钛合金的力学性能分析

1.铸造钛合金的力学性能

（1）民用铸造钛合金的力学性能 表1-29列出了国标GB／T 6614—2014的铸造钛合金在铸造状态下的力学性能，它主要用作民用钛铸件的检验标准。测定铸件室温力学性能时，应在每批产品的任一炉次中，从铸件本体或同炉浇注的力学性能试棒上切取试样，每批取样两个。

表1-29 铸造钛合金力学性能（GB／T 6614—2014

（2）航空用铸造钛合金的力学性能 表1-30列出了航空用铸造钛合金的力学性能这些铸件应在热处理状态下供应。力学性能试验应从铸件或附铸试棒上取样，经热处理后加工的试样不允许存在铸造缺陷。

表1-30 航空用铸造钛合金的力学性能

2.变形钛合金的力学性能

表1-31列出了各种类型钛合金的室温和高温典型力学性能数据。α型钛合金主要包括各种不同级别的工业纯钛和广泛应用的Ti-5Al-2.5Sn合金。工业纯钛的室温抗拉强度为350～700MPa，具有最高的拉伸塑性，能够用各种方式进行焊接，长时间使用温度最高可达250～300℃，主要用于制造飞机和发动机上各种受力不大的板材结构件。工业纯钛具有良好的工艺塑性，可以在冷态下成形各种板材冲压件，还具有较高的耐蚀性。Ti-5Al-2.5Sn合金具有中等的室温抗拉强度（800～1000MPa）和良好的焊接性能与工业纯钛相比，Ti-5Al-2.5Sn合金工艺塑性稍低、热强性更高，长时间工作温度可以达到450℃。

低铝当量近α型钛合金的典型代表是国产TC1钛合金和俄罗斯的OT4-0、OT4-1钛合金。它们的共同特点是具有较低的室温抗拉强度（600～800MPa）和较高的工艺塑性，这是由于合金在平衡状态下含有少量的β相（2％～4％，体积分数）的缘故。这些合金具有与工业纯钛相似的焊接性能和良好的热稳定性，长时间工作温度可达400℃，在350℃的工作寿命可达2000h，在300℃可达3000h，适于制造需要一定强度形状复杂的板材冲压焊接零件。低铝当量的近α型合金一般只能在退火状态下使用不能进行强化热处理，唯一的例外是英国的IMI230（Ti-2Cu）合金。由于铜在α钛中的溶解度随着温度降低而减少，Ti-2Cu合金淬火后，在时效过程中可以通过析出金属化合物使室温抗拉强度提高约25％。

高铝当量近α型钛合金的典型代表是英国开发的IMI系列的热强钛合金，以及美国开 发 的Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-5Al-6Sn-2Zr-1Mo-0.25Si、Ti-6Al-2Sn-1.5Zr-1Mo-0.35Bi（Ti-11）等热强钛合金。这些合金的主要特点是具有很好的高温抗蠕变能力，良好的热稳定性和较好的焊接性能。这类合金的热强性是建立在α固溶强度基础上的，是最有希望用于500℃以上长时间工作的钛合金，这些合金中都含有一定数量的强α稳定元素铝。锡和锆可以在不显著降低塑性的情况下，进一步提高钛铝合金的抗蠕变能力，但是合金中的铝当量一般控制在8％（质量分数）以下，以免析出Ti₃ Al（α2）相而引起脆化。这类合金中还经常加入少量的β稳定元素，这是为了减缓α2相的形成，从而允许在不出现脆化的情况下，提高合金中的铝当量。加入少量β稳定元素还可以改善工艺塑性，使压力加工性能优于只含有α稳定元素的合金。这些合金由于含β相很少，不能热处理强化。高铝当量近α型钛合金还具有较好的抗疲劳裂纹扩展能力和断裂韧度，但室温拉伸塑性较低。

最常用的TC4（Ti-6Al-4V）、TC6（相当于BT3-1）、TC11（相当于BT9）、BT8和Ti-6246（Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo）合金是高铝当量马氏体（α＋β）型钛合金的典型代表。这些合金除含有6％（质量分数）以上的铝和一定数量的锡和锆外，都还含有一定数量的β稳定元素钼或钒等。加入适当数量的β稳定元素，特别是强β稳定元素钼，可以提高室温抗拉强度，改善合金的热稳定性。这些合金中还经常加入微量的β共析元素硅以进一步提高合金的抗蠕变能力，目前在400～500℃温度范围内获得实际应用的热强钛合金，大部分属于这一类型。与近α型热强钛合金比较，马氏体（α＋β）型钛合金具有较高的高温抗拉强度和室温拉伸塑性，较好的室温低周疲劳强度。马氏体型热强钛合金由于含有较多的β相，可以在一定程度上进行热处理强化，但是它们的焊接性能不如近α型热强钛合金好。(www.xing528.com)

表1-31 各种类型钛合金的典型力学性能

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低铝当量的马氏体（α＋β）型钛合金，作为可热处理强化钛合金已获得了一定的应用。这些合金由于含有较多的β稳定元素，β相的数量和稳定程度都有明显的提高例如，BT14合金在退火状态下含有10％（体积分数）β相，从临界温度淬火后含有35％～40％（体积分数）β相；BT16合金在退火状态含有25％～30％（体积分数）β相，从临界温度淬火后含有55％（体积分数）β相。这些合金既可以在热处理强化状态下使用，也可以在退火状态下使用，在退火状态下的室温抗拉强度为900～1000MPa在淬火时效状态下可达1300MPa以上，长时间工作温度可达400℃左右，目前，这类钛合金仅用于紧固件和小型结构件。热处理强化α＋β型钛合金的应用，主要受两个因素限制：一是这类钛合金的淬透性较小，BT14、BT16合金的淬透截面尺寸均小于60mm二是这些合金的断裂韧度较低，若存在用现代无损探伤技术才能发现的非常细小的裂纹，在飞机上应用时就可能引起灾难性的破坏。

近亚稳态β型钛合金出现得比较晚，其典型代表是β-Ш和最近发展的Ti-10V-2Fe-3Al合金。这些合金中的β稳定元素含量稍大于临界浓度，它综合了马氏体α＋β型和亚稳定β型钛合金的优点，是当前最有发展前途的热处理强化钛合金。B-Ш合金含有大量的钼，给熔炼工艺带来了困难，并且使合金密度增加到5g／cm³以上。该合金的主要特点是在退火或固溶处理状态下具有非常好的工艺塑性和成形性，淬透截面尺寸达100mm，还有良好的抗热盐应力腐蚀能力。Ti-10V-2Fe-3Al合金是作为深淬透、高韧性钛合金发展起来的，它将亚稳定β型钛合金的深淬透、高强度、良好的断裂韧度，与α＋β型合金的良好拉伸塑性、高的弹性模量结合在一起。Ti-10V-2Fe-3Al合金在淬火时效状态下的室温抗拉强度可达1260MPa以上，淬透截面尺寸达125mm，在空气和海水介质中具有良好的断裂韧度。Ti-10V-2Fe-3Al合金可以在比Ti-6Al-4V大约低100℃的温度下进行等温锻造。发展适合于等温锻造的近亚稳态β型钛合金，这是扩大钛合金在飞机结构上应用的一条重要途径。

亚稳定β型钛合金主要包括早期发展的高强度钛合金，如美国的B120VCA，俄罗斯的BT15以及国产的TB2钛合金。这些合金在淬火状态下具有非常好的工艺塑性，经过时效可以获得高达1300～1500MPa的室温抗拉强度。固溶处理可采用水淬，也可以空冷，淬透截面尺寸高达150～200mm。这些合金还具有令人满意的焊接性能。由于合金中都含有大量的β共析元素铬，在长时间加热过程中会析出使合金变脆的金属间化合物相，因此长时间工作温度不能超过150～250℃。后期发展的Ti-8823和Ti₃8644（βc）合金只含有少量的β共析元素，Ti-38644合金的淬透截面尺寸可达225mm。亚稳定β型钛合金的β相条件稳定系数几乎达到近亚稳定β型钛合金的两倍。由于亚稳定β型钛合金时效后的拉伸塑性，特别是横向拉伸塑性非常低；同时又含有大量的钼、铬等元素，导致密度增加和弹性模量降低，因此限制了它的应用。

稳定β型钛合金，如俄罗斯的4201合金，其主要特点是具有非常高的抗腐蚀能力这种合金含有33％（质量分数）的Mo，据称有着非常好的工艺塑性，可以冷态下进行薄板轧制，合金可以用各种方式进行焊接，合金密度高达5.69g／cm³，但在500℃以上的空气中加热时，合金氧化非常厉害，这一类型钛合金不能进行热处理强化处理。