1、鈦及鈦合金

1）鈦的特性及應用

鈦是地殼中分布最廣的元素之一，占地殼重量的0.56%，列居第9位，而鈦資源則僅次于鐵、鋁、鎂而列居第4位，比常見金屬 Cu、Pb、Zn的儲量的總和還多。許多國家包括我國在內都認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發，并充分利用鈦合金實際應用價值。

作為一種結構與功能性金屬，人類研究鈦元素從20世紀中期發展到現在，已經具備了一定的開發基礎。鈦的原子序數為22，相對原子質量為47.87，其外觀呈灰色，有金屬光澤，還具有延展性、熔點高的物理特性。鈦的密度雖然較小，但是它的強度高，利用純度可以判別鈦的塑性，純度越高的鈦，其塑性越好，如果鈦中含有雜質，就會明顯地降低其塑性。但是從某種角度講，鈦中含有少量適當的雜質尤其是間隙雜質，如碳、氮、氧則可以顯著提高鈦的強度，影響其機械性能。其實，工業生產中可開發利用的鈦資源大多就是通過嚴格控制適當的雜質含量，并添加合金元素而達到其利用價值。

鈦合金具有優良的綜合性能，自 20 世紀中期以來已經被認為是一種新型的很有發展潛力和應用前景的結構材料，它們也被認為是一種很重要的輕質材料。鈦合金耐腐蝕性好、比強度高、耐熱性高，在航空航天、軌道交通及軍事國防等領域都具有十分廣泛的應用前景。

鈦合金被認為是一種輕質合金。鈦資源在我國地殼含量相對豐富，儲量世界第一，但相比于鎂合金，鋁合金等其他主要的輕合金的應用，鈦合金的應用相對少許多。而鈦合金所具有的特殊優異性能和發展潛力足以引起我國對鈦合金應用的重視。原生金屬鈦的產能消耗高，在生產過程中會伴有氯化污染物的排放，對環境十分不利。目前由于勞動力及環境方面的因素，發達國家有將鈦生產基地轉移到發展中國家的趨勢，中國很可能成為鈦金屬的生產大國。另外，中國經濟持續高速發展，在可預計的幾年內，這種趨勢還在繼續，對于鈦合金國內應用的發展前景肯定越來越好。我國鈦合金領域在以下幾個方面應深化研究，鈦的低成本化制備、加工技術，大型優質鈦合金配料制備技術，繼續加強鈦的推廣應用等 。

2）鈦合金的分類及牌號

鈦合金以鈦為基體，加入 Al、Sn、Mo、Mn等一種或幾種合金元素組成。按退火組織鈦合金可以分為三類：α鈦合金、β鈦合金、α+β鈦合金。三大類合金的特點和牌號如下：

（1）α鈦合金。此類型鈦合金的主要優點是焊接性好、抗腐蝕性高、組織結構穩定，缺點是強度低、變形抗力大、熱加工性差。

我國α鈦合金牌號為 TA，后跟一個代表合金序號的數字，TA4～TA8 都屬于α鈦合金;

（2）β鈦合金。此類合金塑性加工性能好，當具有適當的合金濃度時，通過強化熱處理，其常溫力學性能可獲得大幅度提高，發展高強度鈦合金也可以通過對鈦合金進行熱處理，但其冶煉過程較復雜，從而使其組織結構變得不穩定。合金牌號為TB，后跟合金序號，如 TB1，TB2 等;

（3）α+β 鈦合金。這類合金的特點是，力學性能高，可通過熱處理進行強化，熱加工性好，耐熱性在中等溫度時較好，但組織結構不夠穩定。合金牌號為 TC，后跟合金序號，如 TC3，TC4 等。

當前應用最多的是α+β鈦合金，其次是α鈦合金，β鈦合金應用相對較少。若按性能特點分類，鈦合金可分為低強鈦合金、中強鈦合金、高強鈦合金、低溫鈦合金、鑄造鈦合金及粉末冶金鈦合金等。

3）鈦合金組織的特征及性能

α相和β相的組成、形態、分布以及位錯、織構等微結構特征可以決定鈦合金的力學性能，鈦合金的組織結構對鈦合金的性能有著重要影響，因此想要實現鈦合金在工業生產中的實際應用，研究其微觀組織結構具有很高的價值。

鈦合金相變具有復雜性、熱加工過程多樣性的特點，特別是兩相鈦合金中存在著多種組織，這些組織在晶粒尺寸、形貌、晶內結構上各不相同。兩相鈦合金，一般存在：魏氏組織、網籃組織、雙態組織以及等軸組織四大類。這幾類顯微組織的形成及組織特征如下：

當兩相鈦合金變形開始或終了溫度都在β相區，變形量小于50%時，或將合金加熱到β相區后較慢冷卻時，都能得到魏氏組織。魏氏組織特征是：原始β晶界清晰完整，晶界α相非常明顯，晶內α相呈片狀規則排列。冷卻時，晶界處首先析出α相，形成晶界α相，同時由于變形量較小，晶界比較完整。隨后許多在晶界區的晶核從晶界向晶內生長，形成位向相同，相互平行的長條狀組織。

當冷卻速率不夠慢時，相在晶粒內部也可形核、長大。

兩相鈦合金在α+β相區上部溫度變形，或在α+β相區變形后，再加熱至α+β相區上部溫度然后空冷，便可形成雙態組織。其組織特征是大量的等軸初生α相分布于β轉變組織的基體上，但總含量不低于 50%。從α+β相區開始冷卻時，合金組織中已存在α相，故冷卻過程中析出的α相可以在β晶界上形核，也可在原α相的界面上形核，之后才在β晶內一定的晶面上形核。在α界面上形核析出的以相的位向與原來存在的以相的位向不同，冷卻速率影響其厚度，冷速越快，厚度越小。在晶內形核析出的以相與殘留β相形成的混合物，稱為β轉變組織。

兩相鈦合金在低于雙態組織形成溫度（約低于相變點 30~50℃）的兩區變形，可獲得等軸組織。相對雙態組織等軸組織的特征是初生α相含量超過 50%，分布有少量β轉變組織。當變形溫度很低時，β相中的β穩定元素含量較高，比較穩定，冷卻時β相內不會析出次生相，其組織特征是等軸α相晶粒間有少量的殘留β相。若加熱到α+β相區上部溫度后，以極慢冷度冷卻，則次生α相不在β晶內形核析出，而是沿初生α邊界析出，與初生α連在一起，也得到等軸組織。

而不同顯微組織的性能特點也各不相同：魏氏組織主要的優點在于，斷裂韌性高，疲勞裂紋擴展速率低。原因在于魏氏組織中裂紋擴展路徑曲折，增加了裂紋的總長度，故需消耗更多的能量；而且裂紋分叉較多，分散了裂紋尖端應變場，在破壞中吸收的能量大，突出的弱點是塑性差。

網籃組織的塑性高于魏氏組織；雙態和等軸組織性能特點恰與魏氏組織相反，具有較高的塑性和疲勞強度，并且因為變形協調性好，不容易產生孔洞，裂紋萌生困難；其缺點是斷裂韌性、疲勞裂紋擴展性能和高溫性能不如魏氏組織，原因在于裂紋在雙態和等軸組織中擴展時路徑平直，分枝少，在破壞時吸收的能量少。

2、Ti-6Al-4V 鈦合金及其熱處理

作為α+β兩相合金，Ti-6Al-4V 合金應用最為廣泛、成熟。在20世紀50 年代初期，美國的Illinois技術研究所研發出的Ti-6Al-4V合金，同時是鈦合金中生產較早的一種。

從該合金問世，國內外的學者們就開始對它進行不斷的研究，促進了今天成熟的鈦合金加工技術。但近些年由于科研理念的改變，由之前純粹的靜強度研究思想轉變成破損安全研究和損傷容限科研理念 ，由于其現在新興領域得到進一步的應用，使Ti-6Al-4V 合金的動態性能在實踐中更深層次的檢驗。由大量的資料文獻可知，影響Ti-6Al-4V 合金的疲勞性能規律的因素也得到進一步的研究，其中包括顯微組織、織構、熱處理、截面大小、加載方向、應力比、表面狀態及腐蝕環境。這使得 Ti-6Al-4V 合金再度成為學者們研究的熱點新材料。因鈦合金常應用于航空構件中，因此會受到高速沖擊載荷作用，在高應變率變形中鈦合金容易形成不穩定的變形，由于鈦合金的高絕熱剪切破壞傾向，其在諸如裝甲和侵徹等高應變率環境下的應用，已經是鈦合金應用中的關鍵性問題，因此學者們更加的關注其動態性能。

并且Ti-6Al-4V合金的耐熱性、強度、塑性、韌性、成型性、可焊性、耐蝕性和生物相容性優異，成為鈦合金工業中的王牌合金。

根據精煉程度，將 Ti-6Al-4V 合金分為普通 TC4 和 TC4（ELI），其各自的化學成

分如表1-1所示。

根據間隙元素氧的含量劃分該級別，工業級 Ti-6Al-4V合金中氧的質量分數為0.16%～0.20%；而ELI級 Ti-6Al-4V 合金中氧的質量分數為 0.1%～0.13%，同時 ELI級 Ti-6Al-4V 合金的強度及延展性相比工業級稍低；而 ELI 級的斷裂韌性要高出工業級的約25%。測得力學性能：σ b =896MPa、σ s =869MPa、E=110GPa、G=42.7GPa、ρ=4.43g/cm 3 。Ti-6Al-4V 合金占到鈦合金總產量的50%，占到全部鈦合金加工件的 95%。但對于損傷容限要求嚴格的部件，ELI 級 Ti-6Al-4V 合金更實用，而工業級 TC4 鈦合金通常應用于材料以抗拉強度為設計依據。

Ti-6Al-4V合金表現出良好的熱處理強化能力，其熱處理的典型特征為：馬氏體相變先在淬火過程中發生，或保留高溫組織，合金的韌性塑形稍微提高，強度硬度稍微降低。而在之后的時效過程中，隨著亞穩定相和中間相的生成，合金硬度、強度升高，塑形、韌性降低  。

以下是TC4鈦合金典型的熱處理工藝：

（1）去應力退火：600℃、2～4h，空冷；

（2）工廠退火：700℃、2h，空冷或800℃、1h，空冷；

（3）再結晶退火：930℃、4h，爐冷至480℃，出爐空冷；

（4）雙重退火：940℃、10min，空冷+700℃、4h，空冷；

（5）固溶處理過時效：940℃、10min，水冷，700℃、4h，空冷；

（6）固溶處理+時效：940℃、10min，水冷，540℃、4h，空冷，或900℃、30min，水冷，500℃、8h，空冷。

工廠退火使合金強度高，但塑形、斷裂韌性低，其他退火制度可有效改善塑形、斷裂韌性及裂紋擴展能力。通過預先β退火后，再進行兩相區的熱處理也可以大大改善合金的斷裂韌性和抗蠕變性能。

提高合金的抗拉強度也可以通過固溶時效處理（σ b 能達到1250MPa左右），但會降低斷裂韌性。由于該合金的淬透性低，只有小零件適用該種強化熱處理。

不同的熱處理工藝可實現鈦合金獲得不同的組織，并且鈦合金的性能取決于合金的內部組織結構。因此，不同的熱處理工藝會影響鈦合金的性能。

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