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1、-钛及钛合金的分类-第 10 页钛及钛合金的分类市场供货的钛产品主要有工业纯钛和钛合金两大类：一.工业纯钛：钛属于多晶型金属，在低于882为a晶型，原子结构呈密排六方晶格，从882至熔点都是B晶型，呈体心立方晶格。工业纯钛在金相组织上呈现a相，如果退火完全的话，是大小基本相等等轴状单项晶格。由于存在着杂质，所以工业纯钛中也存在着少量的B相。基本上是沿着晶界分布。工业纯钛按GB/T3620.12007新标准共有九个牌号，TA1类型的有三个，TA2TA4每个类型的各有两个，它们的差别就是纯度的不同。从表中我们可以看出，从TA1TA4每个牌号都有一个后缀带ELI的牌号，这个ELI是英文低间隙元素的缩
2、写，也就是高纯度的意思。由于Fe，C, N, H, O在aTi中是以间隙元素存在的，它们的含量多少对工业纯钛的耐腐蚀性能以及力学性能产生很大的影响，C,N,O固溶于钛中可以使钛的晶格产生很大的畸变，使钛的被强烈的强化和脆化。这些杂质的存在是生产过程中由生产原料带入的，主要是海绵钛的质量。要是想生产高纯度的工业纯钛钛锭，就得使用高纯度的海绵钛。在标准中，带ELI的牌号在这6个元素含量的最高值均低于不带ELI的牌号。这些标准的修改是参照国际上或者说是西方国家的标准（我们国家的标准正在努力向西方国家靠拢，因为我们国家的很多基础工业还是比他们落后一些，很多老标准都是沿袭前苏联的），特别是在杂质的含量以
3、及室温力学性能上各牌号的指标和国际上，以及西方国家基本上保持一致。这个新标准主要是参照ISO（国际标准）外科植入物和美国ASTM材料标准（B265, B338, B348, B381, B861, B862, B863这七个标准）。并且与ISO和美国的ASTM标准相对应，例如TA1对应Gr1, TA2对应Gr2, TA3对应Gr3, TA4对应Gr4。 这样有利于各个行业在选材和应用上明晰各国标准的参照，也有利于在技术和商贸上与国际上的交流。表1 钛及钛合金牌号和化学成分合金牌号名义化学成分杂质 不大于FeCNHO其他元素单一总和TA1ELI工业纯钛0.10 0.03 0.012 0.0080
4、 0.10 0.05 0.20 TA1 工业纯钛0.20 0.08 0.030 0.0150 0.18 0.10 0.40 TA1-1工业纯钛0.15 0.05 0.030 0.0030 0.12 -0.10 TA2ELI 工业纯钛0.20 0.05 0.030 0.0080 0.10 0.05 0.20 TA2 工业纯钛0.30 0.08 0.030 0.0150 0.25 0.10 0.40 TA3ELI工业纯钛0.25 0.05 0.040 0.0080 0.18 0.05 0.20 TA3工业纯钛0.30 0.08 0.050 0.0150 0.35 0.10 0.40 TA4ELI工
5、业纯钛0.30 0.05 0.050 0.0080 0.25 0.05 0.20 TA4 工业纯钛0.50 0.08 0.050 0.0150 0.40 0.10 0.40 这个新标准的纯钛表上有两个问题值得注意，一是GB/T3620.11994与GB/T3620.12007相对照，原来的TA0变为TA1，原来的TA1变为TA2, 原来的TA2变为TA3,原来的TA3变为TA4，而原来的TA4变为TA28, 二是随着牌号的数字增加，这5个杂质元素的含量也在增加，也就意味着强度增加，塑性逐步下降。这里还要注意的一点是，Fe,这个元素是作为杂质存在的，而不是作为合金元素特意加入的。从GB/T362
6、0.12007标准中我们可以看出，TA1TA4杂质元素含量逐步增加，但主要是Fe,和O这两个元素增量明显，C, N, H的增加不是很明显。工业纯钛有别于化学纯钛，化学纯钛是用于科研机构进行纯金属某些特性的科学研究，而工业纯钛是直接在各行业应用的材料，同时比化学纯钛含有较多的上述5种杂质，工业纯钛的特性就是其强度不高，塑性好，易于加工成型，可以冲压.，焊接，机加工性能也较好，在各种氧化腐蚀的环境里具有良好的耐腐蚀特性。所以在板材这个品种里大约70%以上的都是工业纯钛的，主要应用于化工行业的反应釜，压力容器的加工成型。在这几个纯钛牌号中，应用最广泛的是TA1,，其次是TA2.。讲到工业纯钛有一点大
7、家必须明确，就是工业纯钛不能用热处理的办法提高强度，如果某一批号的纯钛的力学性能低了，别幻想着怎么处理一下让它合格，那是白费劲。工业纯钛金相组织TA2 650退火 100X二.钛合金钛合金的分类据资料介绍，有多种分类法，比较常见的是以退火后的金相组织形态进行分类：1. 退火后基本组织是a相的，称为a型钛合金。TA7 100X，是比较典型的a合金组织。2. 退火后基本组织是a+B，但是以a 相为主的，称为近a型合金这是TA15完全退火后的组织，a含量能占到接近70%左右。3. 退火后基本相a+B，两个相相近，称为a+B型合金，也可以称为a等轴+B转或者a初生等轴+B转或者a初生等轴+a魏氏+B残
8、余这是TC4完全退火后的典型两相组织照片200X，是a+B各相都接近50%的形态。这是TC11完全退火后的等轴a与B转各占近50%的金相照片。 TC21 100X a相占35%45% 也是典型的a+B组织4. 退火后基本上是B相，但还有一定的a相的，称为近B型合金这是TB3 100X的金相组织，a相的含量较少。5. 退火后基本全是B相的，称为B型合金Ti40 (Ti25V15Cr)阻燃钛合金 100X这些照片能给我们对钛及钛合金金相知识不多的人，会有一些初步的认识。钛及钛合金牌号及退火后金相组织分类类型牌号与国外相近的牌号名义成分晶型金相组织特点工业纯钛TA1Gr.1 BT1-00工业纯钛a型
9、a单项组织TA1-ELIGr.1ELI工业纯钛TA1-1BT-00CB工业纯钛TA2Gr.2 BT1-0工业纯钛TA2-ELI工业纯钛TA3Gr.3 工业纯钛TA3-ELI工业纯钛TA4Gr.4工业纯钛TA4-ELI工业纯钛a合金TA5Ti-4Al-0.005BTA6BT5Ti-5Al-2.5SnTA7Gr.6 BT5-1Ti-5Al-2.5SnTA7ELITi-5Al-2.5Sn(ELI)Ti-5Ai-2.5Sn(ELI)TA8Gr.16Ti-0.05Pd高氧TA8-1Gr.17Ti-0.05Pd低氧近a合金TA9Gr.7Ti-0.2Pd高氧a+B转a+少量B组织TA9-1Gr.11Ti-0
10、.2Pd低氧TA10Gr.12Ti-0.3Mo-0.8NiTA11Ti-811Ti-8Al-1Mo-1VTA12(Ti-55)Ti-5.5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.2Si-1NdTA12-1(Ti-55)Ti-5.0Al-4Sn-2Zr-1.5Mo-0.2Si-1NdTA13IMI230Ti-2.5CuTA14Ti-679(IMI679)Ti-2.3Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.2SiTA15BT20Ti-6.5Al-1Mo-1V-2ZrTA15-1BT20-1CBTi-2.5Al-1Mo-1V-1.5ZrTA15-2BT20-2CBTi-4Al-1Mo-1V-1.5ZrTA16
11、-7MTi-2Al-2.5ZrTA17-3BTi-4Al-2VTA18Gr.9 OT4-1BTi-3Al-2.5VTA19Ti-6242STi-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1SiTA20-2Ti-4Al-3V-1.5ZrTA21OT4-0Ti-1Al-1MnTA22(Ti-31)Ti-3Al-1Mo-1Ni-1ZrTA22-1(Ti-31A)Ti-3Al-0.5Mo-0.5Ni-0.5ZrTA23(Ti-70)Ti-2.5Al-2Zr-1FeTA23-1(Ti-70A)Ti-2.5Al-2Zr-1FeTA24(Ti-75)Ti-3Al-2Mo-2ZrTA24-1(Ti-75A)Ti-2
12、Al-1.5Mo-2ZrTA25Gr.18Ti-3Al-2.5V-0.05PdTA26Gr.28Ti-3Al-2.5V-0.1RuTA27Gr.26Ti-0.10Ru高氧TA27-1Gr.27Ti-0.10Ru低氧TA28Ti-3AlTC1OT4-1Ti-2Al-1.5MnTC2OT4Ti-4Al-1.5Mna+B合金TC3Ti-5Al-4Va+Ba+B基本均衡组织TC4Gr.5 BT6Ti-6Al-4VTC4ELIGr23 Ti-6Al-4VELITi-6Al-4VTC6BT3-1Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3SiTC8BT8Ti-6Al-3.5Mn-0.25SiT
13、C9Ti-6.5Al-3.5Mn-2.5Sn-0.3SiTC10Ti-662Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5FeTC11BT9Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3SiTC12Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Zr-2Sn-1NbTC15Ti-5Al-2.5FeTi-5Al-2.5FeTC16BT16Ti-3Al-5Mo-4.5VTC17*Ti-17Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4CrTC18*BT22Ti-5Al-4.75Mo-4.75V-1Cr-1FeTC19Ti-6246Ti-6Al-2Sn-4Zr-6MoTC20IMI367Ti-6Al-7NbTC21*(
14、Ti-62222S)Ti-6.0Al-2.5Mo-2Nb-2Sn-2Zr-1.5Cr-0.1SiTC22Gr.24Ti-6Al-4V-0.05PdTC23Gr.29Ti-6Al-4V-0.1RuTC24*Ti-4322 SP-700Ti-4.5Al-3V-2Mo-2FeTC25*BT25Ti-6.5Al-2Mo-1Zr-1Sn-1W-0.2SiTC26Ti-13Nb-13ZrTi-13Nb-13Zr近B合金TB2Ti-3Al-5Mo-5V-8CrB+B转中析出aB+少量aTB3Ti-3.5Al-10Mo-8V-1FeTB4Ti-4Al-7Mo-10V-2Fe-1ZrTB5Ti-15-3-3-3
15、Ti-15V-3Cr-3Sn-3AlTB6Ti-1023Ti-10V-2Fe-3AlB合金TB7Ti-32Ti-32MoB型B单项组织TB821sTi-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25SiTB9cTi-3Al-8V-6Cr-4Mo-4ZrTB10(Ti-5523)Ti-5Mo-5V-2Cr-3AlTB11Ti-15MoTi-15Mo还有一种（航空界）虽然也是以退火后的金相组织进行分类，但是分的更细，以铝的含量多少进一步分类，主要有：1. 工业纯钛2. a型钛合金3. 低铝当量近a型钛合金（5）4. 高铝当量近a型钛合金5. 低铝当量马氏体a+B型钛合金 (5)6. 高铝当量马氏体a+B型
16、钛合金7. 近亚稳定B型钛合金8. 亚稳定B型钛合金9. 稳定B型钛合金这里要解释一下为什么把a+B钛合金称为马氏体钛合金，所谓马氏体就是指a+B钛合金在淬火后的组织特点，而退火后的组织里是没有马氏体的。在原始的B相成分没有发生变化，但是晶体结构发生了变化的过饱和固溶体就是钛合金的马氏体，和钢铁中的马氏体有类似的特性。因为在a+B钛合金中除了我们能看到的a（包括等轴的和片状的）以外，还有不少的B组织，只要B相中稳定B的合金元素超过某临界含量，都能够通过淬火保持到室温而不发生转变，B相淬火冷却时的马氏体转变开始温度Ms低于室温，只要冷却速度足够快，避免冷却过程中自B相中析出a相以及可能发生的共析
17、分解，就能将高温相B保持到室温。（例如亚稳定B合金和B合金，它们的稳定B相的元素含量都超过临界含量）。但是，在许多a+B合金中B相中稳定B的合金元素含量低于上述的临界含量，由于B相的马氏体转变开始温度Ms高于室温，淬火冷却时高温相B就会部分或者全部（由B相的马氏体转变终了温度Mf低于还是高于室温而定）。通过无扩散的马氏体型相变转变成马氏体a(过饱和a固溶体)。这个马氏体a用金相显微镜是观察不到的，可以在电子显微镜看到，电子显微镜放大2000倍以上是轻易而举的。还有一点需要指出的是，钢铁通过淬火而获得的马氏体具有很高的硬度，从HRC35到HEC70都可以，但是钛合金的马氏体却不能大幅度的提高硬度
18、，顶多就是增加HRC36个数值。各种类型钛合金的性能和特点性能工业纯钛低铝当量近a型钛合金高铝当量近a型钛合金低铝当量马氏体a+B型钛合金高铝当量马氏体a+B型钛合金近亚稳定B型钛合金亚稳定B型钛合金稳定B型钛合金退火态下室温抗拉强度 MPa3507006008009001000950100095010009001100800900热处理强化不能一般不能不能可达1300 Mpa可达1200 Mpa可达1400 Mpa可达1500 Mpa不能淬透截面4060mm60100mm100150mm100150mm150200mm拉伸塑性最好最好较低中等良好中等较低良好高温强度较低较低较高中等最高较低较
19、低中等抗蠕变性较低较低最高中等较高较低较低中等热稳定性良好良好良好中等良好较差较差良好可焊性最好最好良好中等中等较差中等良好工作温度300以下400以下500以下300400400500350以下300500以下主要用途高塑低强高塑低强抗蠕变中等强度耐热中强高强高韧高强度抗腐蚀四. 与钛有关的元素；把钛及钛合金中的杂质和有意加入的元素最常见的是十七个，它们是a.杂质 H, C, N, O, b. Alc. Mo V Co Ni Cr Mn Cu Fe W SiD, Sn, Zr（一）先说杂质C, N, O, H,. 1. ）H在钛中是以间隙原子存在的，无论是在工业纯钛或者是钛合金中H都是不受欢
20、迎的，不论是铝合金，铜合金，镍基合金，还是钢铁中也都不希望有H存在，因为都会产生氢脆。H的含量都是越低越好。钛及钛合金可以说很害怕H的，GB/T3620.1-2007新标准一般要求各个牌号H的含量小于0.015%，因为H在a-钛中的固溶度是随着温度的下降而急剧下降，例如在320时达到0.18%，在120时下降到不超过0.003%, 含H的钛在显微组织中会出现自aTi中析出的氢化物TiH，这是脆化相，虽然对静力学性能没有太大的影响，但是对冲击韧性却有明显和较大的影响，数据急剧下降，而且缺口效应增加了敏感性。 H的含量对冲击韧性的影响 -200-1000100036912154321t(?)aK(
21、Kg.M/cm2)1 0.001%H 2 0.008%H 3 0.018%H 4 0.04%H 纯钛中的氢化物（黑针）含H 0.023%但是在高纯钛粉的制造中，就利用H的特性，把钛料放入特殊的加热炉中，升温并通入高浓度的氢气，待一定时间后关气，降温，取出已经基本粉化的钛料，再用球磨机磨成细粉，就可以用在钛的粉末冶金上了。H还有一个特殊的特性，就是它的可逆性，你在空气中加热钛材，或者经过酸洗，它会吸氢，而你在真空炉中加热一定时间氢可以从钛材中溢出来，用真空退火的办法可以把氢去除一部分，所以当我们某个产品的氢含量超出标准范围时，只要超的不多，就可以安排一次或几次真空退火，就可以合格了。真空退火的条
22、件是103mm水银柱（10-3帕真空度），温度在700900，时间16小时。2.） C, N, O这三个元素首先要明确虽然是杂质，却是稳定a相的主要元素，它们也是呈间隙原子的形式存在于钛中的。氧元素是随着加热温度的升高而吸收的浓度也升高。但是却不能像H那样用真空退火的办法去除，真空退火对O来说，基本没有降低的作用。下面举一个例子说明O在加热过程中对钛的渗透力。Ti-679（近a合金）合金氧的玷污深度玷污深度（m)15min30min60min120min90029415780940436187122100082104168206所以某些要求高的钛合金产品在加热中或者采用特殊气体保护，或者在材料
23、的表面涂上抗氧化涂料，以保护材料不被O的玷污。(二) Al这个元素在钛合金中是应用最广泛的元素，除了工业纯钛和TB7,TB11外，几乎没有那个钛合金牌号不含铝的。在金属元素中它是唯一有效的a稳定元素。不但比其他稳定a的合金元素便宜，同时能对钛产生许多好的影响，因为铝能在钛合金中能降低熔点和提高B转变温度，固溶入钛中能通过固溶强化而提高室温强度并且提高高温强度，所以含铝6%7%的钛合金具有较高的热稳定性。并能提高钛的再结晶温度而改善高温强度和蠕变抗力，铝还能增加材料的抗氧化能力和具有良好的焊接性。并通过增加氢在a相中的固溶度而降低合金的氢脆敏感度。由于铝的比重比钛还要小，有利于降低钛合金的比重而
24、提高比强度。AL既然这么好，能不能多加入一些呢？这里有一个Al的含量最大值一般不能超过7%，为什么呢？Al量超过后容易在合金中产生有序化的a2.相，这个相会使合金的性能下降，为了控制某一类的合金含铝量，特别提出了铝当量的概念，具体计算公式是Al= Al%+1/3Sn%+1/6Zr%+1/2Ga%+10(O)%8%9%（二）Mo, V, Co, Ni, Cr, Mn, Cu Fe, w, Si这十大元素都是稳定B相的，但它们有些元素在稳定B相同时也能稳定a相，只不过作用相对稳定B相来说弱一些，就稳定B相来说其中作用最强的是Fe, Mn, Gr，密度比Mo, W小，所以应用广泛，是高强亚稳定B性钛
25、合金的主要添加剂。尤其是对室温力学性能的提高作用很明显，但这三个元素在钛合金作用中不利的方面是与钛形成慢共析反应，在高温长期工作条件下，组织不稳定，蠕变抗力低。在稳定B相的元素中最常用的是Mo, V这两种。Mo, V与BTi属于同晶元素，都是体心立方结构，在BTi中无限固溶，而且在aTi中也有一定的固溶度，既能提高合金的强度，还能使合金保持良好的塑性，也能提高钛合金的热稳定性，使合金的高温拉伸和热持久性能数据得到提高。但是缺点是无论是室温还是高温对钛的强度提高还不能达到令人满意的程度。Nb和Ta这两个元素的作用基本与V和Mo相近。Fe元素在钛合金中最多不能超过0.4%，（纯钛中最高为0.5%例
26、外），Fe元素在材料中某些部位富集后极易造成Fe偏析，也就是B斑。Cu在钛合金中以固溶状态存在，有另一部分形成Ti2Cu或者TiCu2化合物，TiCu2具有热稳定性，可以提高热强化作用，并且铜在a相中的固溶度随温度的降低而显著减少，所以含铜在0.5%左右的钛合金可以通过时效沉淀强化来提高合金的强度。Si元素在钛合金中的含量一般为0.25%左右，加入少量的Si可改善合金的耐热性能。这些稳定B相的元素加入扩大钛相图中的B区域，降低了a与B相转变的温度，如果这一类的合金元素达到一定浓度，就有可能使高温B相部分或者全部保持到室温，也就是金相组织为近B相或者是单相的B相。应用多元相图来描述工业钛合金在热
27、处理状态下合金的组成面临很多的困难，因此引入了B稳定元素钼当量的概念，用钼当量来考虑各种B元素共同作用的总和，由于实验方法和原材料纯度等因素的影响，各国发表的论文给出的合金元素临界浓度值并不完全相同，我国和俄罗斯的钼当量计算公式是：Mo=Mo%+Nb%/3.3+Ta%/4+W%/2+V%/1.4+Cr%/0.6+Mn%/0.6+Fe%/0.5+Co%/0.9+Ni%/0.8归纳总结一下钛合金中的各元素作用稳定a相的元素： Al, O, C, N稳定B相的元素(1) B同晶元素： Mo, V(2) B共析元素： Cr, Co Ni Fe Mn Cu Si W 不常用的B同晶元素：Nb(铌) Ta
28、(钽)不常用的B共析元素：Sb(锑) Bi(铋) Ag(银) Ir(铱) Rh(铑)中性元素（无限固溶于a和B的元素）： Zr, Sn, Hf(铪)这里解释一下同晶元素和共析元素的各自特点B同晶元素：顾名思义就是原子晶格类型与BTi相同（体心立方）晶格相同就能在BTi中无限互溶，它们的加入是固溶强化B相的。 ：原子半径相差不大，加入量增多，在提高强度的同时，仍能保持高的塑性。 ：同晶元素加入量越多，合金组织中的B相就越稳定。当Mo,V含量达到某一临界值时，即使不水淬用空冷的办法冷却，也能把B相保留下来。 在Ti中加入Mo, V, Nb, Ta, 就是不会使材料产生脆性，因为不会发生共析反应。B
29、共析元素： 它们在aTi和BTi中均为有限溶解，但在BTi中溶解度比在aTi中大得多，主要是稳定和强化B相的。 这类元素与B相形成的固溶体在一定条件下要发生共析反应，将B相分解为固溶体和相，而相是以金属间化合物为基的固溶体，在钛合金中只要出现金属化合物就会使材料变脆。下面简单介绍一下各种元素对钛的相图的影响：第一个图是稳定a相的元素（Al, C, N, O）对钛相图的影响，这类元素在aTi中有很大的固溶度，同时随着这类元素含量的增加，合金的a与B转变上升到更高的温度，从而扩大了a相稳定存在的温度范围，属于这一类的元素有铝，锡，氧，碳，氮。这儿的第二相是指TiC, TiN, 第二个图是稳定B相的
30、B同晶元素(Mo, V, Nb, Ta)对钛相图的影响，在2%以下，是近a合金，在2%6%的稳定B同晶元素含量下组织是a+B类型，在8%17%是近B合金，大于17%的是单纯的B组织。第三个图是稳定B相的共析元素(Cr, Mn, Fe, Co, W, Cu, Ni, Si及Sb（锑）, Bi（铋）, Ag（银）, Ir（铱）, Rh（铑）)对钛相图的影响，可以看到即使含量不是太大，也会产生a+TixMy组织，也就是a加钛与共析元素组成的金属化合物。第四个图是无限固溶于a和B的元素对钛相图的影响，也就是锆，铪，锡这三个元素，在相图上有三层，最上面的是液相，中间是B相，温度下降后，就是a相了，换个说法也就是它们就像没有加入一样，产生的最后组织和工业纯钛一样。