钛与钛合金

材料物理0901 崔同参200965167

钛与钛合金

钛有色轻金属，原子序数22，相对原子质量47.87，在地壳中的含量排第十位。通过向金属晶格中掺入杂质原子实现合金化。合金化导致金属硬度和强度提高塑性降低。

钛合金具有两大优异的特性：比强度高和抗蚀性优异，应用于航空航天、化学工业、医药工程等行业。

较高温度下，钛合金的比强度特别优异（钛的最高使用温度受其氧化特性的限制，钛铝化合物可以部分地克服这一缺点），低温下纯钛和大多数钛合金结晶成接近理想状态的密排六方结构（hcp）称为α-Ti,高温下，体心立方结构（bcc）很稳定，称为β–Ti(纯钛的β转变温度为（880-884）℃。

密排六方晶体结构导致α-Ti的力学性能呈现显著的各向异性；其中弹性的各向异性尤为显著。（c：145Gpa,a:100Gpa）.

金属塑性变形的容易程度按密排六方、体心立方，再到面心立方的顺序逐渐增大。α-Ti的塑性变形能力低于β-Ti。

钛从β相区冷却下来时，体心立方β相中的最密排面{110}转变为六方α相的基面{0001}.α相基面的面间距略大于β相中相应{110}面的面间距，故β /α转变会使晶格产生轻微畸变，钛冷却过程中通过β转变温度时还可以宏观上观察到体积轻微增大。

由于(hcp) α-Ti中原子堆垛密度大，因此α-Ti中的扩散比（bcc）β中的扩散缓慢得多。从马氏体相变开始温度以上快速冷

却时，bcc的β相通过无扩散相变过程完全转变为hcp的α相，生成亚稳的细小盘状或针状马氏体组织。

根据对β转变温度的影响，钛的合金化元素可分为中性元素，α相稳定化元素或β相稳定化元素。

钛合金显微组织

显微组织对钛合金的性能有显著的影响，通常，通过热加工处理可以得到不同的显微组织。热加工处理较为复杂，包括固溶处理、变形、再结晶、时效和去应力退火。

相转变温度是热加工处理的关键，因为它将β单相区与α+β两相区分割开来，从转变温度以上完全冷却可以得到片状显微组织。一旦温度降低至β转变温度以下，α相就在β相晶界形核，然后以层片状长大进入β晶粒内。

在平衡条件下，两相区α和β相的化学成分随着温度的降低而发生变化，钒在β相中强烈富集，因而可以在较低温度下稳定β相。

细小的组织可以提高合金的强度和塑性，还可以延缓裂纹的形核，同时也是超塑性变形的必要条件。另一方面，粗大的组织抵抗蠕变和疲劳裂纹扩展的能力更强。

等轴状组织往往具有高的塑性和疲劳强度（等轴状组织是再结晶的结果），并易于超塑性变形；而层状组织具有高的断裂韧性，优异的抗蠕变性能和抗疲劳裂纹扩展性能。

由于双态组织综合了层状和等轴状组织的优点，因此具有优良的综合性能。

钛合金性能

钛合金的性能主要取决于α和β两相的排列方式、体积分数以及各自的性能，与β相相比，α相具有以下特征：

更高的抵抗塑性变形能力

较低的塑性

力学和物理性能的各向异性更强

扩散速率至少低于两个数量级

更高的抗蠕变性能

Al是最重要的α相稳定元素。

由于钛合金的断裂韧性与显微组织和时效条件密切相关，所以钛合金的成分与断裂韧性之间不存在确定的关系。特别是粗大层片状组织的断裂韧性高于细小的等轴状组织。层状组织韧性高的原因是由于这种结构可以使扩展裂纹沿不同取向的板条束发生倾斜，导致裂纹前沿钝化，从而吸收额外的裂纹扩展能量。

密排六方晶体结构的原子扩散能力和晶体变形能力相对较低是α相具有优异的抗蠕变性能的主要原因。随着β相体积分数的增加，钛合金的抗蠕变性能变差。

钛与氧之间的亲和力很高，这意味着即使在室温大气中钛合金表面也能形成一层非常薄的致密氧化层（TiO2）,这也是钛合金

抗蚀性优异的原因。

钛合金的最高使用温度主要不是受强度不足的限制，而是受其抗氧化能力相对较差的限制。β合金比α合金更容易氧化。

钛合金的另一个缺点是与周围环境中的O和H之间具有很高的反应活性，从而会导致合金脆化，所以钛合金的焊接必须在真空或惰性气氛中进行，α合金和α+β合金比β合金更容易焊接，当β合金时效至高强度水平时更是如此，α相的变形能力极为有限，并且加工硬度能力很强，意味着α合金和α+β合金只能在高温下变形，钛合金的变形温度随着β相体积分数的增加而降低。一些亚稳β合金甚至可以在室温下变形。连续的β相中嵌有细小的等轴状组织实现超塑性变形的要求。

钛合金化元素

钛合金的性能主要取决于两个因素：化学成分和显微组织。

钛合金的化学成分是决定α相和β相的性能以及体积分数的主要因素。由于密排六方晶体结构的变形能力有限，所以α相的塑性体心立方结构的β相。α相的扩散系数比β相低两个数量级以上，所以合金的抗蠕变形和抗氧化性随着铝含量的增加而提高，同时其塑性和变形能力下降。

Si、Sn、Zr和间隙原子氢可以强化α合金，硅原子趋向于在位错附近偏聚，可以有效阻止位错攀移，从而提高合金的抗蠕变性能。Mo,V和Nb对β相具有中等的固溶强化作用，在亚稳态β合金中，细小的w析出相可以有效强化β相。

传统钛合金

α合金

α合金主要用于化工和加工工业、在这些工业中首先要考虑的是合金必须具有优异的抗腐蚀性能和变形能力，而对高比强度性能的要求次之。作为间隙型合金化元素，氧可以显著地提高合金的强度，同时降低塑性。

近α合金

近α钛合金为典型的高温合金。由于他们兼具α合金优异的蠕变性能和（α+β）合金的高强度，高温应用选择这类合金很理想（500-550℃）

α+β合金

在（α+β）合金中，Ti-6Al-4V合金应用最为广泛。首先，它具有良好综合性能，其次，它是研究得最为深入且接受检验最多的合金，最大应用领域是航空工业领域。

亚稳态β合金

亚稳态β合金经强化后，可以获得1400MPa以上的极高强度水平。这类合金所具有的复杂显微组织可以使设计者获得最佳的高强度和高韧性，TIMETAL21S是专门开发的抗氧化薄膜合金，被用作长纤维增强钛合金的基体。