜。由于氧化膜的保护作用，使钛在大气、高温气体（550℃以下）、中性及氧化性介质、不同浓度的硝酸、稀硫酸、氯盐溶液以及碱溶液中都有良好的耐蚀性，但氢氟酸对钛具有腐蚀作用。工业纯钛的化学活性随着加热温度的升高而迅速增大，在固态下具有很强的吸收各种气体的能力。

钛及钛合金的力学性能见表11-30。钛及钛合金具有良好的耐蚀性、塑性、韧性和焊接性。板材和棒材可用于制造350℃以下工作的零件，如飞机蒙皮、隔热板、热交换器、化学工业的耐蚀结构等。

表11-30钛及钛合金的力学性能

注：高温持久强度是持续100h条件下测得的。