锡对钛及钛合金的影响

锡对钛及钛合金的影响

一、钛及钛合金中的元素组成及其作用分析

莫畏主编的的钛书籍《钛》中介绍，钛及钛合金中的化学元素根据其化学性质和对钛及钛合金的影响程度分为杂质元素和合金元素。

（1）杂质元素：对钛及钛合金来说碳、氧、氮、氢、硅、铁是由原材料或在加工过程中带入的元素，这些元素可使钛及钛合金的塑性降低、甚至使断裂韧性、低温韧性、疲劳性能、耐蚀性、冷成型性和可焊性等变坏，因此在钛及钛合金中对其规定了最高允许含量，称为杂质元素。

（2）合金元素：为了优化和改变钛及钛合金的性能，按一定含量范围加入到钛及钛合金中的元素，称为合金元素。该些元素的添加，改善了钛及钛合金的组织结构进而优化了其性能。根据对钛及钛合金的影响，将合金元素分为α稳定元素、中性元素、和β稳定元素。钛合金中常用的合金元素及其强化效果见下表：

表1 钛合金中常用合金元素的强化效果

（3）钛及钛合金中，中性元素主要有锆和锡。中性元素对钛及钛合金的组织和性能的影响：

●降低（α+β）/β相变点；

●减少ω相的体积分数，提高钛及钛合金的耐蚀性；

●在α钛和β钛中均有较大的固溶度，能提高钛及钛合金的室温抗

拉强度、高温拉伸性能和电阻率；

（4）中性元素在钛及钛合金中的应用

锆和锡在钛及钛合金中主要起固溶强化作用。在α钛合金中，与铝一起还起到稳定α相的作用。在α和（α+β）/β合金中，用来提高合金室温及高温的抗拉强度和耐热性能。在β型合金中，作为抑制ω相的元素，可提高合金的耐蚀性，并可以改善合金的焊接接头塑性。

（5）锡在生物医用钛合金方面的应用

东北大学理学院材料物理与化学研究所和中国科学院金属研究所沈阳材料

科学国家实验室联合发表的论文《生物医用含锡元素钛合金的研究和进展》中介绍，在钛合金中掺杂一定量的Sn有益于医用钛合金性能的改善。(1)掺杂Sn能更好地降低钛合金的杨氏模量，使其更接近人体骨骼的模量。(2)对Ti基多组元合金的研究表明，合金中Cu和Ni量的减少，以及Nb和sn量的增加会使树枝状结构的体积分数增加，从而进一步导致塑性应变量的增加，一定量的Sn分散在合金中还不会降低Ti的溶解温度。(3)Sn具有简立方结构，可促进口相的形成，并有利于形成纳米体微结构[3]，而且Sn还具有良好的生物相容性及组织反应的抗腐性。(4)Neite等还发现不同金属的弹性模量不同，比如Mg、Sn、Zr及其合金会有40GPa的低模量，且Sn不影响钛合金的热稳定性。因此，掺入一定量的Sn 是提高医用钛合金性能的一种很好的方法。

TiNbSn合金能达到很高的塑性应变量，是一种具有形状记忆功能和超弹性的合金，日本花田修治(S Hanada)教授的研究小组研究了掺杂4％～5％(t001)Sn 的Ti-16mol％Nb合金的马氏体相变及拉伸性能。随着Sn量的增加，马氏体转变温度迅速下降(Sn量增加1％，相应温度降低150K)，同时马氏体起始温度M及奥氏体终止温度氏也下降。且含Sn量高，可以获得较大的超弹性应变。由于Ti、Nb和Sn有很好的生物相容性及组织反应的抗腐性，Ti-Nb-Sn合金还可以克服TiNi 合金中由于纯金属的细胞毒素所带来的缺点。

通过上述分析，我们可以清楚地看出掺杂锡的钛合金具有更优越的综合性能。

二、锡对钛管材性能的影响

GJB3423A-2008《航空用钛合金管材规范》中对管材的抗拉强度、延伸强度、断后伸长率三项力学性能有一定要求，从上述锡对钛及钛合金在组织和性能影响可看出，锡元素对钛管材来说可提高其抗拉强度，且对其延伸强度和断后伸长率无副作用。

洛阳顺易钛业有限公司

2012年1月8日