变形钛合金的合金元素与性能特点

根据对β相转变温度的影响，可以将钛合金的合金元素分为三类。凡是提高β相转变温度的元素均称为α相稳定元素；凡是降低β相转变温度的元素均称为β相稳定元素；介于两者之间的元素为中性影响元素。中性影响元素在钛合金中所起的作用与α相稳定元素相同，因此，通常也被当作α相稳定元素看待。此外，根据所形成的是间隙固溶体还是置换固溶体，共析转变的特点是快速分解还是慢速分解，还可以将合金元素和杂质进一步划分为若干分组。在二元系相图中与钛形成包析反应的元素，如铝镓、氧、氮、碳等，都能提高β相转变温度，属于α相稳定元素；与α和β钛形成连续固溶体的元素锆和铪，以及对β相转变温度的影响不明显的元素锡、锗、铈、镧、镁等，均为中性影响因素。在中性影响元素中，锡和锆在α钛中有较大的溶解度，可作为配制钛合金时的添加元素。β相稳定元素包括与β相钛形成连续固溶体、与β相相同晶体结构的元素钼、钒、铌、钽，以及大量与钛形成共析反应的β共析元素。常见的β相稳定元素在β相固溶体中至少可以溶解3％（摩尔分数）。影响最强烈的是形成共析反应的元素镍、钴、铁、锰和铬。在与β相相同晶体结构的元素中，钼是使β相转变温度降低得最多的元素，因此称为强β相稳定元素。

1.α型钛合金和近α型钛合金

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。工业纯钛的特性在4.1.4节中已经论述过。这里只介绍其他类型的钛合金。低铝当量近α型钛合金的典型代表是国产TC1合金和俄罗斯的OT4-0、OT4-1合金。它们的共同点是具有较低的室温抗拉强度和较高的工艺塑性，这是由于合金在平衡状态下含有少量的β相（2％～4％）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℃中的工作寿命可达2000h，在300℃中可达3000h适合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型钛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间化合物从而实现热处理强化。

高铝当量近α钛合金的典型代表是英国发展的IMI系列的热强钛合金以及美国发展的Ti-811、Ti-6242、Ti-5621S、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固溶强化基础上的，是最有希望用于500℃以上长时间工作的合金。这些合金中都含有一定数量的强α相稳定元素铝。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β相稳定元素，以减缓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相稳定元素以改善工艺塑性，使压力加工性能优于只含有α相稳定元素的合金。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。

2.马氏体α+β型钛合金 最常用的TC4（Ti-6Al-4V）、TC6（相当于BT3-1）、TC11（BT9）、BT8和Ti6246（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，还含有一定数量的β相稳定元素钼或钒等。加入适量的β相稳定元素特别是强β相稳定元素钼，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。马氏体热强钛合金由于含有较多的β相，可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)

低铝当量马氏体α＋β型钛合金，作为可热处理强化钛合金已获得一定的应用。这些合金由于含有较多的β相稳定元素，β相的数量和稳定程度都有明显的提高。长时间工作温度可达400℃左右。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合金的淬透性较小；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。目前，这类钛合金仅用于紧固件和小型结构件。

3.近亚稳定β型钛合金

近亚稳定β型钛合金出现得较晚，其典型代表是β-Ⅲ和Ti-10V-2Fe-3Al合金。这些合金中的β相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。β-Ⅲ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和固溶处理状态下具有非常好的工艺塑性和成形性，淬透面尺寸达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型合金的良好的拉伸塑性、高的弹性模量结合在一起。发展适合于等温锻造的近亚稳定β型钛合金是扩大钛合金在飞机结构上应用的重要途径。 4.亚稳定β型钛合金 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，经过时效可获得较高的室温抗拉强度，并且具有较好的焊接性能。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℃。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；又由于含有大量的钼、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。