(一)钛合金的分类
钛合金是以钛为基体,加入铝、锡、铬、钼、锰等合金元素组成的合金。
在实际应用中的钛合金,特别是经过热处理强化的铁合金,通常是处于非平衡状态下的组织。按亚稳定状态相组成进行钛合金分类的方法是一种比较科学的分类方法,这为生产上选用钛合金提供了较好的科学依据。
按合金使用状态下的组织分类,可分为α型、β型、α+β型三种。钛合金牌号用“T+合金类别代号+顺序号”表示,T是钛的拼音字首,合金类别代号用A、B、C分别表示α型、β型、α+β型钛合金。例如,TA6表示6号α型钛合金,TC4表示4号α+β型钛合金。
1.α型钛合金
α型钛合金主要成分为钛中加人铝、锡和锆,退火状态下的组织是单相α固溶体,这类合金不能热处理强化,α型钛合金室温强度比其他两类钛合金低,但在500℃~600℃使用时能保持良好的高温强度。这类合金的主要优点是具有良好的焊接性能、高的铸造性和压力加工性、无冷脆性和高的组织稳定性。缺点是较低的工艺塑性及对氢脆的敏感性。
2.β型钛合金
β型钛合金主要成分为钛中加入铬、钼、钒等合金元素,这类合金经淬火后得到β固溶体的组织,具有较高的强度和冲击韧性,压力加工性能和焊接性能良好。缺点是组织和性能不太稳定,熔炼工艺较复杂,故应用较少。
3.α+β型钛合金
室温组织为α+β两相组织,是在稳定状态下含5%~25%的β相以及从β区急剧冷却形成α型马氏体相的α+β钛合金,它可通过热处理淬火加时效处理强化。α+β型钛合金力学性能范围宽,在宽广的温度范围内有好的综合性能,可适应各种不同的用途,其中钛-铝-钒合金(TC4)应用最广,它具有较高的强度和韧性,100℃~400℃使用具有较好的耐热性,其锻造性能、冲压性能和焊接性能均较好。
钛合金还可根据应用划分为结构钛合金和高温钛合金。结构钛合金的使用温度一般在400℃以下,高温钛合金通常在500℃上下工作,目前使用温度不超过600℃。
钛合金的牌号及主要成分如下所列。
钛合金的牌号及主要成分：
合金牌号 主要化学成分
TAD 碘法钛
TA0 工业纯钛
TA1 工业纯钛
TA2 工业纯钛
TA3 工业纯铁
TA4 Ti-3A1
TA5 Ti-4Al-0.005B
TA6 Ti-5Al
TA7 Ti-5Al-2.5Sn
TA8 Ti-5Al-2.5Sn-3Cu
TA9 Ti-0.2Pd
TA10 Ti-0.3Mo-0.8Ni
TB1 Ti-3Al-8Mo-11Cr
TB2 Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al
TB3 Ti-3.5Al-10Mo-8V-1Fe
TB4 Ti-4Al-7Mo-10V-2Fe-1Zr
TC1 Ti-2Al-1.5Mn
TC2 Ti-4Al-1.5Mn
TC3 Ti-5Al-4V
TC4 Ti-6Al-4V
TC5 Ti-5Al-2.5Cr
TC6 6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si
TC7 Ti-6Al-0.6Cr-0.4Fe-0.4Si-0.01B
TC8 Ti-6.5Al-3.5Mo-0.25Si
TC9 Ti-6.5Al-3.5Mo-2.5Sn-0.3Si
TC10 Ti-6Al-6V-2Sn0.5Cu-0.5Fe
TC11 Ti-6.5Al-3.5Mn-1.5Zr-0.3Si
TC12 Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Zr-2Sn-1Nb
(二)钛合金的功能
功能材料是以物理性能为主的工程材料,即在电、磁、声、光、热等方面具有的特殊性质,或在其作用下表现出特殊功能的材料。
对钛合金的研究发现它具有三大功能。
1.记忆功能
在钛合金中,有许多具有优异的记忆特性,如钛-镍合金在一定环境温度下具有单向、双向和全方位的记忆效应,被公认是最佳记忆合金。在工程上做管接头,用于战斗机的油压系统;石油联合企业的输油管路系统;由直径0.5mm丝做成的直径500mm抛物网状天线用于宇航飞行器上;在医学工程上用于制作斯症治疗;制成螺钉用于骨折愈合等。上述应用均获得了明显效果。
2.储氢功能
钛-铁合金具有吸氢的特性,把大量的氢安全地储存起来,在一定的环境中又把氢释放出来。这在氢气分离、氢气净化、氢气储存及运输、制造以氢为能源的热泵和蓄电池等方面应用很有前途。
3.超导功能
铌-钛合金在温度低于临界温度时,呈现出零电阻的超导功能。
(三)钛合金的特性
钛合金具有电、磁、声、光、热等方面的特殊性质,或在其作用下能表现出特殊功能的材料。
1.密度小,比强度高
金属钛的密度为4.51g/cm³,高于铝和镁,而低于钢、铜、镍,但比强度高于铝合金和高强合金钢。
2.弹性模量低
钛的弹性模量在常温时为106.4GPa,为钢的57%。
3.导热系数小
金属钛的导热系数小,是低碳钢的1/5,铜的1/25。
4.抗拉强度与其屈服强度接近
钛的这一性能说明了其屈强比(抗拉强度/屈服强度)高,表示了金属钛材料在成形时塑性变形差。由于钛的屈服极限与弹性模量的比值大,使钛成形时的回弹能力大。
5.无磁性、无毒
钛是无磁性金属,在很大的磁场中也不会被磁化,无毒且与人体组织及血液有好的相溶性,所以被医疗界采用。
6.抗阻尼性能强
金属钛受到机械振动、电振动后,与钢、铜金属相比,其自身振动衰减时间最长。利用钛的这一性能可作音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。
7.耐热性能好
新型钛合金可在600℃或更高的温度下长期使用。
8.耐低温性能好
钛合金TA7(T-5Ai-2.5Sn),TC4(Ti-6Al-4V)和Ti-2.5Zr-1.5Mo等为代表的低温钛合金,其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大。在-196℃~253℃低温下保持较好的延展性及韧性,避免了金属冷脆性,是低温容器和储箱等设备的理想材料。
9.吸气性能
钛是一种化学性质非常活泼的金属,在高温下可与许多元素和化合物发生反应。钛的吸气性主要指高温下与碳、氢、氮、氧发生反应。
10.耐蚀性能
钛是一种非常活泼的金属,其平衡电位很低,在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定,如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。这是因为钛和氧有很大的亲和力,在空气中或含氧的介质中,钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜,保护了钛基体不被腐蚀。即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。介质温度在315℃以下钛的氧化膜始终保持这一特性。
为了提高钛的耐蚀性,研究出氧化、电镀、转化膜、等离子喷涂、离子氮化、离子注入和激光处理等表面处理技术,对钛的氧化膜起到了增强保护性作用,获得了所希望的耐腐蚀效果。针对在硫酸、盐酸、甲胺溶液、高温湿氯气和高温氯化物等生产中对金属材料的需要,开发出钛一钼、钛一钯、钛一钼一镍等一系列耐蚀钛合金。钛铸件使用了钛-32钼合金,对经常发生缝隙腐蚀或点蚀的环境,使用了钛-0.3钼-0.8镍合金或钛设备的局部使用了钛-0.2钯合金,均获得了很好的使用效果。
11.几种钛合金的力学特性
几种钛合金的力学特性见如下。
几种钛合金的力学特性：
名称 组织类型 弹性模量/Gpa 断裂强度/Mpa 屈服强度/Mpa 延伸率/%
TA2 α 102.7 345 275 20
Ti-6Al-4V α+β 110~114 895~930 825~869 6~10
Ti-6Al-Nb α+β 114 900~1050 880~950 8.1~15
Ti-5Al-2.5Fe α+β 112 1020 895 15