钛及钛合金典型组织
钛及钛合金的分类
钛及钛合金的分类市场供货的钛产品主要有工业纯钛和钛合金两大类：一.工业纯钛：钛属于多晶型金属，在低于882℃为a晶型，原子结构呈密排六方晶格，从882℃至熔点都是B晶型，呈体心立方晶格。
工业纯钛在金相组织上呈现a相，如果退火完全的话，是大小基本相等等轴状单项晶格。
由于存在着杂质，所以工业纯钛中也存在着少量的B相。
基本上是沿着晶界分布。
工业纯钛按GB/T3620.1—2007新标准共有九个牌号，TA1类型的有三个，TA2—TA4每个类型的各有两个，它们的差别就是纯度的不同。
从表中我们可以看出，从TA1—TA4每个牌号都有一个后缀带ELI的牌号，这个ELI是英文低间隙元素的缩写，也就是高纯度的意思。
由于Fe，C, N, H, O在a—Ti 中是以间隙元素存在的，它们的含量多少对工业纯钛的耐腐蚀性能以及力学性能产生很大的影响，C,N,O固溶于钛中可以使钛的晶格产生很大的畸变，使钛的被强烈的强化和脆化。
这些杂质的存在是生产过程中由生产原料带入的，主要是海绵钛的质量。
要是想生产高纯度的工业纯钛钛锭，就得使用高纯度的海绵钛。
在标准中，带ELI的牌号在这6个元素含量的最高值均低于不带ELI的牌号。
这些标准的修改是参照国际上或者说是西方国家的标准（我们国家的标准正在努力向西方国家靠拢，因为我们国家的很多基础工业还是比他们落后一些，很多老标准都是沿袭前苏联的），特别是在杂质的含量以及室温力学性能上各牌号的指标和国际上，以及西方国家基本上保持一致。
这个新标准主要是参照ISO（国际标准）外科植入物和美国ASTM材料标准（B265, B338, B348, B381, B861, B862, B863这七个标准）。
并且与ISO和美国的ASTM标准相对应，例如TA1对应Gr1, TA2对应Gr2, TA3对应Gr3, TA4对应Gr4。
这样有利于各个行业在选材和应用上明晰各国标准的参照，也有利于在技术和商贸上与国际上的交流。
钛及钛合金的分类
钛及钛合金的分类市场供货的钛产品主要有工业纯钛和钛合金两大类：一.工业纯钛：钛属于多晶型金属，在低于882℃为a晶型，原子结构呈密排六方晶格，从882℃至熔点都是B晶型，呈体心立方晶格。
工业纯钛在金相组织上呈现a相，如果退火完全的话，是大小基本相等等轴状单项晶格。
由于存在着杂质，所以工业纯钛中也存在着少量的B相。
基本上是沿着晶界分布。
工业纯钛按GB/T3620.1—2007新标准共有九个牌号，TA1类型的有三个，TA2—TA4每个类型的各有两个，它们的差别就是纯度的不同。
从表中我们可以看出，从TA1—TA4每个牌号都有一个后缀带ELI的牌号，这个ELI是英文低间隙元素的缩写，也就是高纯度的意思。
由于Fe，C, N, H, O在a—Ti 中是以间隙元素存在的，它们的含量多少对工业纯钛的耐腐蚀性能以及力学性能产生很大的影响，C,N,O固溶于钛中可以使钛的晶格产生很大的畸变，使钛的被强烈的强化和脆化。
这些杂质的存在是生产过程中由生产原料带入的，主要是海绵钛的质量。
要是想生产高纯度的工业纯钛钛锭，就得使用高纯度的海绵钛。
在标准中，带ELI的牌号在这6个元素含量的最高值均低于不带ELI的牌号。
这些标准的修改是参照国际上或者说是西方国家的标准（我们国家的标准正在努力向西方国家靠拢，因为我们国家的很多基础工业还是比他们落后一些，很多老标准都是沿袭前苏联的），特别是在杂质的含量以及室温力学性能上各牌号的指标和国际上，以及西方国家基本上保持一致。
这个新标准主要是参照ISO（国际标准）外科植入物和美国ASTM材料标准（B265, B338, B348, B381, B861, B862, B863这七个标准）。
并且与ISO和美国的ASTM标准相对应，例如TA1对应Gr1, TA2对应Gr2, TA3对应Gr3, TA4对应Gr4。
这样有利于各个行业在选材和应用上明晰各国标准的参照，也有利于在技术和商贸上与国际上的交流。
钛和钛合金研究
钛及钛合金的研究1.引言钛是 20 世纪 50 年代发展起来的一种重要的结构金属，因其具有质轻、高强、耐蚀、耐热、无磁等一系列优良性能，以及形状记忆、超导、储氢、生物相容性四大独特功能，被广泛应用在航空航天、舰船、军工、冶金、化工、海水淡化、轻工、环境保护、医疗器械等领域，并创造了巨大的经济和社会效益，在国民经济发展和国防中占有重要的地位和作用。
钛是金属材料王国中“全能的金属”、“海洋金属”、“太空的金属”，从工业价值、资源寿命和发展前景来看，钛被视为继铁、铝之后处于发展中的“第三金属”和“战略金属”。
根据在钛中加入β稳定元素的多少及退火后的组织，钛合金可分为α、近α、α+β、近β和β钛合金。
美、日、俄罗斯以及中国等许多国家都高度重视钛合金的发展，各国根据不同国情和需求进行了各自的研发，现已得到了广泛的应用[1~3]。
2.钛及钛合金的特点钛及钛合金具有许多优良特性,主要体现在如下几个方面：(1)比强度高。
钛合金具有很高的强度,其抗拉强度为686~1 176 MPa,而密度仅为钢的60%左右,所以比强度很高。
(2)硬度较高。
钛合金(退火态)的硬度HRC为32~38。
(3)弹性模量低。
钛合金(退火态)的弹性模量为1.078@105~1.176@105MPa,约为钢和不锈钢的一半。
(4)高温和低温性能优良。
在高温下,钛合金仍能保持良好的机械性能,其耐热性远高于铝合金,且工作温度范围较宽,目前新型耐热钛合金的工作温度可达550~600e;在低温下,钛合金的强度反而比在常温时增加,且具有良好的韧性,低温钛合金在-253e时还能保持良好的韧性。
(5)钛的抗腐蚀性强。
钛在550e以下的空气中,表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜,故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中,其耐蚀性优于大多数不锈钢。
此外,钛还具有形状记忆、吸氢、超导、无磁、低阻尼等优良特性。
纯钛及钛合金与其他材料有关性能的对比见表1。
3.钛及钛合金的研究进展1954 年美国成功研制出第一个实用钛合金Ti-6Al-4V，由于其具有优异的综合性能，成为钛合金中的王牌合金[1]。
典型钛及钛合金的组织与性能综述
典型钛及钛合金的组织与性能综述钛及钛合金是一类重要的结构材料，具有低密度、高强度、优良的耐腐蚀性和良好的高温稳定性等特点。
本文将对典型钛及钛合金的组织与性能进行综述，包括纯钛、α型钛合金、β型钛合金和α+β型钛合金四个方面。
纯钛是一种由于其较高的纯度而具有良好综合性能的金属材料。
其组织以α相为主，具有良好的延展性、塑性和韧性。
纯钛的强度较低，但其具有较高的耐腐蚀性，尤其是对氧化腐蚀具有较好的抵抗能力。
纯钛的熔点较低，易于加工成形，并可通过热处理改善其强度。
α型钛合金主要由α相和少量的β相组成。
α相是一种具有密排六方最密堆积结构的钛晶体结构，具有良好的可塑性。
β相是一种具有体心立方结构的钛晶体结构，具有较高的强度。
α型钛合金具有良好的综合性能，具有较高的强度、良好的耐腐蚀性和热稳定性。
它们通常用于航空航天、汽车制造等领域。
β型钛合金主要由β相组成，β相是一种具有体心立方结构的钛晶体结构，具有较高的硬度和强度。
β型钛合金具有较高的强度、优良的耐腐蚀性和良好的高温稳定性。
它们广泛应用于航空航天、船舶制造、化工等领域。
α+β型钛合金同时包含α相和β相，组织复杂且多样。
它们具有较高的强度、耐腐蚀性和高温稳定性，同时兼具良好的可塑性和冲击韧性。
α+β型钛合金是一类综合性能较好的钛合金，广泛应用于航空航天、电子设备等高端领域。
除了以上提到的几种典型钛及钛合金，还有许多其他类型的钛合金，如α'型钛合金、硬质钛合金等。
这些钛合金具有不同的组织和性能，可以根据具体的应用需求进行选择。
总之，钛及钛合金作为一类重要的结构材料，具有独特的组织和性能。
不同类型的钛及钛合金在应用领域、组织结构和性能方面存在差异，但都具有低密度、高强度、优良的耐腐蚀性和良好的高温稳定性等特点。
随着研究的深入，钛及钛合金在各个领域的应用前景将会更加广阔。
钛及钛合金的分类
钛及钛合金的分类市场供货的钛产品主要有工业纯钛和钛合金两大类：一.工业纯钛：钛属于多晶型金属，在低于882℃为a晶型，原子结构呈密排六方晶格，从882℃至熔点都是B晶型，呈体心立方晶格。
工业纯钛在金相组织上呈现a相，如果退火完全的话，是大小基本相等等轴状单项晶格。
由于存在着杂质，所以工业纯钛中也存在着少量的B相。
基本上是沿着晶界分布。
工业纯钛按GB/T3620.1—2007新标准共有九个牌号，TA1类型的有三个，TA2—TA4每个类型的各有两个，它们的差别就是纯度的不同。
从表中我们可以看出，从TA1—TA4每个牌号都有一个后缀带ELI的牌号，这个ELI是英文低间隙元素的缩写，也就是高纯度的意思。
由于Fe，C, N, H, O在a—Ti 中是以间隙元素存在的，它们的含量多少对工业纯钛的耐腐蚀性能以及力学性能产生很大的影响，C,N,O固溶于钛中可以使钛的晶格产生很大的畸变，使钛的被强烈的强化和脆化。
这些杂质的存在是生产过程中由生产原料带入的，主要是海绵钛的质量。
要是想生产高纯度的工业纯钛钛锭，就得使用高纯度的海绵钛。
在标准中，带ELI的牌号在这6个元素含量的最高值均低于不带ELI的牌号。
这些标准的修改是参照国际上或者说是西方国家的标准（我们国家的标准正在努力向西方国家靠拢，因为我们国家的很多基础工业还是比他们落后一些，很多老标准都是沿袭前苏联的），特别是在杂质的含量以及室温力学性能上各牌号的指标和国际上，以及西方国家基本上保持一致。
这个新标准主要是参照ISO（国际标准）外科植入物和美国ASTM材料标准（B265, B338, B348, B381, B861, B862, B863这七个标准）。
并且与ISO和美国的ASTM标准相对应，例如TA1对应Gr1, TA2对应Gr2, TA3对应Gr3, TA4对应Gr4。
这样有利于各个行业在选材和应用上明晰各国标准的参照，也有利于在技术和商贸上与国际上的交流。
国内外医用钛及钛合金标准及性能
国内外医用钛及钛合金标准及性能发布时间：2010-4-17 10:20:42 中国废旧物资网一、钛在医学中的应用1、钛作为一种新兴的材料在我国及世界制药工业、手术器械、人体植入物等领域使用已有几十年的历史，并已取得了极大地成功。
2、人体内应外伤、肿瘤造成的骨、关节损伤，采用钛及钛合金可制造人工关节、接骨板和螺钉现已广泛用于临床。
还用于髋关节（包括股骨头）、膝关节、肘关节、掌指关节、指间关节、下頜骨、人造椎体（脊柱矫形器）、心脏起搏器外壳、人工心脏（心脏瓣膜）、人工种植牙、以及钛网在头盖骨整形等方面。
3、对于植入物材料的要求可以归为三个方面：材料与人体的生物相容性、材料在人体环境中的耐腐蚀性和材料的力学性能，作为长期植入材料有下列七项具体要求：①、耐蚀性;②、生物相容性；③、优越的力学性能和疲劳性能；④、韧性；⑤、低的弹性模量；⑥、在组合体中有好的耐磨性；⑦、令人满意的价格；4、外科植入物材料主要有：金属、聚合物、陶瓷等，金属材料又包括不锈钢、鈷基合金和钛基合金。
材料性能与骨性能的比较和植入物材料的特性比较见表一和表二。
从表二可以看出，不锈钢价格低廉，易于加工，但耐蚀性和生物相容性不如钛合金；鈷鉻合金的耐磨性比钛合金好，但密度较大，太重；钛及钛合金由于比强度高，生物相容性好及耐体液腐蚀性好等特点正日益受到重视。
钛合金的不足之处识是耐磨性差、难于铸造，加工性能也差。
二、国内外外科植入物用钛及钛合金加工材标准情况1、国外外科植入物用加工材标准纯钛：国际标准化组织 ISO 5832/2 1999E《外科植入物－纯钛加工材》美国标准：ASTM F67 2006a 《外科植入物用纯钛》TC4: 国际标准化组织 ISO 5832/3 1996Z 《外科植入物－金属材料－Ti-6Al-4V加工材》ASTM F1472 2002 《外科植入物用Ti-6Al-4V合金加工材》TC4ELI: ASTM F136 2002a 《外科植入物用Ti-6Al-4VELI（超低间隙）加工材规范》TC20: ISO 5832/11 I994(E) 《外科植入物－金属材料－Ti-6Al-7Nb合金加工材》ASTM F1295:2005《外科植入物用Ti-6Al-7Nb合金加工材》2、中国国家标准①、《外科植入物用钛及钛合金加工材》中国国家标准为GB／Ｔ13810-2007，牌号有：TA 1ELI、TA1、TA2、TA3、TA4、TC4、TC4ELI、TC20.品种有：板材0.8～25mm；棒材7.0～90mm；丝材1.0～7.0mm；GB\T13810-2007标准中规定的各项性能指标：②、GB／Ｔ13810-2007标准中，为了保证外科植入物用钛及钛合金加工材的综合性能（强度、塑性、韧性、硬度、抗疲劳等性能的合理匹配），对两相钛合金的高倍金相组织和氢含量及其它间隙元素含量都有非常严格的要求和控制。
航空材料钛及钛合金的特性及发展趋势
1所示。
图1不同元素对相变温度的影响[3]钛密度为4.5g/cm3，属于轻金属，熔点为1669℃，化学活性大，容易与空气中的氧发生反应生成致密的氧化膜，阻止进一步氧化，高温时，反应剧烈，氧化膜脱落会加速反应速度，所以，在钛合金的制备过程中，真空或气体保护是非常必要的。
钛合金作为应用广泛的结构材料，比铝、钢强度高，而且在海水中有较好的抗腐蚀和耐低温的性能。
目前，飞图2α-Ti和β-Ti晶胞结构（a）α-Ti（b）β-Ti钛合金组织有α型、α+β型、β型三种结构，对应的符号为TA、TC、TB。
2.1α型钛合金α钛合金是单相合金，其组织是α相固溶体，符号用表示。
合金的主要元素为中性元素或α稳定元素，Al、Sn、Zr等，基本不含β稳定元素。
工业纯钛，组织均α相，属于典型的α型钛合金。
α型钛合金的抗氧化能力和切削加工性能良好，其强度和蠕变抗力在500~600℃范围内仍可维持，缺点是无法实行热处理工艺进行强化，室温的强度相对较低，退火后的强度变化量很小或基本无变化。
———————————————————————作者简介:黄文君（1990-），女，河南许昌人，助教，硕士，研究方向为机械工程材料。
抗缺口敏感性，缺点是断裂韧性，蠕变性能相对较差。
图3钛合金典型的显微组织[9]（b ）双态组织（d ）等轴组织（a ）魏氏组织（b ）网篮组织4展望随着科技的进步和现代工业的发展，钛合金在军工和民用领域的应用也越来越广泛，在汽车行业，钛合金的应用不仅能减重，更能满足环保的要求，未来航空航天和推力系统需要钛合金材料具有更小的密度，更高的强度、工作温度和弹性模量，对材料性能的要求也逐渐提高，高强度、高硬度、高耐热性的材料越来越受各领域的青睐，优质轻型金属材料的钛合金必将代替部分传统的材料，既减轻质量，又降低成本，达到降低能源消耗的目的，因此高性能钛合金的研究已成为重要的发展方向，相信随着发展的需要，钛合金在我国的市场前景会越来越好。
钛合金的四种基本显微组织
钛合金的四种基本显微组织钛合金是一种具有优异性能的金属材料，广泛应用于航空航天、医疗器械、化工等领域。
其性能的突出之处在于其独特的显微组织。
钛合金的显微组织可以分为四种基本类型：α相、β相、α + β相和ω相。
下面将详细介绍这四种显微组织的特点。
第一种是α相。
α相是指纯钛晶体结构，在显微镜下呈现出银白色的球状晶粒。
它具有高度的塑性和可锻性，是钛合金中最主要的相态组织。
在低合金度的钛合金中，α相可以占据相当比例的晶粒。
此外，α相的存在可以提高合金的耐腐蚀性和延展性。
第二种是β相。
β相具有典型的钛合金晶体结构，在显微镜下呈现出具有棱柱形状的晶粒。
与α相相比，β相的硬度和强度较高，而韧性和延展性较差。
β相在高合金度的钛合金中常常占据主导地位，可以显著提高合金的强度和硬度。
第三种是α + β相。
α + β相是指同时存在α相和β相的显微组织。
在合金经过适当的加热处理后，α相和β相可以共存于同一块材料中。
α + β相的钛合金具有较好的综合性能，既具备了α相的优异可锻性和延展性，又保留了β相的高强度和硬度。
第四种是ω相。
ω相是钛合金中一种特殊的显微组织，主要存在于高应力和高温条件下。
它具有一种典型的双层锯齿形结构，呈现出黑色或深灰色的颜色。
ω相通常会降低钛合金的机械性能和耐蚀性能，因此应尽量避免其生成。
综上所述，钛合金的四种基本显微组织分别是α相、β相、α+ β相和ω相。
每种组织都具有独特的特点和应用领域。
了解和控制这些显微组织，可以根据具体的工程要求调整钛合金的性能，以提高其应用效果。
第一种显微组织是α相。
α相能够提供钛合金良好的塑性和可锻性。
在纯钛中，α相是唯一的组织形态。
在α相中，晶体结构是六方最紧密堆积，呈球状晶粒分布。
这种结构的特点决定了α相的优异性能。
α相的存在可以提高钛合金的延展性，使其具有出色的弯曲和拉伸性能。
同时，α相还能够提高钛合金的耐腐蚀性能，使其在各种恶劣环境下具有良好的耐候性。
第二种显微组织是β相。
全方位的讲解钛及钛合金材料_钛及钛合金_
160
5 级 MHT-200 98.5 0.40 0.06 0.30 0.05 0.10 0.30 0.08 0.15 0.030
200
化学成分
牌号
Ti
组
Fe
TA0 工业纯钛 余量 0.15 TA1 工业纯钛 余量 0.25 TA2 工业纯钛 余量 0.30 TA3 工业纯钛 余量 0.40
4. 钛合金
所以，实际再结晶退火温度：工业纯钛为 650-700℃； TC4 钛合金为 800-850℃。
（2） 消除应力退火 消除金属材料因变形加工、切削加工、焊接加工及深加工制造 等过程引起的内部应力，又不发生再结晶的退火称为消除应力退火。 如：工业纯钛消除应力退火温度 550-600℃，TC4 钛合金消除应 力退火温度 550-600℃。 4. 加热 （1） 非真空加热
产品的出炉温度＜200℃才能保证钛的表面不被氧化， 呈银白色的金属钛本色。
3. 退火 对产品加热到适合温度，保温一定时间，使其冷却，获
得接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。 退火目的是均匀化学成分，改善机械性能和工艺性能。例如：
消除因加工引起的硬化、如消除内应力、如实现再结晶、如真空退火 除气（一般是氢气）等。
江西工埠集团 詹小辉
（1）再结晶退火 对冷变形和热变形的金属加热到高于再结晶温度，使其破碎的
晶粒和拉长的晶粒重新成核并长大成为细小的等轴晶粒，不禁消除了 加工引起的硬化，还恢复了加工变形能力，这称为再结晶退火。
考虑再结晶退火温度受产品变形率和原始晶粒的大小等影响因 素，再结晶温度要比理论讲的再结晶温度高出 100-150℃为宜。
江西工埠集团 詹小辉
长发生了塑性变形称为压。
②轧制
使用两个旋转的轧辊之间的空隙或模具孔，对钛坯料加力，使
3钛及钛合金加工工艺与组织关系
3、不同组织的力学性能 组织决定性能
组织 类型 等轴 双态 三态 网篮 魏氏 高于 等轴 高于 等轴 较差 差 最差 室温拉伸 强度 好 塑性 最好 热稳定 强度 好 塑性 好 拉伸 一般 高温性能 持久 差 高于等轴 高于双态 差 最差 高于双态 较差 蠕变 差 断裂韧性 K1C 最差 较好 高于 双态 好 差
关键工艺参数和组织特征
Hale Waihona Puke 关键工艺参数和片层组织的特征
两相钛合金获得单相区加工组织的工艺路线
关键工艺参数和组织特征
Ti-6242钛合金单相区加工组织（TEM）
两相钛合金获得两相组织的加工路线
关键工艺参数和组织特征
IMI 834钛合金不同单相区冷速对组织的影响
两相钛合金获得等轴组织的加工路线 （两相区再结晶退火缓慢冷却）
钛及钛合金加工工艺与 组织、性能关系
钛合金锻造分类 及组织类型
有关锻造术语：
常规锻造：在β 相变点以下25℃或更低温度下的α +β
相区加热后进行锻造。 β 锻造：在β 相变点以上50℃或更高的温度下加热后进
行锻造，其变形量全部或主要地在β 相区完成。
近β 锻造：在β 相变点以下10~40℃加热后进行锻造。 准β 锻造：在β 相变点以上10~40℃加热后进行锻造，
Da/dN
疲劳性能 低周 较差 较好 高于 双态 高于 等轴 差 高周 好 高于 等轴 好 差 差
快 较快 慢 慢 最快
与等轴同一水平 与等轴同一水平 好 差
8
两相钛合金获得片层组织的加工路线
Ti-6242钛合金单相区不同冷速对片层组织的影响 (OM)
Ti-6242钛合金单相区不同冷速对片层组织的影响 （TEM）
典型钛及钛合金的组织与性能综述
典型钛合金的组织与性能文献查阅总结1.α型钛合金α型钛合金中又分为全α型钛合金和近α型钛合金，工业纯钛属于α型钛合金，此外一般α合金含有6%左右的Al和少量中性元素，退火后几乎全部是α相，典型合金包括TA1~TA7合金等；近α型钛合金中除了含有Al和少量中性元素外，还有少量（不超过4%）的稳定元素，如TA15、TA16、TA17等。
1.1工业纯钛工业纯钛按杂质元素含量分为TA1、TA1ELI、TA1-1、TA2、TA2ELI、TA3、TA3ELI、TA4、TA4ELI9个牌号，相变点大约为900℃。
工业纯钛具有高塑性、适当的强度、良好地耐蚀性以及优良的焊接性能等特点，广泛应用于化工设备、滨海发电装置、海水淡化装置、舰船零部件等，其冷热加工性能好，可生产各种规格的板材、棒材、型材、带材、管材和丝材，一般在退火状态下交货使用。
典型的工业纯钛显微组织如图1-3所示：图1 TA1板材650℃/1h退火态组织：等轴α+少量晶间β图2 TA2大规格棒材600℃/1h退火态组织：等轴α图3 TA3板材800℃/1h退火态组织：等轴α+含有针状α转变的β1.1.1 TA1钛管的组织与性能[][]庞继明，李明利，李明强等. 退火温度对TA1钛管材组织和性能的影响[J]. 钛工业进展. 2011, 28(2): 26-28研究方法：TA1铸锭经过2500t水压机开坯锻造和1600t卧式挤压机热挤压，最终获得φ45×7mm的管坯。
管坯经两辊和三辊管材冷轧机轧制成φ12×1.25mm的管材。
将管材置于真空热处理炉中，分别加热至450，475，490，500，550，600，650，700℃，保温90min，随炉冷却。
a）TA1钛管的显微组织图1为冷加工态及不同的温度热处理后的TA1管材横向显微组织。
可以看出，冷加工态的TA1管材组织混乱且有部分晶粒破碎不完全；700℃下的组织已完全再结晶、等轴化，与650℃的相比晶粒已明显长大。
钛合金材料组织性能关系
✓织构控制与性能
晶体学织构：主要影响力学性能各向异性、疲劳与腐蚀行为等 发展现状：X-射线（极图、ODF），SEM（EBSD），TEM等
取向与疲劳裂纹形成关系 （F. Bridier，France）
相的ND取向图（621所、北工大） (钛合金准锻造大块相形成机理)
1075 14 40 1080 13 33 1117 14.2 40.8 1138 12.4 49.1 ≥1010 ≥8 ≥20
KIC MPam0.5
74.3 71.2 76.1 76.8 ≥60
例子3：中强度TC6(BT31)钛合金
TC6钛合金是普遍应用的中强度钛合金，采用新型“准锻 造工艺” ，也获得了高性能综合性能，并在某歼击机上得 到应用。
1
TC21钛合金相比美Ti62222S钛合金具有更加优异的综合性能匹配
例子2：高强韧TC18(BT22)钛合金
TC18钛合金是我国大型运输机大量选用的高强韧钛合金， 也采用新型“准锻造工艺” ，获得了高性能综合匹配。
取向
L L 指标
b MPa
1120 1125 1154 1176 ≥1080
0.2 5 MPa % %
钛合金组织类型的工程化定义
适合工程应用 的分类
1、等轴组织
２、网篮组织
３、双态组织
4、片层组织
钛合金组织类型的工程化定义
近型合金
+型合金
近型合金
等轴组织及其类型变化
● 等轴组织＝(α等 + β转) ● 特征： α等轴≥40％以上
● 等轴α，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态
钛合金组织类型的工程化定义
钛及钛合金全解
3 钛合金－分类、牌号 按组织类型分： α（用TA表示）：全α、近α和α+化合物合金 。以铝、锡、 锆为主要合金元素，在近α型钛合金中还添加少量β稳定化元 素，如钼、钒、钽、铌、钨、铜、硅等 β（用TB表示）：热力学稳定型β合金、亚稳定β型合金和 近β型合金 α＋β（用TC表示）：以Ti-Al为基再加适量β稳定元素 TA4 Ti-3Al TA7 Ti-5Al-2.5Sn TA8 Ti-5Al-2.5Sn-3Cu-1.5Zr TC1 Ti-2Al-1.5Mn TC3 Ti-4Al-4V TC4 Ti-6Al-4V TC6 Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si TB2 Ti-5Mo-5V-3Cr-3Al
钛及钛合金
2 纯钛
⑴密度小，比强度高：钛密度为4.51g/cm3，约为钢或镍合金的一半。比强度 高于铝合金及高合金钢。 ⑵导热系数小：钛的导热系数小，是低碳钢的五分之一，铜的二十五分之一。 ⑶无磁性，无毒：钛是无磁性金属，在很大的磁场中不被磁化，无毒且与人体 组织及血液有很好的相容性。 ⑷抗阻尼性能强：钛受到机械振动及电振动后，与钢、铜相比，其自身振动衰 减时间最长。 ⑸耐热性佳：因熔点高，使得钛被列为耐高温金属。 ⑹耐低温：可在低温下保持良好的韧性及塑性，是低温容器的理想材料。 ⑺吸气性能高：钛的化学性质非常活泼，在高温下容易与碳、氢、氮及氧发生 反应。 ⑻耐蚀性佳：在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附著力强、 惰性大的氧化膜，保护钛基体不被腐蚀。
3 钛合金－合金化
与α和β均形成连续固 溶体相图： 锆、铪与钛同族， 有相同晶体结构和同素 异晶转变，与α-Ti及 β-Ti形成连续固溶体。
3 钛合金－合金化 与β-Ti无限互溶，与α-Ti有限溶解的相图： 钒、铌、钽、钼 都为体心立方结构，与β-Ti同晶，称为β 同晶元素。降低相变点，稳定β相。 组元达到一定浓度值后，高温β相可稳定 到室温，对应这一浓度值称为临界浓度Ck。 Ck反映合金元素稳定β相能力大小，其值越小 稳定β相能力就越大。稳定β相能力按钼、钒、 钽、铌次序递减。 加入这类元素的钛合金组织稳定性好， 不会发生共析转变或包析转变，同时能强化β 相，并保持良好的塑性。
典型钛及钛合金的组织与性能综述
典型钛及钛合金的组织与性能综述Newly compiled on November 23, 2020典型钛合金的组织与性能文献查阅总结1.α型钛合金α型钛合金中又分为全α型钛合金和近α型钛合金，工业纯钛属于α型钛合金，此外一般α合金含有6%左右的Al和少量中性元素，退火后几乎全部是α相，典型合金包括TA1~TA7合金等；近α型钛合金中除了含有Al 和少量中性元素外，还有少量（不超过4%）的稳定元素，如TA15、TA16、TA17等。
工业纯钛工业纯钛按杂质元素含量分为TA1、TA1ELI、TA1-1、TA2、TA2ELI、TA3、TA3ELI、TA4、TA4ELI9个牌号，相变点大约为900℃。
工业纯钛具有高塑性、适当的强度、良好地耐蚀性以及优良的焊接性能等特点，广泛应用于化工设备、滨海发电装置、海水淡化装置、舰船零部件等，其冷热加工性能好，可生产各种规格的板材、棒材、型材、带材、管材和丝材，一般在退火状态下交货使用。
典型的工业纯钛显微组织如图1-3所示：图1 TA1板材650℃/1h退火态组织：等轴α+少量晶间β图2 TA2大规格棒材600℃/1h退火态组织：等轴α图3 TA3板材800℃/1h退火态组织：等轴α+含有针状α转变的βTA1钛管的组织与性能[][]庞继明，李明利，李明强等. 退火温度对TA1钛管材组织和性能的影响[J]. 钛工业进展. 2011, 28(2): 26-28研究方法：TA1铸锭经过2500t水压机开坯锻造和1600t卧式挤压机热挤压，最终获得φ45×7mm的管坯。
管坯经两辊和三辊管材冷轧机轧制成φ12×的管材。
将管材置于真空热处理炉中，分别加热至450，475，490，500，550，600，650，700℃，保温90min，随炉冷却。
a）TA1钛管的显微组织图1为冷加工态及不同的温度热处理后的TA1管材横向显微组织。
可以看出，冷加工态的TA1管材组织混乱且有部分晶粒破碎不完全；700℃下的组织已完全再结晶、等轴化，与650℃的相比晶粒已明显长大。
钛及钛合金综述
百度文库- 让每个人平等地提升自我钛及钛合金综述一钛及钛合金的发展钛在化学元素周期表中属于TVB族元素，其原子其原子序数为22。
钛在地壳中的含量为％，在所有的元素中，名列第九，但在常用金属元素中仅次于铝、铁、镁，居第四位。
钛在地壳中大都以金红石（TiO2）和钛铁矿等形式存在。
由于分离提取困难，具有工业意义的金属钛直到20世纪40年代才生产出来。
钛及钛合金的密度小，抗拉强度高（可达140Kg/mm2）。
在－253～600℃范围内，它的比强度（抗拉强度/密度）在金属材料中几乎最高。
它在适当的氧化性性环境中可形成一种薄而坚固的氧化膜，具有优异的耐蚀性能。
此外，钛及钛合金还具有非磁性、线膨胀膨胀系数小等特点，这就使钛及钛合金首先成为重要的宇航结构材料，随后又推广到舰船制造、化学工业等领域，并得到了迅速的发展。
二钛及钛合金的分类及应用钛及钛合金按组织结构分为α合金、α＋β合金、β合金等三大类合金。
1 α合金α合金中有TA1、TA2、TA3、TA4、TA5、TA6、TA7、TA8等8种合金。
TA1、TA2、TA3是工业纯钛。
它们是按杂质元素含量分的三个等级。
它们主要应用于要求高塑性、适当的强度、良好的耐蚀性以及可焊接性的场合。
TA1、TA2、TA3它们的冷加工性能好，可生产各种规格的板材、棒材、型材、带材、管材和箔材。
板材可以进行冷冲压。
TA4是一种钛－铝二元合金。
它的抗拉强度比工业纯钛稍高，可以做中等强度范围的结构材料。
国内主要用做焊丝。
TA5是一种全α型合金。
它的抗拉强度比工业纯钛高，但塑性稍差，有良好的焊接性能及耐腐蚀性能。
这种合金在要求在退火状态下交货，可用做海水腐蚀环境下的结构材料。
目前已成功地应用于造船工业。
TA6是一种全α型的钛－铝二元系合金。
它的抗拉性能高于TA4，但是它的塑性稍差。
用它制成的板材可进行冷冲压，焊接性能良好，耐蚀性好。
它和TA5一样，也是在退火状态交货，适用于400℃以下和存在浸蚀介质的环境下工作。
钛及钛合金全解
2 纯钛
杂质元素对钛性能的影响 杂质元素主要有氧、氮、碳、氢、铁和硅。 前四种属间隙型元素，后二种属置换型元素，可以固溶在α相 或β相中，也可以化合物形式存在。 钛的硬度对间隙型杂质元素很敏感，杂质含量愈多，钛的硬 度就愈高。 综合考虑间隙元素对硬度的影响，引入氧当量：O当=O％+2N ％十0.67％。 氧当量和硬度的关系为： HV=65+310·O0.5当。
氮、氧、碳都提高α+ β／β相变温度，扩大α相区，属α稳定 元素。均可提高强度，急剧降低塑性，其影响程度按氮、氧、碳 递减。为了保证合金的塑性和韧性，目前在工业钛合金中氢、氧、 氮、碳含量分别控制在0.015％、0.15％、0.05％，0.1％以下。低 温用钛及钛合金，由于氧、氮和碳提高塑－脆转化温度，应尽量 降低它们的含量，特别是氧含量。 微量铁和硅在固溶范围内与钛形成置换固溶体，它们对钛的 性能影响没有间隙杂质元素那样强烈。作为杂质时，铁和硅的含 量分别要求小于0.3％和0.15％，但有时也作为合金元素加入。
2 纯钛 纯钛组织基本形态： 形变再结晶退火后，α相呈等轴状，称等轴α； β相区缓慢冷却，α相以集束片状形式沿β晶界和晶 内有规则的析出，此类形态称魏氏α； β相区快冷，则发生马氏体转变，马氏体形态与纯度 有关：高纯钛中呈锯齿状，工业纯钛中呈片状，两者均属板 条状马氏体。
钛及钛合金的钎焊
钛及钛合金的钎焊1 钛及钛合金的钎焊特点1.1 表面氧化物稳定钛对氧的亲和力很大，所以钛及其合金有强烈氧化的倾向。
钎焊时必须防止钛的氧化，并充分去除这层氧化膜。
1.2具有强烈的吸气倾向钛和钛合金在加热过程中会吸收氢和氮。
例如钛从250℃开始强烈地吸氢；400℃时吸氧；600℃时吸氮。
温度愈高，吸气愈猛烈。
吸气的结果，使合金的塑性、韧性急剧下降。
所以，钎焊时要防止加热区的氢化和氮化。
1.3 组织及性能变化a）纯钛在885℃时发生α→β的相变。
加热温度超过该温度，晶粒开始长大，温度愈高，晶粒愈大。
在冷却速度较快的情况下，在室温形成α＇相针状组织，这些组织使钛的塑性下降。
b）α钛合金，如 TA7(Ti-5Al-2.5Sn) 加热到927℃时发生的相变，到1038℃对全部转变为β相。
β相在冷却速度较快情况下同样形成α＇相针状组织。
α钛合金过热的倾向比纯钛小。
c）α+β钛合金，如 TC4(Ti-6Al-4V)，它的淬火温度为 850～950℃，时效温度为 480～550℃。
因此对这种钛合金，高温钎焊温度不宜比淬火温度高出很多，在较低温度下钎焊时，钎焊温度则不宜超过550℃，以免过时效而发生软化现象。
d）总之，钎焊钛及其合金时必须注意钎焊加热温度。
一般说来，钎焊温度不宜超过 950～1000℃，钎焊温度越低，对母材性能的影响也越小。
对淬火时效合金来说，也可以在不超过其时效温度的条件下进行钎焊。
1.4 形成脆性化合物钛与许多金属容易形成脆性化合物，用来钎焊其它金属的钎科一般均能同钛形成化合物，使接头变脆。
因此基本上都不适用于钎焊钛及其合金，使选择钎焊钛用的钎料存在一定的因难。
2 钎料2.1银基钎料a）纯银是最早用来钎焊钛的钎料。
银对钛的润湿性很好。
此时在钎缝的界面区形成金属间化合物 TiAg，与钛及其它金属的金属间化合物相比它不算太脆。
但是其线膨胀系数同钛的线膨张系数相比差别较大，在应力作用下易产生裂纹，故用银钎焊的接头强度不是很高。
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TC4,950℃/1hr AC; 等轴初生α+舍有针状α的β转变组织.
金相明场 500×;金相相衬 500×;电镜明场 10000× 浸蚀剂:氢氟酸:硝酸:水 =1:4:45
TC4,950℃/1hr 炉冷;等轴α+晶间β
金相明场 500×;金相相衬 500×;电镜明场 5000× 浸蚀剂:氢氟酸:硝酸:水 =1:6:193
TA2,1000℃/1hr,AC;锯齿α片及α片间保留的β相
浸蚀剂---氢氟酸:硝酸:水=2 : 1 : 17; 金相明场 250×; 金相偏光 250×; 电镜明场 5000×
TA2 ,700℃/1hr ,AC,等轴α相(某些晶粒内含孪晶)
浸蚀剂---氢氟酸:硝酸:水=2 : 1 : 17; 金相明场 250×; 金相偏光 250×; 电镜明场 5000×
图3-4
47
近β-Ti合金组织
Ti-10V-2Fe-3Al
工艺：820°C/8h/WQ组 织：等轴β相
工艺：820°C/8h/WQ +时效 600°C/8h/AC. 组织：β相基体上 细小的α相析出
48
Ti-10V-2Fe-3Al 工艺：α+β固溶 700°C/8h/WQ + 时效 600°C/4h/AC. 组织：初生等轴αand 针状α （SEM ）
金相明场500×;
电镜明场20000×
浸蚀液: 氢氟酸 : 硝酸 : 水 = 1 : 1 : 3
TB2,800℃/30分 AC+500℃/8hr AC; 有弥散α相析出的β晶粒
金相明场 500×, 浸蚀㲸:氢氟酸:硝酸: 水=1:3:5;
金相偏光 500×, 浸蚀㲸:氢氟酸:硝酸: 水=1:12:18;
金相明场 500×;金相相衬 500×;电镜明场12000× 浸蚀剂:氢氟酸:硝酸:水 =1:4:45
TC4,750℃/1hrAC;等轴初生α+β
金相明场320×;金相相衬 320×;电镜明场20000× 浸蚀剂:氢氟酸:硝酸:水 =1:4:45
2.4 TB2,典型组织介绍 TB2,800℃/30分,AC;等轴亚稳β晶粒
49
其他Ti合金组织
Ti-Al合金：Ti3Al基合金和 TiAl基合金
α2(Ti3Al)、O (Ti2AlNb),
图3-17 Ti-24Al-20Nb 工艺： α2+β 固 900°C/1h/WQ. 组织： α2 (dark) + O (gray) + B2 (bright) 相.
50
Ti-24Al-11Nb, 工艺：1060°C/4h/WQ + 800°C/24h/AC. 组织： α2 + 转变B2 相
TA2 ,锻态,变形α晶粒
浸蚀剂: 氢氟酸:硝酸:水=2:1:17; 金相明场 250×; 电镜明场 5000×;
TA1,退火+焊接,热影响区：等轴α相
浸蚀剂--氢氟酸 : 硝酸 : 水 = 1 :1 :3;
金相明场 250×; 金相偏光 250×; 电镜明场 5000×
TA1,退火+焊接;焊缝区:片状α+原始β晶 界（晶内有孪晶）
TC4,950℃/1hr炉冷至600℃AC+再经970℃/1hr AC;双态组织(等轴初生α+再结晶二次β晶粒)
金相明场 500×;金相相衬 500×;电镜明场 10000× 浸蚀剂:氢氟酸:硝酸:水 =1:6:193
TC4,950℃/1hr 水淬+550℃/4hr AC; 等轴初生α+针状的α相的β转变基体
TC4,1020℃热轧,加工率78%+750℃/1hr AC; 网竺状组织（α+β）
金相明场 500×; 金相相衬 500×; 电镜明场 10000×. 浸蚀剂:氢氟酸:硝酸:水 =1:4:45
TC4,950℃/1hr 水淬;等轴α+马氏体α′基体
金相明场 500×;金相相衬 500×;电镜明场 5000× 浸蚀剂:氢氟酸:硝酸:水 =1:4:45
TB2,800℃/30分AC+500℃/4hr AC; 非匀均弥散α析出的β晶粒
浸蚀剂---氢氟酸:硝酸:正丙酸 =1:12:18; 金相明场 500×; 电镜明场 14000×; 电镜α暗场14000×
TB2,800℃/30分AC+自动氩弧焊; 焊接头低倍,焊缝区粗大等轴亚稳B晶粒
焊缝低倍 8×, 焊缝区金相明场 500× 焊缝区金相暗场 500×;
Ti-6Al-4V 1020℃/20min/FC 魏氏组织α 相+晶界初生β相
Ti-6Al-4V 960℃/60min/WC 等轴α 相+转变β相
TC4,1020℃/1hr 水淬;马氏体α’+原始β晶界
浸蚀剂---氢氟酸:硝酸:水=1:6:193; 金相明场 250×; 金相相衬 250×; 电镜明场 5000×;
好
较快 慢 慢
差
最快
疲劳性能
低周 高周
较差
较好
高于 双态 高于 等轴
差
好 高于 等轴
好
差
差
52
1、钛合金的组织类型 1.1 等轴组织
TC11合金
TC21合金
Ti-17合金
Ti-1023合金
BT20 (叶片)
等轴组织复型照片
3
● 表达式：
(α+β)组织，白色颗粒α等，交错分布的细条 领域β转（又称转变β基体）
或 (α等+β转) 或 (α等初+β转) β转基体中的细条魏氏α(α魏)，
细条之间黑色底为残余β(β残)。 所以， β转(α魏+β残) 因此，等轴组织＝(α等+ α魏+β残)
TC11水冷
TC11水冷大变形
Ti-17
Ti-679
● 表达式：(α等+ α条+β转)组织
● 特征： α等≈10～20％， α条≈60～70％，且混乱交织 6
1.4 网篮组织
β锻后水冷 β锻水冷
β锻空冷，晶界破碎
β锻空冷
β锻空冷，断续的晶界
7
β锻空冷，连续的晶界α β锻空冷，断续的晶界α
β锻空冷，锻态
51
3、不同组织的力学性能 组织决定性能
组织 类型
等轴 双态 三态 网篮 魏氏
室温拉伸
热稳定
强度 塑性 强度 塑性
好
最好
好
好
与等轴同一水平
高于 等轴
高于 等轴
较差
与等轴同一水平
差
好
差
最差
差
最差
高温性能
拉伸 持久 蠕变
一般
差
差
高于等轴
高于双态
高于双态 较差
断裂韧性
K1C 最差
Da/dN
快
较好
高于 双态
生β晶界α24
初生β晶界α
a 1050℃
b 1050℃
Ti-6Al-V合金的相转变图，MS:马氏体转 变 开 始 温 度 。 以 及 Ti-6Al-4V 合 金 从 1050℃、800℃和650℃炉冷和水淬后的 显微组织
c 800℃
d 800℃
e 650℃ 炉冷（50℃/h ）
f 650℃ 水淬
Ti-6Al-4V 1020℃/20min/WQ 马氏体组织+晶界初生β
浸蚀剂— 氢氟酸:硝酸:水=1:1:3
TB2,800℃/30分AC+自动氩弧焊; 热影响区粗大等轴亚稳β晶粒,
电镜明场 20000×---B晶界 及位错线;
电;
TB2,800℃/30分AC+自动钨极氩弧焊+500℃/8hrAC; 有弥散α析出的β晶粒
浸蚀剂: 氢氟酸 : 硝酸 : 正丙酸 =1 : 12 : 18; 金相明场 250×; 金相明场 500×; 电镜明场 20000×
3Ti合金组织观察
近α -Ti合金:Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.3Si
工艺： 1050°C，1h，油淬 600°C，24h，时效.
组织：转变β相和 初始β晶界
β锻空冷，大块α
β锻空冷，大块α
β锻空冷，大块α
● 表达式：(α条+ β转)组织，有断续晶界α，或有 连续晶界α，或有大块α
● 特征： α等≈0
8
1.5 魏氏组织
β锻，空冷，锻态
β锻，空冷，热处理
● 表达式：
(α针+ β转)组织 ● 特征： α针细长、平直，β晶粒粗大，并有
晶界α存在
9
总结
● 不管何种组织结构均有β转存在，总是在转变β 基体上析出不同形态的条状α。
浸蚀剂--氢氟酸:硝酸:水=1:1:3;
金相明场 250×; 金相偏光 250×; 电镜明场 5000×
2.2 TA7,典型组织介绍 TA7,1040℃/30分,水淬;针状α+原始β晶界
浸蚀剂--氢氟酸:盐酸:甘油=1:1:7
金相明场 250×; 金相相衬 250×; 电镜明场 5000×;
TA7,1040℃/30’ AC;针状α+原始β晶界
金相明场 500×;金相相衬 500×;电镜明场 5000× 浸蚀剂:氢氟酸:硝酸:水 =1:4:45
TC4,850℃/1hr 水淬;等轴初生α+马氏体 α′.
金相明场 500×;金相相衬 500×;电镜明场20000× 浸蚀剂:氢氟酸:硝酸:水 =1:4:45
TC4,850℃/1hr AC ;等轴初生α+转变β
● 只要有β转，就有β残（残余β），但含量是不同 的，因此，不同类型组织的热稳定性也都不一 样的。
10
2 不同类型钛合金的典型组织
2.1 纯钛：TA1或TA2 为代表
A:885℃ ℃