一文掌握钛及钛合金基础相关知识

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，其热膨胀系数小、热导率低，在常温下为密排六方的α相，在883℃时发生同素异构转变，变为体心立方的β相。钛合金具有低密度、高比强度、耐高温、抗腐蚀等优异的综合性能，是飞机机体和航空发动机最主要的结构材料之一 。随着钛合金技术的发展，它也被广泛应用到其他领域。本期内容较多，小伙伴们可以先收藏慢慢看哦~

钛合金概述

钛，是一种重要的金属元素，其物理和化学性质如图1所示。钛在元素周期表中的原子序数为22（第4周期，第NB族），具有银白色金属光泽，密度为4.507g/cm', 熔点为1660℃，沸点为3287℃，具有熔点高、密度小、强度大、延展性好等多种优良特性，是一种重要的工业材料。

钛合金，是指以钛元素为基础，添加单种或多种其他元素制备形成的新型合金。钛的活性较高，大多数元素均可与其互相作用，形成连续固溶体、有限固溶体、金属化合物、共价化合物、离子化合物等。合金元素可以通过改变其同素异构转变点和相组成等，达到优化其性能的目的。

Ti与元素周期表中大多数元素都能发生反应，根据其与钛的相互作用 ，可将元素周期表中的元素分为四类：第一类是卤族元素和氧族元素，与钛生成离子化合物 ；第二类是过渡元素、氢、铍、硼族元素、碳族元素、氮族元素，与钛生成金属间化合物和有限固溶体；第三类是锆、铪、钒族元素、铬族元素、钪，与钛生成无限固溶体；第四类是惰性气体元素、碱金属元素、碱土金属元素、稀土元素（钪除外）、婀、牡等元素，不与钛发生反应或基本不发生反应。有70多种元素能与钛形成二元合金，分为αβ稳定型、αβ-完全固溶型、β完全固溶型、β共析型四种类型。图2为四种类型的二元钛合金相图。

图2 四种类型的二元钛合金相图

表1 与钛作用的合金元素分类

我国钛工业早在1954年就开始起步，1955年用金属镁还原法制备出了海绵钛，1956年开始钛渣试验，1958年正式进入工业生产阶段，生产出了钛锭、钛管、钛板等原材料和型材。我国钛工业发展至今，大致可分为三个阶段：创业期（1952~1978年），成长期（1979^2000年），崛起期（2001年至今）。

钛具有两种同素异构结构，即α相与β相，其同素异构转变点约为882℃，当温度低于相变温度时，钛具有密排六方结构，被称为α(α-Ti)；当温度高于相变温度时，钛具有体心立方结构，被称为β钛((β-Ti)。同素异构转变的存在使钛合金具有迥异的特性和应用，因此可以用多种方法对其进行分类。

（1）按组织结构进行分类

利用钛的同素异构特点，在钛合金中加入不同的相稳定元素，使相变温度和相成分含量呈现出差异。根据室温条件下获得不同的基体组织，可将钛合金分为以下三大类：α钛合金、β钛合金和a+β钛合金，其牌号分别用TA,TB和TC表 示。其常见分类如表2所示。

由于钛合金中β相的数量及稳定程度与β稳定元素种类及含量有直接关系，也可按照β相稳定系数对钛合金分类。β相稳定系数是合金中各β稳定元素的浓度与其临界浓度的比值之和，表征钛合金中β相的稳定程度或β稳定元素的作用，表3为常用β稳定元素的临界浓度 Ck。根据浓度计算出相应的β相稳定系数Kp，表4为常用钛合金的Mo当量和β相稳定系数。

（2）按性能特点进行分类

众所周知，钛具有十大特性：①密度小，强度高，比强度大；②耐热性能好；③耐蚀性能优异；④低温性能好；⑤无磁；⑥热导率小；⑦弹性模量低；⑧抗拉强度与屈服强度接近；⑨在高温下容易被氧化；⑩抗阻尼性能低。此外，钛具有三种特殊的功能：①形状记忆；②超导；③储氢。根据其性能特点，可以将钛合金分为结构钛合金、耐热钛合金、耐蚀钛合金、低温钛合金、功能钛合金等几类。

（3）按应用领域进行分类

钛具有诸多突出的优点，被人们称为“太空金属”“海洋金属”等，在国防军工和国民经济中具有广泛而重要的用途。根据其在各行业的使用情况，可以大致分为以下几类：

(1)航空航天用钛合金，航空航天是钛及钛合金的主要应用领域，其用量约占世界总用钛量的一半。有数据显示，飞机每减重lkg，其使用费用可以节约220-440美元。对火箭来说，减重可以达到减轻发射重量、增加射程、节省费用等目的。在航空领域，主要用钛的部位有：航空发动机的机匣、风机叶轮、机座、压气机匣、叶轮、集气管，飞机机身结构件、机翼结构件、高压油管、尾翼结构件、舱门、座椅导轮、起落架等。在航天领域，主要的用钛部位有：火箭发动机叶轮、燃料箱、压力容器、火箭喷嘴套管、输送泵、星箭连接带，人造卫星外壳、天线，载人飞船船舱、起落架、推进系统等。

(2）化工用钛合金。化工用钛主要是利用钛的抗腐蚀性能，以纯钛居多。化工用钛是我国用钛量最大的领域，约占我国用钛量的一半左右。在化工领域主要用钛部位有：氧化塔、反应釜、蒸馏塔、储槽、热交换器、泵、阀、管道、电极等。

(3)体育休闲用钛合金，体育休闲用钛是目前极为活跃的一个领域，各种新型钛合金不断运用于此。在我国，体育休闲用钛合金使用规模约占全国用钛量的五分之一。目前主要的产品有：高尔夫球杆头与球杆、钓具、自行车、滑雪板、手表、眼镜架、相机、钛画板等。

(4）电力用钛合金。电力用钛合金主要利用钛的抗腐蚀能力，尤其是在海滨的电站，对防腐具有极高的要求。在电厂，主要用钛的部件有：蒸汽轮机转子叶片、凝气管，海滨电站海水进出口衬钛管和衬钛板，火电站烟囱钢钛复合板等。

(5)生物医用钛合金。钛和钛合金耐腐蚀性强、化学性能稳定、无磁性、无毒性，其弹性模量和膨胀系数与人体骨骼相匹配，因而具有极佳的生物相容性，在生物医用领域逐渐替代不锈钢、Co-Cr合金等，开辟了钛又一应用领域。目前生物医用钛的零件主要有：人体骨骼、牙齿、心脏起搏器、心血管支架、各种手术器械等。

(6)其他领域用钛合金。除了上述领域外，钛合金还在海水淡化、船舶、建筑、交通运输、冶金，以及其他高技术领域被广泛应用。钛合金耐蚀性能使其在船舶、建筑等传统领域大放异彩；因其密度小、比强度高等特点也被广泛应用于交通运输等领域；在高新技术方面，随着钛合金性能的开发和成型技术的改进，已逐步应用于大型激光器、磁悬浮列车等高精尖领域。

（4）按晶粒尺寸进行分类

按照晶粒尺寸分，钛合金又可以分为传统铸造粗晶钛合金（>1000nm）和细晶钛合金（<1000nm)。随着对钛合金的不断深入研究，钛合金有着向微纳尺度发展的趋势。依照晶粒尺寸，细晶钛合金又可分为：超细晶钛合金（100-1000nm), 纳米晶钛合金（(1-l00nm）和多尺度钛合金（多种尺度同时存在）三大类。

图4 钛合金的典型组织

表5 α和近α型钛合金的典型牌号及特点

表6 α+β型钛合金的典型牌号及特点

钛材退火

退火是基于回复、再结晶等微观织变化的热处理过程，主要目的是消除应力、提高塑性和稳定组织，包括普通退火 、消除应力退火、完全退火（再结晶退火）、等温退火、双重退火、真空退火等方式，等温退火和双重退火主要用于α+β型钛合金。

（1）退火方式

普通退火通常在冶金产品出厂前应用，目的是使钛合金半成品的基本应力消除，并且具有较高的强度和符合技术条件要求的塑性，如图35所示，退火温度一般与再结晶开始温度相当或略低。消除应力退火又称不完全退火，目的是消除铸造、冷变形及焊接产生的内应力，组织由亚稳态回复到稳定态。完全退火可以获得再结晶组织和完全软化，又称再结晶退火，退火温度最好在再结晶温度和相变温度之间，通常在再结晶开始温度以上100-200℃，温度过高导致氧化和晶粒长大，温度过低导致再结晶不完全，冷却方式采用空冷。等温退火是将钛合金加热到再结晶温度以上、低于（(α+β）／β相变点30-100℃的温度范围内保温一段时间，然后转移到使β相具有高度稳定性的温度范围（通常低于再结晶温度）的炉子保温，最后空冷至室温。等温退火主要用于含β稳定元素较高的。α+β双相钛合金，适用于TC6,TCll等热强性钛合金。双重退火包括2次加热保温和2次空冷，第1次为高温退火，第2次为低温退火，高温服役的钛合金通常要采用双重退火，甚至进行三重退火，以保证其在高温及长期应力作用下的组织性能稳定性。

（2）缓慢冷却过程的组织变化加热的钛合金自β相区缓慢冷却时可获得α、α+β或β组织。

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