钛合金材料的结构、性能和应用范围一、基本简介1、物理性质钛属难熔稀有金属，原子序数为22，原子量为47.90，位于周期表IVB族。

钛有两种同素异形结构，转变温度为882.5℃，低温为密排六方结构的α-Ti；高温为体心立方的β-Ti。

纯钛的比密度为4.505，而钛合金的比密度一般在4.50~4.84之间，低于铁和铜，因此可归入轻金属。

钛的其他主要物理性能如表1所示。

表1 钛的部分物理性能2、机械性能钛的机械性能与其纯度及加工状态有密切关系。

用碘化法生产的高纯钛强度低，塑性高，布氏硬度值为400~600。

工业纯钛的抗拉强度提高到300~600MPa，但仍保持良好的塑形及韧性，其水平相当于碳钢、不锈钢、青铜及铜镍合金，可作为这类材料的代用品。

α-Ti虽属密排六方结构，但和其他六方结构的金属（镉、锌、钴、镁）相比，承受塑性变形的能力要高得多，其原因是一般六方晶体的滑移系少，只能沿基面{0001}滑移，而钛的主滑移面是棱柱面{10-10}及棱锥面{10-11}，同时基面也能参与滑移，滑移方向均为[11-20]，故滑移系明显增多。

且钛还易于进行孪生变形，从而保证了较高的塑形。

但加工中也需注意，钛的屈强比（材料的屈服点(屈服强度)与抗拉强度的比值）较高，一般在0.70~0.95之间，多数钛合金趋于上限而且钛的弹性模量相对较低，只及刚的一半，因此加工变形的抗力大，回弹也比较严重，不易冷校形。

但有时也利用这一特性，将钛合金作为弹性材料使用。

表2列出了钛的典型机械性能数据。

表2 纯钛的典型机械性能数据纯钛的强度可借助冷作硬化或添加合金元素而提到，50%的冷变形可使强度提高60%，适当合金化并结合热处理，则抗拉强度可达1200~1400MPa，因此钛合金的比强度高于其他金属材料。

纯钛及某些高品位的钛合金尚具有良好的低温性能，即使在低达液氢或液氦温度下，亦能保持足够的塑形（表3），因此钛也是一种良好的低温材料。

表3 工业纯钛的低温机械性能在高温下，纯钛迅速软化，从20℃至250℃强度约下降2/3，因此纯钛不宜制造高温承力构件。

但合金化以后，耐热显著提高，目前耐热钛合金的长期最高使用温度已达540℃，即与耐热钢相当，广泛用于航空发动机的压气机构件，也可用于蒸汽透平机的转子及其他高温工作部件。

3、化学性能钛的标准电极电位很低，化学活性极强，在熔化状态能与绝大多数坩埚及造型材料发生反应。

在高温下也会与卤素、氧、硫、碳、氮等元素进行强烈作用，钛是氮气中能发生燃烧的元素之一。

钛粉尘在空气中因急剧氧化而可能发生爆炸。

钛与氢、碳、氮、氧元素反应后，材料的性质将发生明显变化，因此钛的熔炼、铸造、焊接等工艺过程应在真空或惰性气体中进行，一般热加工及热处理也应注意工件表面进行适当保护。

但另一方便，因为钛的钝化电位低，故钝化能力强。

在常温下金属表面极易形成由氧化物和氮化物组成的钝化膜，它在大气及许多浸蚀性介质中非常稳定，从而具有很好的抗蚀性。

因此，钛及钛合金可作为一种高抗蚀性材料在石油、化工、造船、食品及医疗等方面得到应用。

但是钛在某些介质中是不稳定的，如还原性酸（硫酸、盐酸）、氢氟酸、干氯气、热浓碱及甲醇等。

另外，钛合金有热盐应力腐蚀倾向，在气态和液态氧中及ClF3、N2O4、内有自燃自爆危险，使用中应予注意。

二、成分和分类合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：①稳定α相、提高相转变温度的元素为α稳定元素,有铝、碳、氧和氮等。

其中铝是钛合金主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。

②稳定β相、降低相变温度的元素为β稳定元素，又可分同晶型和共析型二种。

前者有钼、铌、钒等；后者有铬、锰、铜、铁、硅等。

③对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。

钛合金一般按退火组织分为α型，β型及α+β型三大类。

1、α型钛合金这类钛合金在退火状态下具有α单相组织（在铁、硅等杂质含量较高时，组织中可能出现很少的β相），合金元素以α稳定化元素铝为主，其典型代表是TA7。

α型钛合金的特点是具有良好的耐热性和组织稳定性，是发展耐热钛合金的基础。

其缺点是变形抗力较大，不能热处理化，常温强度不够高，抗拉强度大多在1000MPa以下。

2、α+β型合金该合金退火组织为α+β相，合金组员除β稳定化元素外，一般也含有一定量的铝、锡等，α+β型合金的优点是可通过调整成分，使合金的组织，即α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。

α+β型合金可进行热处理化，强化效果随β稳定化组元浓度的增加而提高，一般为25~50%，少数合金强度增加可达80%。

α+β型合金热加工工艺性良好，变形抗力小，但合金的组织及性能对工艺参数十分敏感。

因此，为了获得优质毛坯或半成品，必须严格控制加工规范。

这类合金的焊接性能不如α型合金。

3、β型合金其中包括热力学稳定型β合金及亚稳定β型钛合金两种。

亚稳定β钛合金在固溶状态具有良好的工艺塑形，便于加工成型，时效处理后可获得很高的强度性能。

亚稳β型合金的缺点是对杂质元素敏感性高，组织不够稳定，耐热性较低，不宜在高温使用。

另外，该类合金工艺也比较一般的复杂，焊接性较差。

三、应用范围钛合金具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好。

另外，钛合金的工艺性能差，切削加工困难，在热加工中，非常容易吸收氢氧氮碳等杂质。

还有抗磨性差，生产工艺复杂。

钛的工业化生产是1948年开始的。

航空工业发展的需要，使钛工业以平均每年约 8%的增长速度发展。

目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨,钛合金牌号近30种。

使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛（TA1、TA2和TA3）。

钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。

60年代中期，钛及其合金已在一般工业中应用，用于制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。

钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。

此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金等。

中国于1956年开始钛和钛合金研究；60年代中期开始钛材的工业化生产并研制成TB2合金。

钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料，比重、强度和使用温度介于铝和钢之间，但比强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。

1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。

60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。

钛合金在军用飞机中的用量迅速增加，达到飞机结构重量的20%～25%。

70年代起，民用机开始大量使用钛合金，如波音747客机用钛量达3640公斤以上。

马赫数小于 2.5的飞机用钛主要是为了代替钢，以减轻结构重量。

又如，美国SR-71 高空高速侦察机(飞行马赫数为3，飞行高度26212米)，钛占飞机结构重量的93%，号称“全钛”飞机。

当航空发动机的推重比从4～6提高到8～10，压气机出口温度相应地从200～300°C增加到500～600°C时，原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金，或用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片，以减轻结构重量。

70年代，钛合金在航空发动机中的用量一般占结构总重量的20%～30%，主要用于制造压气机部件，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机机匣、中介机匣、轴承壳体等。

航天器主要利用钛合金的高比强度，耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。

人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机也都使用钛合金板材焊接件。

利用钛合金强度大、超级耐腐蚀的特点制成的高强度弹簧，已经广泛运用于床垫等民用领域。

通过在床垫弹簧中使用钛合金技术的品牌，其中新型的钛合金弹簧，能顺应身体曲线，达到由软至硬、由浅入深的独特承托效果，轻松享受深度睡眠。

并且，经两次高温定型处理，弹簧的弹性和回复力得到有效提升，耐用度增强。

因为床垫属于耐用消费品，消费者购买后会不间断使用数年甚至10年以上，而消费者睡眠中每一次翻身、起卧都是对弹簧的一次考验及使用寿命的消耗。

以单张床垫使用10年计算，单个弹簧的物理变形次数将超过10万次。

而高强度的钛合金弹簧由于有着优良的抗屈服度物理性质，因此虽历经长年使用却依然能保持如初的状态。

有的大品牌床垫采用了的钢丝弹簧采用了数条优质的钢丝屈绕而成，回弹力极强，比如美国本土制造的Simmons品牌独立袋装床垫，部分产品所用的钢丝弹簧便是由数股细钢丝屈绕而成的。

四、开发进展近年来，各国正在开发低成本和高性能的新型钛合金，努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域阳。

国内外钛合金材料的研究新进展主要体现在以下几方面。

高温钛合金折叠世界上第一个研制成功的高温钛合金是Ti-6Al-4V，使用温度为300-350℃。

随后相继研制出使用温度达400℃的IMI550、BT3-1等合金，以及使用温度为450~500℃的IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金。

目前已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有.英国的IMI829、IMI834合金；美国的Ti-1100合金；俄罗斯的BT18Y、BT36合金等。

表7为部分国家新型高温钛合金的最高使用温度[26]。

近几年国外把采用快速凝固/粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向，使钛合金的使用温度可提高到650℃以上[1,27,29,31]。

美国麦道公司采用快速凝固/粉末冶金技术戚功地研制出一种高纯度、高致密性钛合金，在760℃下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度[26]。

钛铝化合物为基的钛合金折叠与一般钛合金相比，钛铝化合物为基钠Ti3Al（α2）和TiAl（γ）金属间化合物的最大优点是高温性能好（最高使用温度分别为816和982℃）、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和重量轻（密度仅为镍基高温合金的1/2），这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料[26]。

目前，已有两个Ti3Al为基的钛合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-#v-0.5Mo在美国开始批量生产。

其他近年来发展的Ti3Al为基的钛合金有Ti-24Al-11Nb、Ti25Al-17Nb-1Mo和Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo等[29]。

TiAl （γ）为基的钛合金受关注的成分范围为Ti-（46-52）Al-（1-10）M（at.%），此处M为v、Cr、Mn、Nb、Mn、Mo和W中的至少一种元素。

最近，TiAl3为基的钛合金开始引起注意，如Ti-65Al-10Ni合金[1]。