鈦合金(titaniumalloy)

以鈦為基含有其他合金元素和雜質的合金。是鐵材料主要組成部分。自鈦工業發展以來，先后投入生產的合金牌號已超過100種，進行批量生產的約有30～40種，而在航空和民用工業廣泛應用的合金只有10余種，主要是Ti-6Al-4V和Ti-5Al-2.5Sn合金。20世紀70年代末，耐熱鈦合金、高強高韌鈦合金的研制和生產有了明顯的增長。

特點鈦合金和其他金屬材料相比，具有下列特點：(1)在-253～600℃范圍內，比強度(抗拉強度／密度)高，抗拉強度可達1200～1400MPa，而密度僅為鋼的60％；(2)耐熱性好，耐熱鈦合金最高使用溫度已達600℃；(3)耐蝕性能優異，在適當的氧化性環境中可形成一種薄而堅固的氧化膜，有抵抗多種介質侵蝕的能力；(4)低溫性能良好。

分類鈦合金根據存在于它們組織中的相可分為3類：α型、α+β型和β型鈦合金。中國分別用TA、TC、TB作為字頭，其后標名合金順序號。除按組織分類外，也可根據工藝方法分為變形鈦合金、鑄造鈦合金和粉末冶金鈦合金。按使用性能可分為結構鐵合金、耐熱鈦合金、耐蝕鈦合金、低溫鈦合金和功能鈦合金等。

α型鈦合金含有“穩定劑，在室溫穩定狀態下基體為α相的鈦合金。α型鈦合金具有良好的耐熱性和組織穩定性，是發展耐熱鈦合金的基礎。其缺點是變形抗力較大，不能熱處理強化，強度中等，抗拉強度大多在1000MPa以下。α型鈦合金密度小，焊接性能好，低溫性能也優于其他類型的鈦合金。典型代表是Ti-5Al-2.5Sn合金。

近α型鈦合金α型鈦合金中加入少量β穩定劑、在室溫穩定狀態8相含量一般低于10％的鈦合金。常用合金元素有：釩、鉬、鈮、硅等，可改善合金的加工塑性，并進一步提高常溫和高溫性能。根據添加組元的性質，退火組織中將包含少量β相或金屬間化合物，可稱此類合金為近α型或α加化合物型鈦合金。前者如Ti-8Al-1Mo-1V、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si合金；后者如Ti-2Cu、Ti-5Al-2.5Sn-1.5Zr-3Cu合金等。近α型或α加化合物型合金具有一定的熱處理強化能力。

α+β型鈦合金含有較多的β穩定劑、在室溫穩定狀態由a和β相所組成的合金。α+β型合金的優點是，可通過調整成分使合金中的α和p相的比例在很寬的范圍內變動。為了提高強度，α+β型鈦合金可進行固溶處理和時效處理，熱處理的強化效果隨β穩定組元濃度的增加而提高，一般為25％～50％，個別合金可達80％。

α+β型鈦合金的耐熱性一般不如α型鈦合金，時效強化效果大多只能保持到450℃，通常在中溫范圍內使用，但某些高鋁的α+β型合金仍有較高的耐熱性，如Ti-6.5A1-3.5Mo-2Zr-0.3Si合金可在450～500℃范圍內使用。為了滿足高溫下保持較高強度的特殊要求，發展了Ti-6Al-2Sn-4zr-6Mo和Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2C卜025Si合金。

a+β型鈦合金熱加工工藝性良好，變形抗力較小，但合金的組織及性能對工藝參數十分敏感。因此，為獲得優質的毛坯或半成品，必須嚴格控制熱工藝規范。這類合金的焊接性不如a型鈦合金。a+β型鈦合金應用廣泛，尤其是Ti-6Al-4V合金應用面更廣。

β型鈦合金含有足夠的β穩定劑、在適當冷卻速度下能使其室溫組織全部為β相的鈦合金。包括熱力學穩定β型合金和亞穩定B型合金。前者在鈦中加入足量的β穩定化元素，通過淬火或某些情況下的空冷，可得到室溫時的β組織；后者合金元素只需高于臨界濃度，通過淬火處理，就可獲得單一的亞穩定口相組織。穩定型B合金只作為耐蝕材料使用，如Ti-32Mo；而作為結構材料主要應用亞穩定型口鈦合金，如Ti-15V-3Sn-3Cr-3Al、Ti-3A1-8Mo-11Cr、Ti-3Al-5Mo-5V-5Cr、Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn合金等。β型鈦合金具有良好的工藝塑性，便于加工成形，時效處理后強度可達1280～1380MPa。

亞穩定β型鈦合金的缺點是：密度較大，對雜質元素敏感性高，組織不夠穩定，耐熱性較低，不宜在高溫使用，冶金工藝較復雜，成本高，切削加工較困難，焊接性較差。這類合金由于強度高、成形性好和高的淬透性，只要克服由成分帶來的不足，就會得到更廣泛的應用。

成分和性能鈦合金的性能是由鈦和添加的合金元素間相互作用而決定的。合金元素對鈦合金的強化機制和組織、性能具有重要影響。

合金元素純鈦具有同素異晶轉變，故以鈦為基的合金通常都有這種轉變，只是轉變的溫度隨合金元素的性質和含量不同而不同。鈦合金中最常用的合金元素有10余種，其主要強化途徑是固溶強化和沉淀硬化。前者是通過提高a相或β相的固溶濃度而提高合金性能；后者是借助熱處理獲得高度彌散的α+β或α+金屬間化合物以達到強化的目的。鈦中各合金元素的強化效果(按每添加1％合金元素抗拉強度的增值Δ_σb計)分別是：硅120、鐵75、錳75、鉻65、鉬50、鋁50、釩35、錫25、鋯20、鈮15MPa。鈦合金利用單相或復相固溶強化，可使其抗拉強度從純鈦的450MPa增加到1000～1200MPa，如再結合適當的熱處理，強化效果還可提高25％～50％，個別合金的抗拉強度可達1800～2000MPa。根據合金元素對鈦相變溫度的影響和對α-鈦、β-鈦的作用性質，可將鈦中的合金元素分為3類。

(1)α穩定元素。可以提高鈦的同素異晶轉變溫度，擴大α相區和增加α相的熱力學穩定性。α穩定元素較多固溶在α相內，在復相合金中優先溶于α相，是強化α相的主要元素。常見的α穩定元素有鋁、鎵、硼、氧、氮、碳等，其中鋁最為重要，實際上幾乎所有的鈦合金都含有鋁。鈦同鋁相變復雜，而使鈦合金強化，它不僅可明顯提高鈦合金的彈性模量、常溫和高溫強度，還可以提高α+β型合金的時效硬化能力，改善合金的抗氧化性能，降低合金的密度并抑制ω相的析出。鋁在鈦中的極限溶解度為7.5％左右，超過此值出現有序相Ti₃Al，對合金的塑性、韌性和應力腐蝕具有不利影響，故一般鋁的添加量不超過7％。用鋁進行合金化，不能提高鈦合金的腐蝕穩定性，所以一般耐蝕鈦合金中不含鋁。

(2)β穩定元素。穩定β相，降低β⇔α轉變溫度，擴大β相區，在復相合金中優先溶于β相內。還可以將其再劃分為β共晶型和β共析型2種。前者有鉬、鈮、鉭、釩等，它們和β-鈦有相同的晶體結構，且原子尺寸相差不多，因此能在β-鈦中無限固溶，不會發生由β相分解為α相和中間化合物。共析型β穩定元素除降低同素異晶轉變溫度外，還有共析轉變作用。在極緩慢冷卻條件下，β相能轉變成α相加其他相或化合物。根據共析反應速度的差別，其中的錳、鉻、鐵、鎳、鈷的共析反應溫度較低，轉變速度極慢，故也稱為惰性共析型元素；而硅、銅、銀等元素的共析轉變速度極快，淬火也無法抑制其進行，所以不能將β相穩定到室溫，因此稱之為活性共析元素。

β穩定元素是配制中溫以下使用的高強鈦合金不可缺少的元素，除增強熱處理強化效應外，也可改善合金的加工塑性，降低變形抗力和加工溫度。由于β穩定元素優先溶于β相，具有較高的強度水平，因此合金組鈦tai織中β相所占的比例既和成分有關，也決定著合金平均強度的變化。在鉬、釩、鉭、鈮等β同晶型元素中，以鉬的固溶強化作用最顯著，釩次之，鉭和鈮最弱。這類元素由于不形成金屬間化合物，可保證合金具有較高的綜合性能。

共析型β穩定元素對合金具有突出的強化作用，尤其是在時效狀態。因此，在高強鈦合金中普遍采用。共析轉變溫度較高的硅、銅等，當其含量不超過α相極限溶解度時，可改善蠕變性能，故耐熱鈦合金中常添加O.25％～O.4％的硅。鐵、鉻等惰性B共析元素具有強烈穩定β相的能力，大多應用于高溫亞穩定型β合金中。

(3)中性元素。對相變溫度影響不大，在α相和β相中均可無限固溶，如錫、鋯、鉿等。它們有助于固溶強化和延遲鈦合金某些有害的轉變(如ω相的形成)，是常用的合金元素。錫和鋯等中性元素，一般不單獨使用，而是作為多元合金的補充強化劑。為了保證耐熱鈦合金的組織是以“相為基，除鋁以外，就只能依靠中性元素來進一步提高合金的熱強性。但含錫量過高也會形成有序相Ti₃Sn，使合金的塑性和熱穩定性下降，為此提出：鈦合金中α穩定元素和中性元素的總量，折合成鋁當量應遵循：％Al+1/3(％Sn)+1/6(％zr)+4(％Si)+10(％O)≤8％。

力學性能鈦合金的力學性能與合金成分、變形的熱力學參數、加熱條件、冷卻條件、熱處理規范以及由此產生的組成物形貌有關。表中列出鈦合金的名義成分和平均力學性能。

鈦合金的名義成分和平均力學性能

續表

相變(見鈦合金相變)

應用鈦合金首先在航空、航天等對減輕重量有緊迫要求的技術領域獲得應用；隨后又擴大到兵器、汽輪機的葉片、深潛器、超速離心機轉子和醫療、體育器械等領域。鈦合金也已成為一種耐蝕結構材料，適于在冶金、化工、電力、民用建筑、石油、農藥、造紙、造船、食品工業和醫療衛生等部門應用。50年代到60年代初，美國80％以上的鈦合金應用于航空工業。此后，隨著民用工業用鈦量逐年增加，鈦合金的用量也在不斷增長。

展望從擴大應用市場、降低成本和滿足新科學技術領域對鈦合金材料的要求考慮，鈦合金的發展方向是：(1)開發具有更高強度／密度比、且塑性加工和冷成形性良好的新合金。(2)開發能降低鈦材料成本的廉價新型鈦合金。(3)突破現有高溫鈦合金使用的“熱障”溫度，開發熱強性更高的新型耐熱鈦合金、阻燃鈦合金、鈦鋁系金屬間化合物、鈦基合金復合材料。(4)開發具有更好耐蝕性能的新合金以滿足非航空應用要求。(5)開發阻尼性良好，可作消振和消聲材料的鈦合金。(6)開發鈦合金的低成本制造工藝。(7)開辟鈦合金新的應用領域，強化應用推廣工作。