钛合金

到α’＋ 残余β相组织。
当含量达到C2时，马氏体转变完全被抑 制，只有残留β相（机械不稳定，在应力 作用下分解）存在。 当含量≥C3时，为机械稳定β相（非热力
学稳定，回火时分解）。
当元素含量超过C4时才得到室温热力学 稳定的β相。
β相稳定元素含量与淬火快冷 组织关系示意图
气体杂质元素的分类与作用
第十一章
钛合金
序
发现于18世纪末。
言
但由于化学活性高，提取困难，直到1910年金属钛才被 美国科学家用钠还原法(亨特法)提炼出来。 1936年卢森堡科学家克劳尔用镁还原法(克劳尔法)还原 TiCl4，制得海绵钛，奠定了金属钛生产的工业基础。其
技术转让到美国，1948年在美国首先开始海绵钛的工业
控制第二相的数量、大小和分布。
典型合金Ti-13V-11Cr-3Al，经固溶淬火冷成形及时效处理，可获得高强
度。该合金已成功制作SR-71飞机的蒙皮。
要进一步提高强度，先要解决韧性低问题。 细化β晶粒可以提高塑性，但不能提高断裂韧性；通过形变热处理改善
断裂韧性。
钛合金的发展趋势
全世界已研制了几百种钛合金，但投入工业生产的不到100种。我国研制 的钛合金有近60种。列入国家标准的已有40余种。 目前钛合金发展的趋势是发展竞争力更强的钛合金，实现高性能化、多 功能化和低成本化。
钛合金的分类
按其成分和室温下的组织分为三类：
α-钛合金 ：显微组织是α相，含有α相稳定元素及一些中性强
化元素。主要元素是铝、锆、锡等。典型合金有Ti-8Al-1Mo-1V。
α+β钛合金 ：显微组织是α+β相，含有较多的α相稳定元素
和β相稳定元素。
β钛合金和近β钛合金 ：含有大量的β相稳定元素，多数还
别达750℃和900℃，高铌的TiAl基合金甚至可达1000~1100℃。这些高比强、高比 模、抗氧化的钛合金，可向镍基超合金挑战，用于航空发动机的“热端”(涡轮部 分)。α2和γ型合金已进入工程评价阶段，预计在近10年内可获得实际应用；
c)发展以SiC纤维增强的钛基复合材料和以TiC或TiB颗粒增强的钛基复合材料。
氧
稳定α相元素，提高α→β相转变温度。占据八面体间隙位置，产生点阵畸变，
提高强度、降低塑性。
氮
与氧类似，是强稳定α相元素，提高α→β相转变温度，强烈提高强度而降低
塑性。
氢
稳定β相，降低塑性和韧性。 钛中的氢很容易引起“氢脆”。335℃时氢在α-Ti中的溶解度为0.18%，并
随温度降低而迅速下降，从钛固溶体中析出氢化钛而引起的脆性。
如Ti-6Al-4V合金采用960℃/1h + 700℃/2h空冷热处理
钛合金的强韧化、应用与发展
近α和α钛合金
这类合金的机械性能对热处理不敏感，因为总是α相没有相变。通过冷加
工和随后退火控制α相形态和大小，通过固溶强化强化α相。
经β相热加工冷却得到片状魏氏组织α结构；α相热加工冷却得到等轴组
近α钛合金可通过控制冷速得到细的网篮状组织。
钛合金热处理基础
α＋β钛合金
通过淬火时效可得到细晶粒α+β结构，一次α相的比例 相对较高，这样可得到很好的热疲劳性能。 提高固溶温度时，得到较多大晶粒β相转变产物，则断 裂韧性较高。 合理的热处理是综合上述两方面的优点，得到细的等轴 α相和转变后的β相，得到好的综合性能。
钛的低温性能很好，在液氮温度下仍有良好的机械性能，强度高而 仍保持有良好的塑性和韧性。
钛的基本特性
钛的弹性模量较低（120GPa），属中等，约为铁的54%，比模量稍低于钢适 于做弹性元件，但加工时回弹比较大。合金化可使钛弹性模量发生很大变化。 具有导热系数和线膨胀系数均低的特性。钛的比热容与不锈钢相当，电阻率 比不锈钢稍大。 钛的导磁率近乎为1.0，非磁性(严格说为顺磁性)。制成的潜艇，既能抗海 水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。同时，由于钛 无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监护作用。
二元相图上不产生β相共析分解，但慢冷时析出α相，快
冷时有α’马氏体相变，包括Mo、V、Nb、Ta等。稳定β 相的能力是Mo＞V＞Nb系
当β相稳定元素含量较低时，β发生马氏 体相变，形成α’相。
当含量达到C1之前，β相发生完全的马氏
体相变；
在C1到C2区间，可以有部分β相残留，得
SiC纤维增强的钛基复合材料技术已比较成熟，它将使航空发动机的结构发生革命 性变化，实现压气机的“叶盘一体化”，使发动机的推重比达到20以上。
钛合金的发展趋势
发展综合性能更好的高强钛合金。高强钛合金目前已达到σb≥1250MPa
水平，其强度可与30CrMnSiA优质结构钢媲美，但其延伸率与断裂韧性 (KIC)及弹性模量还差一些，耐热性在350℃以下。人们正努力提高其综合性能， 如近年研制出了既高强又耐热的β 21S合金。 发展耐蚀性更好的钛合金。特别是发展在还原性介质中像Ti-32Mo一样耐蚀，但加
为β→β＋ω；
进一步增加冷速，不发生相变，得到室温介稳
的β相，或得到马氏体相变β→α的产物α马 氏体。
钛合金TTT曲线示意图（β稳定剂 超过临界浓度）
钛合金热处理基础
α钛合金和近α钛合金
一般室温组织全是α相，只是随从单相β相区冷却下来的
冷速不同，可得到不同金相形态及不同晶粒尺寸的α相。
通过热机械处理，可得到等轴α相；
含有铝、锆、锡等。
室温强度可达到α+β钛合金水平，但具有更佳的工艺性能，高温强度
比不上α+β合金。
近β钛合金的显微组织是α+β相，α强化相分布在β相基体上。
钛合金热处理基础
少数钛合金系，如Ti-Cu，可进行时效析出金属 间化合物来强化。 大多数钛合金只是通过热处理控制β→α相变以
得到预期的组织、性能和工艺特性。合金成分，
进一步发展方向：时效硬化α合金，Ti-25Cu，可冷加工和焊接，广泛用于
发动机铸件和法兰盘等。
钛合金的强韧化、应用与发展
α+β钛合金
加入4-6%的β稳定元素，从而使α和β两个相都有较多数量，而
且抑制β相在冷却时发生转变，只在随后的时效时析出，产生强 化。
可在退火态或淬火时效态使用，既可以在α+β相区也可以在β
工业纯钛
表6 工业纯钛的分类
工业纯钛的硬度是每个杂质元素强化效应叠加的结果，经验公式如下：
HB 57 196 N % 158 O% 45 C% 20 Fe%
式中杂质的百分数是质量百分数。
钛合金二元相图
β稳定元素 中性元素 α稳定元素
(a) (b) (c) (d) (e)
图11-1 钛与常见元素（溶质）间的二元相图分类
工性较好的合金。
发展多用途的专用钛合金，如新型形状记忆合金、新型储氢钛合金、恒 弹性钛合金、低膨胀钛合金、高电阻钛合金、消气剂用钛合金、抗弹钛合 金、透声钛合金、低屈强比易冷成形的钛合金和高应变速率的超塑成形钛 合金等。
发展低成本的钛合金，包括不含或少含贵重元素的钛合金，能充分利用 残留的钛合金和易切削加工的钛合金等。
生产。 中国继美、日、前苏联之后，于1958年开始钛的生产。
概 述
钛及其合金由于密度低(4.54.8g/cm3，比钢约轻
40%)、比强度高和耐蚀性好而成为一种优良的结构 材料，在航空、航天、海洋及化工机械领域非常引 人注目，在国防科技领域占有重要地位。
钛由于具有某些特殊功能(如储氢特性、形状记忆、
特别是β相稳定元素含量以及冷却速度，对β相 变有重要影响。
钛合金热处理基础
β相发生分解的TTT曲线如图所示
当温度为T3时，转变终了得β+α； 当温度为T2时，先是β→β＋ω（介稳相），再
进一步转变为β＋ω→β＋α＋ω→β＋α。
当温度为T1时，发生β→β＋ω。
连续冷却时
慢冷时，β→β＋α； 冷速增加时， 由β→β＋α→β＋α＋ω变
超弹性)和无毒、生理相容性好等特性而成为新型功 能材料和重要的生物医学材料。
钛的基本特性
钛具有两种同素异构体α及β。低温α-Ti在882℃以下稳定，具有密排 六方结构(HCP)，而高温β-Ti稳定于882℃～熔点1678℃，为体心立方 结构(bcc)。钛合金转变点随成份而变。 钛体积质量小（4.51g/cm3)，但比强度高，在-253℃~600℃范围内， 钛的比强度是最高的；塑性好，熔点高，但由于同素异性转变和高温 下吸气、氧化倾向的影响，它的耐热性为中等，介于铝与镍之间。 具有优良的耐蚀性，在室温下能很快生成一层具极好保护性的钝化 层（TiO2)。在许多介质中，其耐蚀性极高；但在还原性介质中稍差。
合金元素的分类
将钛的合金元素分成三类：
α相稳定元素，能提高α→β相的转变温度，扩大 α相区，如铝和氧、氮等； 中性元素，在α相和β相中均有较大固溶度，对α ⇔ β相变温度影响不大，如锡、锆等。 β相稳定元素，一般是降低β相的转变温度，扩大 β相区，它又可分两小类。
β相稳定元素的分类
产生β相共析分解的元素，如Cr、Mn、Fe、Cu、Ni、Co、 W等。随温度降低，β相发生共析分解，析出α相及金属 间化合物（图11-1c）。
钛的屈强比(σs/σb) 很高(达0.9~0.95)，对其应用与加工均有很大影响。
钛对超声波的阻抗较小，透声系数较高，适于做声纳导流罩之类材料。 钛具有优良的生物相容性且无毒、质轻、强度高，是非常理想的医用金属 材料，可用作植入人体的材料。
工业纯钛
工业纯钛是指含有一定量杂质的纯钛：其氧、氮、碳、铁、 硅等杂质总量一般为0.2%~0.5%。这些杂质使工业纯钛既 具有一定的强度和硬度，又有适当的塑性和韧性，可用做 结构材料。 我国按杂质含量和硬度将海绵钛(原料)分为五级(0、1、2、 3、4级)（见表5）。按杂质含量和力学性能将钛材分为5级 (TD、TA0、TA1、TA2、TA3) （见表6） 。
相进行热加工，使组织和性能有较大调整余地。
典型合金Ti-6Al-4V，用量占整个钛合金的一半。广泛用于压气机
盘件、叶片和其他锻件。
钛合金的强韧化、应用与发展
β钛合金和近β钛合金
β钛合金的β相可以残留到室温，但却是不稳定的，随后时效析出α第
二相强化。经热处理后其强度可优于α+β钛合金，同时韧性也优于 α+β钛合金。但若控制不当，β合金可产生严重脆性。
研究耐热性更高的高温钛合金。为满足高推重比航空发动机生产的需要，研
究600~650℃长时使用的钛合金。有三条途径：
a)研究传统型(以固溶体为基的)钛合金。受抗氧化性的制约，这种钛合金的极限
温度估计为650℃；
b)发展金属间化合物为基的钛合金，即Ti3Al基与TiAl基合金，其极限使用温度分
织；经α+β相热加工也得到等轴组织。
魏氏组织α片的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性能很好，而等轴α相的低周
疲劳性能和拉伸强度较高。
典型合金Ti-5Al-2.5Sn，在300℃以下使用，可以焊接，但冷加工困难。 发展方向：加入更多的α稳定元素，提高蠕变性能，但制备困难，在制备
和使用过程中易产生脆性。由于Al当量的限制，该合金的发展受到限制。