钛合金及其固态相变的归纳

本文以合金钼当量为标准对各国研制的 β 钛合 金进行了细致的分类，对钛合金的热处理种类进行 了归纳，同时对 β 钛合金强化热处理过程中的相变 规律进行了总结，为更加深入研究 β 钛合金提供帮 助和参考。
2 β 钛合金的分类
当合金中的 β 稳定元素含量足够高时，β 固溶 处理后经快速冷却将 β 相保留至室温，这种合金属 于 β 钛合金。
（2）ω 相变。 钛合金强化热处理过程中出现了 2 种类型的 ω 相：无热 ω 相（ωaltherma）和等温 ω 相（ωisothermal）。 根据它们的形成过程不同，一般认为在淬火过程中 形成的 ω 相为无热 ω 相，形态为椭球状；在时效过 程中形成的 ω 相为等温 ω 相，形态为立方形。它们 在一定条件下可以发生转化[30]。 β 钛合金中 β 稳定元素含量在 C2、C3 之间的合 金，马氏体转变开始温度降低到室温以下的某些合 金，淬火过程中 β 相部分分解为亚稳定ω相，也称 无热ω相。文献[31]中，βIII 合金从 900 ℃淬火得到 了ω相颗粒，淬火ω相密度极高，体积分数达 80％。 值得注意的是，淬火ω相不是马氏体转变的产物， 而是一种位移控制转变的产物。文献[32]和文献[33] 研究发现，ωalthermal 相以 3 种方式分解：1）α 相独 立的在 β 晶界处形核、长大最后合并ωalthermal 相；2） 时效时，淬火ωalthermal 相先继续长大，然后转变成 α 相；3）淬火ω相先溶解，再出现 α 相成核。 ωisothermal 相是 β→α 转变的一种中间亚稳定产 物，涉及到的相变有 2 个过程，分别为：β→β＋ ωisothermal 和 β＋ωisothermal→β+α，亚稳定 β 相在 550 ℃ 以 下 时 效 首 先 析 出 ωisothermal 相 ， 继 续 时 效 时 ， ωisothermal 转变为 α 相，最终转变为稳定的 α＋β 混合 组织。
近 β 型钛合金
Ti 6253
Ti-10-2-3 BT22U Ti-5523 (TB10)
Transage 134
Ti-16-2 BT22 BT30 Ti-17 SP-700 β-CEZ
表 1 国内外研制的部分 β 钛合金分类
成分
研制国家 钼当量
Ti-35V-15Cr Ti-40Mo
美国
47
美国
40
相统称为亚稳定相。后来的时效过程也就是这 3 类
亚稳相的分解。
（1）马氏体相变。
马氏体转变是一种无扩散相变[26]。当 β 相中的
合金元素含量较小时，晶格切变容易，形成六方 α′
相；当合金元素含量较大时，晶格切变会停留在某
一中间阶段，形成斜方马氏体 α″相。对于 β 钛合金
来说，由于其合金元素含量高，从 β 相淬火晶格切
类型
商业名称 Alloy C
稳定 β 型钛合金
Ti 40
Timetal 125 B120VCA
TC6 BT15 Ti-1-8-5
TB2 TMZF Timetal LCB BT35
β-C Timetal 21S
IMI 205 亚稳 β 型钛合金 Ti-8-8-2-3
BT32 TB3 TB4
β-21S
Ti-15-3 TB19 βⅢ TiMoZrAl
值得注意的是，由于合金设计中对添加不同合 金元素研究的侧重点不同，因而计算钼当量的表达 式有一定的差别，当然这个分类标准会有差别，但 差别不会太大。为了更清楚的对 β 钛合金进行区分， 表 1 列出了常见 β 钛合金的类型、名称、成分及应 用（[Mo]eq=1.0Mo+0.67V+0.44W+0.28Nb+0.22Ta+1.6 Cr+2.9Fe…+1.0Al）[2~20]。
Ti-2Al-8.5V-8.5Mo-1.2Fe-1.2Cr Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al
Ti-4Al-7Mo-10V-2Fe-1Zr
Ti-15Mo-2.6Nb-3Al-0.2Si
Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr Ti-15Mo-5Zr-3Al
Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al
英国
美国 美国 前苏联 前苏联 美国 中国 美国 美国 前苏联 美国 美国 英国 美国 前苏联 中国 中国
Ti-5Mo-5V-8Cr-3Cr Ti-12Mo-6Zr-2Fe
Ti-4.5Fe-6.8Mo-1.5Al Ti-15V-3Cr-1Mo-0.5Nb-3Al-3Sn-0.5Zr
Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr Ti-15Mo-2.7Nb-0.2Si Ti-15Mo Ti-8V-8Mo-2Fe-3Al
美国
日本 日本 美国
40
阻燃
24
高强飞机紧固件
23
骨架、起落架
21.6
弹性元件
21.6
弹性元件
19
紧固件
18.2
紧固件
18
矫形植入件
18
低价、高强度合金
16
高强骨架铸件
16
弹簧、结构件
16
矫形植入件
15
耐蚀
15
高强锻件
15
高负荷构件、发动机
13.9
紧固件
13.7
紧固件
抗氧化，金属基复合材
13
料
12.9
生物植入材料
12
生物植入材料
12
板材、骨架、铸件
Ti-3Al-5Mo-5V-4Cr-2Zr Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn Ti-15Mo-5Zr-3Al Ti-20V-3Al-1Sn
中国
12
美国
12
日本
12
日本
10
高强高韧耐蚀
高强 矫形植入件
运动用品
Ti-6Mo-25Nb-3Al
中国
10
弹性元件
1引言
随着航空事业的发展，航空新型结构件对材料 性能和加工工艺上的要求日益迫切，世界各国都在 发展强度和结构完整性优良的 β 钛合金以满足这一 需求。β 钛合金因具有比强度高、耐蚀性能优良的 特点受到各国的关注，但同晶型 β 钛合金成本过高， 人们把目光大多集中在共析型 β 钛合金上。通过在 金属钛中加入 β 稳定元素制备 β 钛合金。该类钛合 金的分类可根据 β 相组成分为：稳定 β 型、亚稳定 β 型和近 β 型钛合金。适当的热处理是改善 β 钛合 金性能的一个主要途径，而钛合金相变是钛合金热 处理的理论基础，因此，钛合金相变是一个研究重 点。
α′ to
α″+β α″
β
α″+β(ω)
α+α′
α+α″ β(ω)
α+α″+β
α+α″+β(ω) tk
α+β(ω)
温度/℃
α+β
α
Mr
Ms
Ti Cα C0 C1
C2 Ck
C3
Cβ
β 同晶元素含量/%
图 1 二元 β 同晶合金系亚稳相图
β 钛合金中各类合金的 β 稳定元素含量均高于
C1，因此自 β 相区高温快速冷却后会得到 α″、ω、β′ 相中的 1 种或几种视合金成分和温度而定。这 3 类
Ti-30Mo
美国
30
应用 阻燃合金
耐蚀
耐蚀
Ti-25V-15Cr-0.2Si
中国
40
阻燃
Ti-25V-15Cr-2Al-2Mo-0.2C
Ti-6V-6Mo-5.7Fe-2.7Al Ti-13V-11Cr-3Al
Ti-3Al-6V-5Mo-11Cr Ti-3Al-7Mo-11Cr Ti-1Al-8V-5Fe
第 25 卷 第 5 期 2008 年 10 月
Vol.25 No.5 October 2008
β 钛合金及其固态相变的归纳
吴晓东 1,2，杨冠军 1，葛 鹏 2，毛小南 2，冯宝香 1,2
（1. 西安建筑科技大学，陕西 西安 710055） （2. 西北有色金属研究院，陕西 西安 710016）
摘 要：本文以钼当量为标准对国内外研制的β钛合金进行了汇总和归类。β 钛合金按照亚稳定状态相组成可分 为 3 类：稳定 β 型、亚稳定 β 型和近 β 型钛合金。对 β 钛合金热处理过程中发生的固态相变进行了归类。β 钛合 金经强化热处理后可能发生 β→α″，β→ω，β→α，β→β′相变，时效时，亚稳相部分或全部分解。 关键词：β 钛合金；热处理；固态相变
Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe Ti-5Al-2Sn-2Cr-4Mo-4Zr-1Fe
美国
8.4
生物医学
美国
8.2
前苏联 8.0
高强、中温 高强锻件
前苏联 7.4 高负荷构件、发动机
美国
5.4
高强、中温
日本
5.3
高强、超塑成形
法国
5.1
高强、中温
第5期
吴晓东等：β 钛合金及其固态相变的归纳
3
β 钛合金按照亚稳定状态相组成可分为 3 类： 稳定 β 型钛合金、亚稳定 β 型钛合金和近 β 型钛合
金。钛合金研究设计者以钼当量作为分类标准，当 合金钼当量大于 25%（质量分数，下同）时，合金 是稳定 β 钛合金，稳定 β 型钛合金在室温具有稳定 的 β 相组织，退火后为全 β 相，具有良好的耐腐蚀 性、热强性、热稳定性，可焊接和冷成型，无热处 理效应；当合金中钼当量在 13.8%∼25%时，这类合 金 是 亚 稳 定 β 钛 合 金 ， β 元 素 稳 定 系 数 Kβ 为 1.37∼2 β 钛合金 含有临界浓度以上的 β 稳定元素，从 β 相区固溶处 理后急速冷却几乎全部为亚稳定 β 相；钼当量在 8.5%∼10.8%的合金属于近 β 型钛合金，近 β 型钛合 金前苏联也叫过渡型 α+β 钛合金，该类合金含有临 界浓度附近的 β 稳定元素，β 元素稳定系数 Kβ 为 1.10∼1.21，合金兼有 α+β 两相和亚稳定 β 相合金的 性能特征[1]。
中认为，α″相的分解经历了 α′相的中间阶段，这一
观点是不全面的。这是因为伴随着 α″相的时效，α″
相内析出细颗粒的 α 相，这样，在 α″基体中 β 稳定
元素富化也可形成 β 稳定元素高的 β 亚稳中间相。
这一过程对应 α″3 种分解过程。
α″→β 亚稳＋α″贫→α′＋β 亚稳→α＋β
（1）
α″→α＋α 富→α＋β 亚稳→α＋β
Ti-10V-2Fe-3Al Ti-3Al-5V-5Mo-1Fe-1Cr
美国
9.5
高强锻件
前苏联
9
高负荷构件、发动机
Ti-5Mo-5V-2Cr-3Al
中国
8.5
高压结构件
Ti-2.5Al-12V-2Sn-6Zr
Ti-16V-2.5Al Ti-5Al-5V-5Mo-1Cr-1Fe（苏）
Ti-11V-4Zr-6Sn Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr
2
25 卷
化转变。同素异构转变可发生在钛合金各个热处理 过程中，共析转变可发生在退火和时效两个过程中， 有序化转变只能发生在时效过程中。根据 β 钛合金 不同的热处理过程，可把 β 钛合金相变分为：淬火、
固溶过程中的相变；时效过程中的亚稳相的分解。 钛合金淬火过程中的相变可根据二元β同晶合
金系亚稳相图（见图 1）来预测[22~25]。
3 β 钛合金强化热处理中的相变
钛合金的固态相变有很多类型，M K Mequilla[21]概括为同素异构转变、共析转变和有序
收稿日期：2008-01-31 基金项目：国家 973 项目（2007CB613805） 作者简介：吴晓东（1984-），男，硕士，主要从事钛及钛合金的研究工作，电话：029-86231078，E-mail: wuxiaodong020312 @。
变困难，很难形成六方 α′相。
除淬火马氏体外，亚稳定 β 型钛合金在受应力
时也可能形成马氏体。文献[27]中，βIII 合金经 β
相区快速淬火后经塑性变形可实现马氏体转变。
时效过程中，这种马氏体在分解为最终 α+β 相
过程之前，要经历一系列复杂的中间过渡阶段。不
同成分和状态的合金，α″分解过程不同。文献[28]
（2）
α″→α″贫＋α″富→α″贫＋β 亚稳→α＋β
（3）
斜方马氏体还可以通过先转变为 β 相，然后再
发生分解。
β 贫→ω→α
α″→β 亚稳→
β 富→β
→α＋β
（4）
张少卿等人[29]通过 X 射线衍射和透射电镜研 究 Ti-1023 合金时效相变，发现合金在相变点之上 850 ℃淬火组织主要是 β 相，其次为 α"马氏体和无 热ω相。经 350 ℃，30 min 时效后，α″马氏体逆 转变为 β 相，亚稳 β 中析出 ω 相；450 ℃，30 min 时效后形成 α 相，这一温度下 α 相的形成方式可能 有 2 种：1）α 相在 ω 相颗粒上形核；2）α 相在 β 相晶界及晶内位错处形核，510 ℃，30 min 时效， β 相直接分解为 α 相。合金在低于相变点的 770 ℃ 淬火组织主要由 α 相、β 相、少量无热 ω 相和 α″ 马氏体相组成。经 250 ℃，30 min 低温时效发生 α ″→β 转变；350 ℃，30 min 时效发生 β→β＋ω 转 变；400 ℃，450 ℃，510 ℃时效相变与 850 ℃淬 火时效相变一致。可看出时效过程中的 α″马氏体 分解属于第 4 类。