钛合金及其组织分类和强化工艺

钛及钛合金不仅密度小、强度高（抗拉强度最高可达1 400 MPa）、低温韧性好，还有良好的塑性和优良的耐蚀性、耐高温性能等，所以得到广泛应用。但钛及钛合金的加工条件复杂，成本高，在很大程度上限制了它们的应用。

1.纯钛

钛是灰白色轻金属，密度小（4.507 g/cm3），相当于铜的50%，熔点高（1 668℃）；热膨胀系数小，使它在高温工作条件下或热加工过程中产生的热应力小；导热性差，加工钛的摩擦系数大（μ＝0.2），使切削、磨削加工困难；塑性好，强度低，易于加工成形，可制成板材、管材、棒材和线材等。钛在大气中十分稳定，表面生成致密氧化膜，使它具有耐蚀作用，并有光泽，但当加热到600℃以上时氧化膜就失去保护作用；同时在海水和氯化物中具有优良的耐蚀性，在硫酸、盐酸、硝酸、氢氧化钠等介质中都有良好的稳定性，但不能抵抗氢氟酸的浸蚀作用。钛的抗氧化能力优于大多数奥氏体不锈钢。

纯钛具有同素异构转变，在882.5℃以下为密排六方结构的α相，在882.5℃以上为体心立方结构的β相。钛的这种同素异构转变对强化钛合金有很重要的意义。

工业纯钛中常含少量的氮、碳、氧、氢、铁和镁等杂质元素。这些少量杂质能使钛的强度、硬度显著增加，塑性、韧性明显降低。工业纯钛按杂质含量不同分为三个等级，即TA1、TA2和TA3。“T”为钛的汉语拼音首字母，数字编号越大则杂质越多。工业纯钛一般用于制作350℃以下工作的、强度要求不高的零件。

2.钛合金

在钛中加入合金元素能显著提高纯钛的强度。如工业纯钛的Rm为350～700 MPa，而钛合金的Rm可达1 200 MPa。

钛合金根据使用状态的组织可分为三类：α钛合金、β钛合金、α+β钛合金。牌号分别以TA、TB、TC加上编号表示。

（1）α钛合金。(www.zuozong.com)

在钛中加入铝、碳、氮、氧、硼等元素形成α固溶体，并使αβ同素异构转变温度上升，称为α稳定化元素。从而使钛合金的组织全部为α固溶体单相组织，具有很好的强度、韧性及塑性。在冷态也能加工成某种半成品，如板材、棒材等。

在高温下组织稳定，抗氧化能力较强，热强性较好。在高温（500～600℃）时的强度性能在三类钛合金中较高。在室温中强度一般低于β和α+β钛合金。α钛合金是单相合金，不能进行热处理强化。代表性的合金有TA5、TA6、TA7。

（2）β钛合金。

在合金中加入铁、钼、镁、铬、锰、钒等元素使合金的组织主要为β固溶体。全β钛合金由于是体心立方结构，具有良好的塑性，为了利用这一特点，发展了一种介稳定的β相钛合金。此合金在淬火状态为全β组织，便于进行加工成形。β钛合金可进行热处理强化。通过淬火与时效能获得β相中弥散分布细小α相组织，进一步提高β钛合金的强度。因为这类合金密度较大，耐热性差及抗氧化性能低，生产工艺复杂，在工业上很少使用。

（3）α+β钛合金。

当钛中同时加入稳定α相和β相的元素时，可获得（α+β）的双相组织。（α+β）钛合金兼有α和β钛合金两者的优点，耐热性和塑性都比较好，可进行热处理强化，且生产比较简单，是应用最广的一类钛合金。部分钛合金的牌号、成分、力学性能及用途如表8-10所示。

表8-10　部分钛合金的牌号、成分、力学性能及用途

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