鈦合金TC4性能化學(xué)成分 TA15 TA1 TA2

純鈦的塑性高，但強(qiáng)度低，因而限制了它在工業(yè)上的應(yīng)用。為了獲得要求的性能，擴(kuò)大鈦的使用范圍，在鈦中添加不同的合金元素，得到各種不同牌號(hào)的鈦合金。工業(yè)鈦合金的化學(xué)成分見表1。1．鈦合金的分類按退火后的組織，鈦合金可以分為三大類：（1）α合金及近α合金。（2）（α+β）合金。（3）β合金及近β合金。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)用TA代替α合金；TB代表β合金；TC代表（α+β）合金。例如TA1為工業(yè)純鈦；TB1為β鈦合金；TC4為（α+β）鈦合金。新試制的合金多直接沿用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，用合金元素及含量來表示。例如Ti-1023合金是以鈦為基，含10%釩、2%鐵和3%鋁的合金。2．鈦合金中的合金元素根據(jù)對(duì)鈦的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度的影響，鈦合金中的合金元素可以分為四類：（1）α穩(wěn)定元素能提高鈦的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度，擴(kuò)大α相區(qū)，亦即增大α相穩(wěn)定性的元素稱α穩(wěn)定元素。鋁以及作為雜質(zhì)存在氧、碳、氮屬于α穩(wěn)定元素（圖2（a））。圖2鈦合金狀態(tài)圖類型及各種元素的作用表1工業(yè)純鈦及鈦合金的化學(xué)成分和性能牌號(hào)合金元素含量/（%）（質(zhì)量）雜質(zhì)元素含量不大于/（%）（質(zhì)量）狀態(tài)室溫性能高溫性能為某爐批實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)平均值。（2）同晶型β穩(wěn)定元素晶格類型與β-Ti相同，能降低鈦的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度，在β-Ti中無限固溶，擴(kuò)大β相區(qū)，即增大β相穩(wěn)定性的元素，稱為同晶型β穩(wěn)定元素。鉬、釩、鈮、鉭等元素屬這一類（圖2（b））。（3）共析型β穩(wěn)定元素能降低鈦的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度，擴(kuò)大β相區(qū)，但只能在β-Ti中有限固溶，并引起共析轉(zhuǎn)變的元素，稱為共析型β穩(wěn)定元素（圖2（c））。這類元素包括范圍較廣，且共析反應(yīng)速度相差十分懸殊。鉻、錳、鐵等元素與鈦共析反應(yīng)溫度較低，轉(zhuǎn)變速度極慢，在一般熱處理?xiàng)l件下轉(zhuǎn)變難以進(jìn)行，故也稱為非活性共析型元素；反之，硅、銅、氫、鎳、銀等元素，共析轉(zhuǎn)變速度極快，淬火也無法抑制其進(jìn)行，故不能將β相穩(wěn)定到室溫，相應(yīng)稱為活性共析元素。（4）中性元素鋯、鉿兩種元素與鈦性質(zhì)相似，原子尺寸也十分接近，在α-Ti和β-Ti中都能無限固溶，對(duì)鈦的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度影響不大，因而稱為中性元素（圖2（d））。生產(chǎn)中，錫也歸入中性元素。3．合金元素對(duì)組織和性能的影響鈦合金中zui常用的合金元素有10余種，其主要強(qiáng)化途徑是固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。前者是通過提高α相或β相的固溶濃度而提高合金的性能；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（α+TiXMy）以達(dá)到強(qiáng)化的目的。按現(xiàn)有水平，鈦合金利用單相或復(fù)相固溶強(qiáng)化效果，可使抗拉強(qiáng)度從純鈦的約450MPa提高到1000～1200MPa，即提高1倍左右；如再結(jié)合適當(dāng)?shù)臒崽幚?，還可進(jìn)一步提高到1200～1500MPa，個(gè)別合金的σb可達(dá)1800～2000MPa。如前所述，鈦中加入元素不同，可獲得組織為單相或多相的合金，溶解濃度的差異、組織形態(tài)、晶粒大小等因素對(duì)鈦合金的力學(xué)性能均有影響，下面分別作一簡(jiǎn)單介紹。（1）α鈦合金若要使鈦合金退火組織由單相α構(gòu)成，添加元素應(yīng)以α穩(wěn)定元素為主。工業(yè)上，主要靠加入鋁獲得α鈦合金。因此，此類鈦合金，多半屬于鈦-鋁系。添加合金元素鋁是因?yàn)殇X有較低的密度，能抵消加入合金中重過渡金屬元素對(duì)鈦合金密度的影響作用。鋁能顯著地使室溫和高溫下的α相強(qiáng)化，但加入量過多會(huì)出現(xiàn)Ti3Al相而引起脆性，因此，鋁的添加量一般不超過7%（質(zhì)量）。為進(jìn)一步改善α-Ti合金的耐熱性，鈦-鋁系合金中還添加鋯、錫等中性元素和少量的β穩(wěn)定元素。α鈦合金為單相合金，不能熱處理強(qiáng)化，只有中等水平的室溫強(qiáng)度。但由于這類合金的組織穩(wěn)定，抗蠕變性能好，可在較高溫度下*穩(wěn)定地工作，是創(chuàng)制新型耐熱鈦合金的基礎(chǔ)。航空工業(yè)常用的α鈦合金有TA4，TA5，TA6和TA7等。TA7可用來制作承力較大的鈑金件和鍛件。對(duì)于α鈦合金，惟一的熱處理方式是退火。（2）β鈦合金是退火組織*由β相構(gòu)成的合金。從鈦與同晶型β穩(wěn)定元素的狀態(tài)圖（圖3）可知，要得到單相β組織，合金中β穩(wěn)定元素的含量必須大于Cβ，才能使β轉(zhuǎn)變溫度降低到室溫或室溫以下。據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，要使合金的β轉(zhuǎn)變溫度下降到600℃，應(yīng)分別加入30%Mo，或70%V，或50%Nb，或70%Ta；如要將β轉(zhuǎn)變溫度下降到溫室，則加入量還要更大。這樣就可能使鈦由主要元素變?yōu)榉侵饕?，加大合金密度，降低比?qiáng)度。所以，穩(wěn)定的β鈦合金在工業(yè)上并沒有多大的實(shí)際意義。目前，穩(wěn)定型β合金只有作耐蝕材料的Ti-32Mo。工業(yè)常用的β鈦合金是亞穩(wěn)定型近β鈦合金。這類合金中β穩(wěn)定元素含量無須大于Cβ，而只要大于CKB。這是因?yàn)榇祟惡辖甬?dāng)其加熱到β相區(qū)淬火時(shí)，將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，和鋼一樣，鈦合金中馬氏體轉(zhuǎn)變也有一個(gè)開始溫度Ms和轉(zhuǎn)變終了溫度Mf，它們隨合金中β穩(wěn)定元素含量的增加而降低，當(dāng)β穩(wěn)定元素含量超過CKB時(shí)，Ms下降到室溫。通常將CKB稱為臨界濃度（圖3）。亞穩(wěn)定近β鈦合金在固溶狀態(tài)有良好的工藝塑性，便于加工成形，時(shí)效處理后可獲得很高的強(qiáng)度性能。例如TB2（Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al）合金，固溶狀態(tài)σb＜1000MPa，δ≥20%；時(shí)效后σb≈1350MPa，δ≥8%。目前，國(guó)內(nèi)試制的亞穩(wěn)定近β鈦合號(hào)有：TB1，TB2，Ti-22，Ti-15-3，Ti-1023等，主要用于緊固件和飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。這類合金的缺點(diǎn)是對(duì)雜元素敏感性高，組織不夠穩(wěn)定，耐熱性較低，不宜在高溫下使用。另外，該類合金的冶金工藝也較一般合金復(fù)雜，焊接性較差。（3）（α+β）鈦合金該合金退火組織由（α+β）兩相組成。它兼有α和β鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，即具有較高的耐熱性，熱加工較容易并能通過熱處理強(qiáng)化。（α+β）型合金的優(yōu)點(diǎn)是可以通過調(diào)整成分，使合金的組織，即α相和β相的性質(zhì)與比例在很寬的范圍內(nèi)變動(dòng)，從近α型直到近β型合金，以滿足不同的設(shè)計(jì)和使用要求。從成分上，（α+β）合金一般是以Ti-Al為基再添加適量的β穩(wěn)定元素。因在周期表中具有實(shí)用價(jià)值的合金元素當(dāng)中大多屬β穩(wěn)定的組元，故（α+β）型合金成分的選擇余地遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過α合金。如在我國(guó)冶標(biāo)中規(guī)定的（α+β）鈦合金，就分別屬于：Ti-Al-Mn系：TC1（Ti-2Al-1.5Mn），TC2（Ti-3Al-1.5Mn）Ti-Al-V系：TC3（Ti-5Al-4V），TC4（Ti-6Al-4V），TC10（Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5Fe）Ti-Al-Cr系：TC5（Ti-5Al-2.5Cr），TC6（Ti-2-5.5Al-2Cr-1Fe-2Mo）Ti-Al-Mo系：TC8（Ti-6.5Al-3.5Mo-0.25Si），TC9（Ti-6.5Al-3.5Mo-2.5Sn-0.3Si）TC11（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.25Si）其中TC10為高強(qiáng)鈦合金，TC6，TC8，TC9，TC11，屬熱強(qiáng)鈦合金，工作溫度為400～500℃。（α+β）鈦合金的性能不僅與β穩(wěn)定元素含量而且還與熱處理方式有關(guān)（見圖4）。由圖可見α+β合金的強(qiáng)度在較大范圍內(nèi)是可調(diào)整的，只要控制合金成分和選擇適當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒?，就能獲得不同的組織形態(tài)，從而具有不同的性能水平。

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