分类钛合金：了解不同类型的钛合金

按照合金在平衡和亚稳定状态的相组成，钛合金可分为α、近α、α＋β、近β、β五类；但习惯上将钛合金分为α、α＋β和β三大类。若按照使用性能特点，则可分为结构钛合金、耐热（热强）钛合金和耐蚀钛合金等类。我国钛合金国标牌号中，TA系列代表α型钛合金；TB系列代表β型钛合金；TC系列代表α＋β型钛合金。

1.按相组成分类 钛具有两种同素异构体，在882.5℃以下为α钛，具有密排六方晶格（hcp）结构在882.5℃以上直到熔点1668℃±5℃之间为β钛，具有体心立方晶格（bcc）。钛合金也可以分为铸造钛合金和变形钛合金，变形钛合金可以加工成板、带、箔、管、棒、锻件，铸造钛合金可以采用铸造工艺生产铸件。表1-2列出了世界各国典型钛合金的牌号、成分、特点及主要用途。

表1-2 世界各国典型钛合金的分类、牌号、特点及用途

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2.按使用性能分类

（1）高温钛合金　世界上第一个研制成功的高温钛合金是Ti-6Al-4V，使用温度为300～350℃。随后相继研制出使用温度达400℃的IMI550、BT3-1等合金，以及使用温度为450～500℃的IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金。目前已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有英国的IMI829、IMI834合金，美国的Ti-1100合金，俄罗斯的BT18Y、BT36合金等。近几年国外把采用快速凝固／粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向，使钛合金的使用温度可提高到650℃以上。美国麦道公司采用快速凝固／粉末冶金技术成功地研制出一种高纯度、高致密性钛合金，在760℃下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度表1-3为部分国家新型高温钛合金的最高使用温度。

表1-3 部分国家新型高温钛合金的最高使用温度

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（2）钛铝化合物为基的钛合金 与一般钛合金相比，钛铝化合物为基的Ti₃ Al（α2）和TiAl（γ）金属间化合物的最大优点是高温性能好（最高使用温度分别为816和982℃）、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和质量轻（密度仅为镍基高温合金的1／2），这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料。目前，已有两个Ti₃ Al为基的钛合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-3V-0.5Mo在美国开始批量生产。其他近年来发展的Ti₃ Al为基的有Ti-24Al-11Nb、Ti-25Al-17Nb-1Mo和Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo等。TiAl（γ）为基的钛合金受关注的成分范围为Ti-（46～52）Al-（1～10）M（摩尔分数）此处M为V、Cr、Mn、Nb、Mn、Mo和W中的至少一种元素。最近，以TiAl₃为基的钛合金开始引起人们的注意，如Ti-65Al-10Ni合金。

（3）高强高韧β型钛合金 β型钛合金最早是20世纪50年代中期由美国Crucible公司研制出的B120VCA合金（Ti-13V-11Cr-3Al）。β型钛合金具有良好的冷热加工性能，易锻造，可轧制、焊接，可通过固溶-时效处理获得力学性能、环境抗力及强度与断裂韧度的良好配合。新型高强高韧β型钛合金具有代表性的有如下几种：

1）Ti1023（Ti-10V-2Fe-3Al）。该合金与飞机结构件中常用的30CrMnSiA高强度结构钢性能相当，具有优异的锻造性能。

2）Ti153（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn）。该合金冷加工性能比工业纯钛还好，时效后的室温抗拉强度可达1000MPa以上。

3）β21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si）。该合金是由美国钛金属公司Timet分部研制的一种新型抗氧化、超高强钛合金，具有良好的抗氧化性能，冷热加工性能优良，可制成厚度为0.064mm的箔材。

日本钢管公司（NKK）研制成功的SP-700（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe）钛合金强度高超塑性伸长率高达2000％，且超塑成形温度比Ti-6Al-4V低140℃，可取代Ti-6Al-4V合金用超塑成形-扩散连接（SPF／DB）技术制造各种航空航天构件；俄罗斯研制出的BT-22（Ti-5V-5Mo-1.5Cr-5.5Al-1.0Fe），其抗拉强度可达1105MPa以上。

（4）阻燃钛合金 常规钛合金在特定的条件下有燃烧的倾向，这在很大程度上限制了其应用。针对这种情况，各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。美国研制出的Alloy C（也称为Ti-1720），名义成分为Ti-35V-15Cr（质量分数），是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金，已用于F119发动机。BTT-1和BTT-3为俄罗斯研制的阻燃钛合金均为Ti-Cu-Al系合金，具有相当优良的热变形工艺性能，可用其制成复杂的零件。

（5）医用钛合金 钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料，可用作植入人体的植入物等。目前，在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6Al-4V ELI合金，但它会析出极微量的钒和铝离子，降低了其细胞适应性，且有可能对人体造成危害，这一问题早已引起医学界的广泛关注。美国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性的钛合金，将其用于矫形术。日本、英国等也在该方面做了大量的研究工作，并取得一些进展。例如，日本已开发出一系列具有优良生物相容性的α＋β钛合金，包括Ti-15Zr-4Nb-4Ta-0.2Pd、Ti-15Zr-4Nb-4Ta-0.2Pd-0.20～0.05N、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd和Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd-0.20，这些合金的腐蚀强度、疲劳强度和耐蚀性能均优于Ti-6Al-4V ELI。与α＋β钛合金相比，β钛合金具有更高的强度水平和更好的切口性能和韧性，更适于作为植入物植入人体。在美国，已有5种β钛合金被推荐至医学领域，即TMZFTM（Ti-12Mo-6Zr-2Fe）、Ti-13Nb-13Zr、Timetal 21SRx（Ti-15Mo-2.5Nb-0.2Si）、Tiadyne1610（Ti-16Nb-9.5Hf）和Ti-15Mo。在将来，此类具有高强度、低弹性模量、优异成形性和耐蚀性的铌钛合金有可能取代目前医学领域中广泛使用的Ti-6Al-4V ELI合金。