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钛板钛棒TA1/TA2

纯钛的塑性高,但强度低,因而限制了它在工业上的应用。为了获得要求的性能,扩大钛的使用范围,在钛中添加不同的合金元素,得到各种不同牌号的钛合金。工业钛合金的化学成分见表1。

1.钛合金的分类

按退火后的组织,钛合金可以分为三大类:

(1)α合金及近α合金。

(2)(α+β)合金。

(3)β合金及近β合金。

国家标准用TA代替α合金;TB代表β合金;TC代表(α+β)合金。例如TA1为工业纯钛;TB1为β钛合金;TC4为(α+β)钛合金。新试制的合金多直接沿用美国标准,用合金元素及含量来表示。例如Ti-1023合金是以钛为基,含10%钒、2%铁和3%铝的合金。

2.钛合金中的合金元素

根据对钛的同素异晶转变温度的影响,钛合金中的合金元素可以分为四类:

(1)α稳定元素 能提高钛的同素异晶转变温度,扩大α相区,亦即增大α相稳定性的元素称α稳定元素。铝以及作为杂质存在氧、碳、氮属于α稳定元素(图2(a))。


* 为某炉批实测数据平均值。

(2)同晶型β稳定元素 晶格类型与β-Ti相同,能降低钛的同素异晶转变温度,在β-Ti中无限固溶,扩大β相区,即增大β相稳定性的元素,称为同晶型β稳定元素。钼、钒、铌、钽等元素属这一类(图2(b))。

(3)共析型β稳定元素 能降低钛的同素异晶转变温度,扩大β相区,但只能在β-Ti中有限固溶,并引起共析转变的元素,称为共析型β稳定元素(图2(c))。这类元素包括范围较广,且共析反应速度相差十分悬殊。铬、锰、铁等元素与钛共析反应温度较低,转变速度极慢,在一般热处理条件下转变难以进行,故也称为非活性共析型元素;反之,硅、铜、氢、镍、银等元素,共析转变速度极快,淬火也无法抑制其进行,故不能将β相稳定到室温,相应称为活性共析元素。

(4)中性元素 锆、铪两种元素与钛性质相似,原子尺寸也十分接近,在α-Ti和β-Ti中都能无限固溶,对钛的同素异晶转变温度影响不大,因而称为中性元素(图2(d))。生产中,锡也归入中性元素。

3.合金元素对组织和性能的影响

钛合金中最常用的合金元素有10余种,其主要强化途径是固溶强化和沉淀强化。前者是通过提高α相或β相的固溶浓度而提高合金的性能;后者是借助热处理获得高度弥散的α+β或α+金属间化合物(α+TiXMy)以达到强化的目的。按现有水平,钛合金利用单相或复相固溶强化效果,可使抗拉强度从纯钛的约450MPa提高到1000~1200MPa,即提高1倍左右;如再结合适当的热处理,还可进一步提高到1200~1500MPa,个别合金的σb可达1800~2000MPa。如前所述,钛中加入元素不同,可获得组织为单相或多相的合金,溶解浓度的差异、组织形态、晶粒大小等因素对钛合金的力学性能均有影响,下面分别作一简单介绍。

(1)α钛合金 若要使钛合金退火组织由单相α构成,添加元素应以α稳定元素为主。工业上,主要靠加入铝获得α钛合金。因此,此类钛合金,多半属于钛-铝系。添加合金元素铝是因为铝有较低的密度,能抵消加入合金中重过渡金属元素对钛合金密度的影响作用。铝能显著地使室温和高温下的α相强化,但加入量过多会出现Ti3Al相而引起脆性,因此,铝的添加量一般不超过7%(质量)。为进一步改善α-Ti合金的耐热性,钛-铝系合金中还添加锆、锡等中性元素和少量的β稳定元素。

α钛合金为单相合金,不能热处理强化,只有中等水平的室温强度。但由于这类合金的组织稳定,抗蠕变性能好,可在较高温度下长期稳定地工作,是创制新型耐热钛合金的基础。

航空工业常用的α钛合金有TA4,TA5,TA6和TA7等。TA7可用来制作承力较大的钣金件和锻件。

对于α钛合金,惟一的热处理方式是退火。

(2)β钛合金 是退火组织完全由β相构成的合金。从钛与同晶型β稳定元素的状态图(图3)可知,要得到单相β组织,合金中β稳定元素的含量必须大于Cβ,才能使β转变温度降低到室温或室温以下。据实验结果,要使合金的β转变温度下降到600℃,应分别加入30%Mo,或70%V,或50%Nb,或70%Ta;如要将β转变温度下降到温室,则加入量还要更大。这样就可能使钛由主要元素变为非主要元素,加大合金密度,降低比强度。所以,稳定的β钛合金在工业上并没有多大的实际意义。目前,稳定型β合金只有作耐蚀材料的Ti-32Mo。

工业常用的β钛合金是亚稳定型近β钛合金。这类合金中β稳定元素含量无须大于Cβ,而只要大于CKB。这是因为此类合金当其加热到β相区淬火时,将发生马氏体转变,和钢一样,钛合金中马氏体转变也有一个开始温度Ms和转变终了温度Mf,它们随合金中β稳定元素含量的增加而降低,当β稳定元素含量超过CKB时,Ms下降到室温。通常将CKB称为临界浓度(图3)。亚稳定近β钛合金在固溶状态有良好的工艺塑性,便于加工成形,时效处理后可获得很高的强度性能。例如TB2(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)合金,固溶状态σb<1000MPa,δ≥20%;时效后σb≈1350MPa,δ≥8%。

目前,国内试制的亚稳定近β钛合金牌号有:TB1,TB2,Ti-22,Ti-15-3,Ti-1023等,主要用于紧固件和飞机结构件。这类合金的缺点是对杂元素敏感性高,组织不够稳定,耐热性较低,不宜在高温下使用。另外,该类合金的冶金工艺也较一般合金复杂,焊接性较差。

(3)(α+β)钛合金 该合金退火组织由(α+β)两相组成。它兼有α和β钛合金的优点,即具有较高的耐热性,热加工较容易并能通过热处理强化。(α+β)型合金的优点是可以通过调整成分,使合金的组织,即α相和β相的性质与比例在很宽的范围内变动,从近α型直到近β型合金,以满足不同的设计和使用要求。

从成分上,(α+β)合金一般是以Ti-Al为基再添加适量的β稳定元素。因在周期表中具有实用价值的合金元素当中大多属β稳定的组元,故(α+β)型合金成分的选择余地远远超过α合金。如在我国冶标中规定的(α+β)钛合金,就分别属于:

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为高强钛合金,TC6,TC8,TC9,TC11,属热强钛合金,工作温度为400~500℃。

(α+β)钛合金的性能不仅与β稳定元素含量而且还与热处理方式有关(见图4)。由图可见α+β合金的强度在较大范围内是可调整的,只要控制合金成分和选择适当的热处理方法,就能获得不同的组织形态,从而具有不同的性能水平。