钛及钛合金综述Word文件下载.docx

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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。

TA7是一种钛－铝－锡三元系全α钛合金。

它在退火状态下具有中等强度（80Kg/mm2左右）和足够的塑性，焊接性能良好，可作为500℃以下温度使用的结构材料，短时间使用的温度可达900℃。

TA7的间隙元素含量极低时，在超低温（－253℃）还具有良好的韧性和综合性能，是优良的超低温用合金。

TA8是一种有沉淀硬化效应的α＋化合物合金。

它具有较高的室温抗拉强度和较好的耐热性能，可作为450℃温度工作的压气机盘及叶片用材料。

2β合金

β合金包括TB1和TB2两种合金。

TB1合金是一种亚稳定β型钛合金。

它是在固溶处理状态下较交货，具有良好的冷成型性和可焊接性。

TB1合金在固溶处理加时效处理状态下，可获得130Kg/mm2以上的室温抗拉强度和5％以上的伸长率。

焊接后的时效处理将使焊缝脆化。

TB2合金也是一种亚稳定β型合金。

它在固溶处理后一般采用空冷，并具有良好的冷成型性和焊接性能。

TB2在固溶加时效处理后，室温抗拉强度可达140Kg/mm2，伸长率可保持7～8％以上。

但是TB2合金在焊接结构中应降低强度使用。

一般用在350℃以下使用的高强度结构件上。

3α＋β合金

α＋β合金包括TC1、TC2、TC3、TC4、TC5、TC6、TC7、TC8、TC9、TC10等十种合金。

TC1合金是具有良好冷成型性和焊接性能。

它是在退火状态下交货使用，可作为在400℃以下温度使用的结构材料。

目前主要以板材和管材形式供货。

TC2具有良好的冷成型性和焊接性能。

它的抗拉强度比TC1稍高，也是在退火态交货使用，可作为在400℃以下使用的结构材料从。

TC3合金是一种具有中等强度水平的α＋β型合金，它在退火态下的低温韧性仅次于TA7。

TC3合金具有弱的热处理强化效应，一般在退火状态下交货使用。

TC3薄板具有良好的焊接性能，但成型时需要加热，它主要以板材的形式供应。

TC4合金是目前应用最广、产量最大的α＋β型合金，具有中等强度和适用的塑性。

TC4主要产品有棒材和饼材，可用做450℃以下使用喷气发动机压气机叶片和涡轮盘。

TC4具有良好的焊接性能，可热处理强化，一般在退火状态下交货使用。

TC5是一种三元系α＋β型合金，它在室温下具有中等强度和适合的延性，较好的高温持久性能，，有热处理强化效应。

由于它的热稳定性能较差，已逐渐为TC6合金所代替。

TC6合金的化学成分相当于在TC5合金的基础上添加了2％钼和1％铁。

与TC5相比，TC6的热强性能高，热稳定性能好。

TC6是在450℃以下使用，主要作为飞机发动机结构材料。

TC7合金是一种具有化合物吸出的α＋β型合金。

TC7在500℃以下具有较高的抗拉强度，而且焊接性能良好。

TC7合金主要以板材和棒材形式应用在500℃以下使用的飞机发动机构件上，交货状态为退火态。

TC8合金是一种具有弥散强化效应的α＋β型合金。

TC8在450℃以下具有较高的抗拉强度，但热稳定性差。

在退火状态下，它可作为450℃以下使用的飞机发动机零件，但目前应用较少。

TC9在室温具有中等强度并具有较好的高温力学性能和热稳定性能。

TC9主要以棒材和饼材供货，主要应用在450～500℃使用的喷气发动机的压气机盘和叶片上。

TC10合金是在TC4基础上发展的一种高强度α＋β型合金，它具有热处理强化效应。

一般在退火状态下使用，使用温度在400℃以下。

近年来，随着我国钛工业的发展和市场的需求，相继又出现了TA9、TA10、TA15等α型合金和TC11、TC16等α+β型合金，为我国的航海、航天和航空工业作贡献。

三高强度β合金的研究发展和应用

1高强度β合金发展的现状

高强度β合金是指亚稳定β钛合金和近β合金。

稳定β钛合金由于与其它β钛合金比较优越性不大，作为结构材料在工业中还未找到广泛的应用。

这类合金的缺点是：

含大量的合金化贵重元素，不能热处理强化，比重偏大。

但是它有独特的性能。

TI－32Mo具有很高的抗腐蚀性能，其它合金不能比拟的。

正式由于这个性能，世界上好几个国家都争先开始投入大量的人力、物力来研究这种合金。

（1）美国β钛合金的发展情况

世界上第一个β钛合金是上世纪50年代在美国研制成功的，首先在工业上应用的β钛合金是B-120VCA（Ti-3Al-13V-11Cr），该合金的特点是，除含有与β同晶形的V元素外，还含有大量的能组成共析体的Cr元素；

合金在淬火状态下具有高的塑性，在时效处理后合金有很高的强度水平。

到70年代末，在收音机上使用后，所积累的足够资料证实，这个合金存在着许多不足，即在冶金过程和产品制造中性能的稳定性差。

含有大量的Cr元素和β钛合金，在温度超过200℃和工作应力下，长期负荷时出现脆性，由于Cr元素含量高，β钛合金中形成了Cr化合物，导致了脆性的发生。

70年代之后，吸收了B-120VCAβ钛合金的经验，又一代新的β钛合金出现，采用Mo，V，Nb为特定β相元素。

尽量减少或不选用Cr元素的合金，为了强化β相和β相、合金中选用了中性元素Zr和Sn，这样就不会出现共析脆性。

在这一时期研制的β钛合金较多：

例如Ti-16-2（Ti-16V-2.5Al），Ti-17（Ti-5Al-4Mo

-4Cr-2Zr-2Sn），βc（Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr），β-CE2（Ti-5Al-4Mo-2Cr-4Zr-2Sn），BⅢ（Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Cr），Ti-1023（Ti-10V-2Fe-3Al），Ti-15-3（Ti-15V-3Al-3Cr

-3Sn），β-21s（Ti-3Al-8V-4Mo-6Cr-4Zr）等，上述这些合金的性能差别不大，但是它们的综合性能和工艺性能有明显的差异，它们的应用范围也有不同，在整个钛合金的发展过程中，在不同的程度上都起到很大的作用。

尤其是Ti-1023，Ti-15

-3和β-21s三个新的β钛合金，在当今世界上许多国家，包括中国在内都在进行仿制、研究和应用，具有很广泛的影响。

Ti-10V-2Fe-3Al（Ti-1023）钛合金是由于Timer公司在80年代初期开发的，是用做收音机机架与结构钢材料竞争的高强高韧性合金。

此合金经适当的加工和处理可达强度、韧性和抗疲劳性能的最佳配合。

Ti-15V-3Al-3Cr-3Sn（Ti-15-3）β钛合金是在美国空军部门资助下开发出来的。

确定成分的初步合同是由洛克希德公司完成的，随后由Timer公司进行了一系列改进性研究，使产量有了递增。

此合金突出的优点是冷变形性能好，可以生产薄带和板材。

时效硬化性能和可焊接性能优良。

Ti-15-3合金是作为有生命力的航空航天合金出现的，可以生产出箔材、线材、板材和管材等多个品种。

B-1上的250多个零部件是联合制造出来的。

它在波音777上应用控制系统管道和灭火罐。

最令人鼓舞的是用它制造垒球棒，可以归入消费品市场，它的用途已经扩展。

β-21s是Timer公司在1998年为麦道公司提供一种用于航天飞机的钛合金基复合材料中所需的抗氧化箔材而开发的。

与Ti-15-3相比，β-21s的抗氧化性能提高的100倍左右。

它具有特别好的高温强度和抗蠕变性能，因此可用于管道、发动机衬套和喷管等结构之中。

波音公司已经选用β-21s合金作为777的衬套和喷管材料合金。

最高工作温度超过了540℃，但应力比较低；

也可以将该合金用于260～425℃温度范围内的高应力的用途。

（2）俄罗斯（独联体）β钛合金的发展

俄罗斯β钛合金是在上世纪50年代末出现的，研究的第一个β钛合金是BT15（Ti-3Al-7Mo-11Cr），很相似于美国的B-120VCA合金，其主要区别是不含V，而是用Mo代替，据说当年俄罗斯没有高纯度的V元素。

在同一时代又研制出另一种β钛合金TC6（Ti-3Al-6V-5Mo-11Cr）。

它们在60年代和70年代初经过了工业部门的广泛试验，作为弹性元件和蜂窝结构数量不大，到70年代末的应用中发现了在长时间负荷作用下出现了脆性。

在β钛合金中又改进了一些新合金。

例如BT30（Ti-11V-4Zr-6Sn），BT32（Ti-2Al-8.5V-8.5Mo-1.2Fe-1.2Cr），BT35（Ti-3Al-15V-1.2Mo-1.2Zr-3Sn-1.5Nb），BT22（Ti-5Al-5V-5Mo-1Fe-1Cr），BT22U（Ti-3Al-5V-5Mo-1Fe-1Cr），这些合金的性能差不多。

目前在俄罗斯应用较为广泛的β钛合金是BT22、BT22U、BT32、BT35和老合金BT15。

其中BT22合金的用量和用途广，在世界各国的应用影响大，它是用于高负荷构件及焊接件，在宇航技术和发动机制造业中较为广泛的应用。

（3）中国β钛合金的发展

中国的β钛合金发展也比较早，上世纪60年代初期北京有色院金属研究院研制出了Ti-55378（Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al）合金；

合金化原理和性能与BT5和B120-VCA合金很相似；

研制工作和应用取得了较大的进展，并于1969年列入冶金部标准，牌号为BT2合金。

进入70年代，世界上β钛合金有了很大的发展，研制出了新品种牌号合金，对原来的β钛合金的不足进行了改进，在这个时期宝鸡有色金属研究所研制出了Ti-22（Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al）和上海钢铁研究所研制出了Ti-47121（Ti-4Al-7Mo-10V-2Fe-1Zr）这两种β钛合金经过了10年的研究和应用，也取得了较大的成绩，并于1993年列入国家钛合金标准，其牌号为TB3和TB4。

亚稳稳态β钛合金主要用于紧固件，航空航天空间承力结构件。

TB2合金带材制作星箭连接带用于卫星的发射，该合金制作的燃气发生器壳体通过试验，力学性能和性能稳定性满足了设计的要求。

TB3β钛合金飞机紧固件的应用很成功，正在向其它飞机上推广应用。

TB4合金层试制过高销螺栓紧固件，由于丝材表面质量满足不了要求，最终没有成功，但该合金在物理工程中作了大量的工作，80年代每年供货量一吨左右。

也曾为潜艇提供制造刀具的材料。

从上述三种β钛合金比较，TB2和TB3研制工作进展快，领导部门重视的结果。

TB4由于90年代中期以后，科研人员发生了变换，钛合金后继无人，对钛合金的发展受到较大的影响。

近β钛合金的研制北京有色院填补了我国的空白，Ti-5523（Ti-5Mo-5V-2Cr

-3Al）合金比较成功，它与俄罗斯BT22和美国Ti-1023相似，主要用于航空飞机和大锻件。

机械性能由于其它两个合金。

据介绍已经在航天领域制作飞行器硬回收体装置，在石油化工领域中用于中医结构件和高压结构件等。

（4）日本β钛合金的发展情况

日本发展β钛合金重点是民品工业，用于生物体工程植入发展很快、吸收了欧美国家的生物体工程的经验，选用无毒合金化元素，研制出自己的β钛合金，例如Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr。

它选用对人体有利的元素Nb、Ta和Zr，合金的成本是很高的，但对人体是有利的。

另一个新β钛合金是Ti-15Mo-5Zr-3Al，这是日本早期研制的合金，它的用途比较广泛。

这两个β钛合金强度和塑性配合的很好，生物相容性良好，弹性模量较好的生物工程材料。

日本住友金属工业公司开发了一种冷锻和冷变形优良的钛合金（Ti-20V-3Al-1Sn）。

把β钛合金向民生用品和眼镜架领域开发，提高β钛合金冷加工性是非常重要的。

应该是冷加工应力低，以不产生冷成型裂纹为加工界限，同时考虑在冷锻造和挤压成型时控制磨损等因素。

这个合金与Ti-15-3和βc钛合金比较，变形抗力低，极限后缩率达到80％以上。

经过850℃固溶处理后，进行450℃或500℃时效处理30小时，强度可达到1400Mpa。

可以采用现有的钢铁制作设备，可以生产出板、棒、带和线材等。

采用这些产品加工成高尔夫球杆、球头、眼镜架和自行车零部件等，这个合金在民生用品中很有前途。

2β钛合金的应用范围

（1）在航天航空工业上的应用

在对全球主要航空机构所作的调查表明，β钛合金在很大程度上开始应用于军用和民用飞机上。

主要原因能够减轻飞机的重量，提高飞机的飞行速度。

现在最明显的实例Fe基和Ni基合金正在被Ti-1023钛合金所代替。

β钛合金可以通过热处理达到横的强度水平，具有良好的断裂韧性和优良的疲劳强度性能。

从β钛合金目前的应用来看，合金锻件占了相当的比重。

Ti-1023合金的应用是锻件β钛合金的典型。

波音公司第一个将该合金用于波音757，用它来取代钢铁材料，既达到了相当的强度水平，同时可能使重量减轻。

波音777是Ti-1023合金用得最多的机型，该机的主要起落架几乎整个都是用Ti-1023合金制造的，用来代替4340M合金，并可使每架飞机减重270公斤左右这个合金的最大优点可锻性优良，采用低的锻造温度，可以降低模具成本。

在80年代中期，北美洛克韦尔公司在B-1B轰炸机上使用T-15-3β钛合金，每架飞机上使用T-15-3成型零件达100个以上。

该合金冷成型优良，使零件成本下降。

俄罗斯开发的可锻造多的BT22合金在世界上影响较大，该合金不仅限于锻件，还能挤压成管及其它产品。

其应用包括IL-86和IL96-300上的起落部件、襟翼轨道和其它高承载部件。

中国研制的TB2钛合金制作星箭连接带在航天工业获得很大成功；

TB3合金在飞机上左紧固件也很成功。

（2）生物体用β钛合金的开发

据日本有关资料介绍，到21世纪初，65岁以上的高龄者占世界人口的25％，开发能安全、长期植入人体内新材料显得更为主要。

就金属材料的使用尔言，不锈钢占一半，其次是钛及钛合金。

不锈钢的耐磨性和生物相容性较差，它的加工优良、成本低；

钛合金具有良好的耐腐蚀性和生物相容性，耐磨性较差。

生物体用钛合金，要求抗拉强度600～1000MPa范围，延伸率在6～28％，β钛合金的优良性能基本上都满足了。

（3）β钛合金在生活用品和文体用品上的开发

最近几年，日本在钛上的应用结构发生了很大变化，不是在军工产品上，而是在民用生活用品和文体用品上的用量增长非常显著，消费量达到1057吨。

这一领域中，以眼镜架的新开发为代表，扩展到许多领域。

民生制品和文体用品由于需要冷轧或冷挤压加工，要求高的强度，冷成型优良的钛合金。

除了纯钛之外，就是β钛合金的特性了。

β钛合金在固溶处理状态是体心立方单相组织，此时有良好的热加工特性，经过时效处理析出六方晶格β相，使其强度提高。

希望在冷加工时加工应力降低，不允许产生冷成型时的表面裂纹，同时要求能够冷加工锻造，冷挤压成型后优良。

据此，日本住友金属工业公司开发了新型β钛合金Ti-20V-3Al-1Sn合金。

Ti-20V-3Al-1Sn合金具有良好的冷加工性能，可以利用现有的钢铁制造设备生产β钛合金，可以生产出板、棒、线材等产品。

利用这些产品可进行加工高尔夫球杆、球头、自行车零部件，眼镜架等民生制品和文体用品。

3β钛合金发展中影响工艺和性能的问题

自从美国首次研制成功的β钛合金以来，经过五十年的发展历史。

在这期间，各国相继发展了许多牌号的β钛合金，为钛合金领域做出了贡献。

但是，与α型和α＋β型钛合金相比较，它所占的钛市场总量比例很小（美国占1％，独联体占3％），而在发展中存在一些问题。

因此，国际上比较重视，已经召开了两次β钛合金国际会议，针对β钛合金的特点，提出了一些现存在的问题。

这类钛合金的成本比较高，主要来自配方成本，因为它需要高浓度的高价格的β稳定元素（如Mo、V、Nb等）。

由于纯金属的熔点和密度较高，必须采用Al-V、Al-Mo和Ai-Nb中间合金配入，可以减少合金的成本。

这类钛合金在冶炼中容易产生偏析现象，影响钛锭的质量，就要求改善冶炼工艺，提高合金的成材率，使合金的成本尽量减少。

β钛合金一般具有优良的铸造充满特性，但偏析可能会限制某些钛合金的应用。

β钛合金具有优良的冷加工性能和冷成型性能，可以生产出多品种多规格的产品。

由于它的模量低，强度高，常常会产生在工具设计时，必须考虑严重的弹性后效作用。

β钛合金在固溶处理时，单相β相比较稳定。

但在时效处理时，性能很不稳定。

由于具有较宽的显微组织区间，则在工艺过程中显微组织发生变化（包括β晶粒尺寸，晶界α析出，初生针状α的变化），需要有精确的从显微组织方面给予测性能的能力，这对于生产大型部件和锻件非常重要。

β钛合金在固溶状态下具有单一的组织稳定性，机械性能和物理性能比较稳定，具有良好的冷加工性能，具有低的弹性模量（一般为65～75GPa），与人体骨头的弹性模量相近，适合于人体生物植入部件。

时效处理，β钛合金性能不稳定，也是β钛合金的主要缺陷，强度很高，塑性下降，弹性模量一般为103～110GPa。

β钛合金的机械加工性能较差，它的硬度高于一般钛合金（一般大于洛氏硬度45～50），加工成本高，机加工部件难度大。

β钛合金适合于冷成型部件，具有良好的可焊接性能，适合于300℃以下的温度范围。

应用成功的不多，其主要原因是多方面的，产品的成本太高是一个主要原因。

在β钛合金是在综合性能良好的这一驱动力作用下开发的，这些性能包括力学性能、物理性能、耐腐蚀性能、焊接性能和制造性能等。

以后，这一驱动力将继续起作用。

成本高的不利因素和其它因素，将在β钛合金的发展中得到解决，β钛合金在钛市场中毅然具有很强的竞争力。

四高温钛合金的发展状况

1高温钛合金的研究发展与应用

高温钛合金是随着航空工业的发展而发展起来的，其研制工作始于上世纪50年代初。

世界上第一个研制成功的高温钛合金是Ti-6Al-4V，使用温度为300~350℃。

随后相继研制出IMI550、BT3-1等合金，使用温度稍有提高，达400℃左右。

60年代，各国先后研制成功了IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金，使用温度在450℃以上，均不超过500℃。

目前已成功地应用于军用和民用飞机发动机中的新型高温合金有：

英国的IMI829、IMI834；

美国的Ti1100合金；

俄罗斯的BT18Y、BT36合金等。

进一步提高这些合金的工作温度往往受到蠕变温度、组织稳定性和表面抗氧化能力的限制。

美国冶金学家用0.5%~1%Ta（质量分数）代替IMI834合金中的Nb，称为IMI834-Ta。

IMI834-Ta合金的高温性能和IMI834几乎相同，600℃时屈服强度达580MPa、蠕变性能高于IMI834。

另外，在合金中添加硅和铁是至关重要的问题，硅能有效地改变蠕变强度；

相反，增加铁含量贵蠕变强度却有致命的影响，铁含量必须控制在0.015%以下。

减少偏析程度和夹杂物，对提高高温合金的性能有明显的作用。

近几年国外把采用快速凝固/粉末冶金技术研制钛合金作为高温钛合金的发展方向，使钛合金的使用温度可提高到650℃以上。

美国麦道公司采用这种技术成功地研制出一种高纯度、高致密性钛合金，在760℃以下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度。

2影响高温钛合金性能的因素

（1）各向异性

纯钛的同素异构转变β

α，决定着高温钛合金的基本相组成为α+β。

研究表明低温稳定α相具有较高的强度，其屈服强度约为β相的四倍，其热稳定性也明显高于β，而β相具有较好的塑性。

Inagaki在研究钛合金超塑性时指出，增加β相的量可以增加合金的延展性，合金元素在β相内的扩散速度比在α相内高出2个数量级，在α相周围的β相薄膜内的变形是大量超塑性变形的起源。

就变形能力而言，具有Bcc结构的β相由于其滑移系远多于Hcp结构的α相，所以β相的变形能力要明显优于α相的变形能力。

（2）组织对合金性能的影响

与钢不同，钛合金的组织在热变形时就已定型，热处理过程中不发生实质性的变化。

在钛合金半成品的生产过程中，随着变形条件的不同可获得三类基本显微组织：

第Ⅰ类显微组织（等轴组织），是均匀分布的混合组织，其中有初生的α相和α+β混合组织。

其初生的α相含量与（α+β）相区固溶处理温度有关，随着固溶处理温度的提高，初生α相含量减少；

第Ⅱ类显微组织（网篮状组织），这种组织的特点是保留下来的原始β晶粒轮廓中存在着网篮编织的片状结构，初生α组织被拉成片状，其间分布着α和β的混合体；

第Ⅲ类显微组织，是粗大的原始β晶粒和晶内的粗针或细针状组织，这类组织相对于Ⅰ类和Ⅱ类组织各方面性能都没有优势，在高温钛合金锻造时基本不被采用。

等轴组织（Ⅰ类）相对于网篮状组织（Ⅱ类）具有较高的拉伸强度、好的塑性和优良的疲劳裂纹产生抗力；

而网篮状显微组织则具有高疲劳裂纹扩展抗力、高断裂韧性和优异的抗蠕变性能。

原则上在相变点以下50℃范围内热加工，能获得介于等轴组织和网状组织之间的双态组织，等轴α相的含量随锻造温度的提高而减少。

这类组织兼顾了等轴组织强度及塑性好和网状组织热强性好的优点，目前热强钛合金片普遍采用这种锻造方式。

（3）合金元素对合金性能的影响

高温钛合金的发展主要方向是合金组元的多元化，目前主要的合金元素有Al、Mo、Zr、Sn、Si、Cr、V、Fe、W、Nb等，不同组元对合金性能的贡献不同，研究各合金组元的作用对高温钛合金的设计意义重大。

（a）合金元素对β转变温度的影响

纯钛自身在882℃发生同素异构转变，钛合金的β转变温度

是指它的β/α+β相转变温度。

合金元素根据其对β转变温度的影响，可以分为三类：

提高β转变温度的元素称为α稳定元素，降低β转变温度的元素称为β稳定元素，介于两者之间的元素称为中性元素。

中性元素在钛合金中所起的某些作用与α稳定元素相同，因此通常也被当作α稳定元素来看待。

合金元素分类示意图如图1所示。

图1钛的合金元素分类示意图

由于α稳定元素能提高α相的稳定温度范围，增加α相的体积分数，所以原则上添加α稳定元素可以提高合金的热稳定性和强度。

铝是钛合金中最常用的α稳定元素，Rosenerg将其它α稳定元素的作用与铝的作用进行比较，提出了著名的铝当量经验公式，来衡量钛合金中α稳定元素的综合作用：

（1）

β相相对α相塑性较高，添加β稳定元素能增加合金中β相的体积分数，提高合金的塑性，同时α+β型钛合金可通过热处理改善性能。

钛合金中β稳定元素的综