鈦及鈦合金的分類

1、鈦及鈦合金的分類市場供貨的鈦產(chǎn)品主要有工業(yè)純鈦和鈦合金兩大類：一.工業(yè)純鈦：鈦屬于多晶型金屬，在低于882為a晶型，原子結(jié)構(gòu)呈密排六方晶格，從882至熔點(diǎn)都是B晶型，呈體心立方晶格。工業(yè)純鈦在金相組織上呈現(xiàn)a相，如果退火完全的話，是大小基本相等等軸狀單項(xiàng)晶格。由于存在著雜質(zhì)，所以工業(yè)純鈦中也存在著少量的B相?；旧鲜茄刂Ы绶植?。工業(yè)純鈦按GB/T3620.12007新標(biāo)準(zhǔn)共有九個牌號，TA1類型的有三個，TA2TA4每個類型的各有兩個，它們的差別就是純度的不同。從表中我們可以看出，從TA1TA4每個牌號都有一個后綴帶ELI的牌號，這個ELI是英文低間隙元素的縮寫，也就是高純度的意思。由于Fe

2、，C, N, H, O在aTi中是以間隙元素存在的，它們的含量多少對工業(yè)純鈦的耐腐蝕性能以及力學(xué)性能產(chǎn)生很大的影響，C,N,O固溶于鈦中可以使鈦的晶格產(chǎn)生很大的畸變，使鈦的被強(qiáng)烈的強(qiáng)化和脆化。這些雜質(zhì)的存在是生產(chǎn)過程中由生產(chǎn)原料帶入的，主要是海綿鈦的質(zhì)量。要是想生產(chǎn)高純度的工業(yè)純鈦鈦錠，就得使用高純度的海綿鈦。在標(biāo)準(zhǔn)中，帶ELI的牌號在這6個元素含量的最高值均低于不帶ELI的牌號。這些標(biāo)準(zhǔn)的修改是參照國際上或者說是西方國家的標(biāo)準(zhǔn)（我們國家的標(biāo)準(zhǔn)正在努力向西方國家靠攏，因?yàn)槲覀儑业暮芏嗷A(chǔ)工業(yè)還是比他們落后一些，很多老標(biāo)準(zhǔn)都是沿襲前蘇聯(lián)的），特別是在雜質(zhì)的含量以及室溫力學(xué)性能上各牌號的指標(biāo)和國

3、際上，以及西方國家基本上保持一致。這個新標(biāo)準(zhǔn)主要是參照ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)）外科植入物和美國ASTM材料標(biāo)準(zhǔn)（B265, B338, B348, B381, B861, B862, B863這七個標(biāo)準(zhǔn)）。并且與ISO和美國的ASTM標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)，例如TA1對應(yīng)Gr1, TA2對應(yīng)Gr2, TA3對應(yīng)Gr3, TA4對應(yīng)Gr4。 這樣有利于各個行業(yè)在選材和應(yīng)用上明晰各國標(biāo)準(zhǔn)的參照，也有利于在技術(shù)和商貿(mào)上與國際上的交流。表1 鈦及鈦合金牌號和化學(xué)成分合金牌號名義化學(xué)成分雜質(zhì) 不大于FeCNHO其他元素單一總和TA1ELI工業(yè)純鈦0.10 0.03 0.012 0.0080 0.10 0.05 0.20

4、TA1 工業(yè)純鈦0.20 0.08 0.030 0.0150 0.18 0.10 0.40 TA1-1工業(yè)純鈦0.15 0.05 0.030 0.0030 0.12 -0.10 TA2ELI 工業(yè)純鈦0.20 0.05 0.030 0.0080 0.10 0.05 0.20 TA2 工業(yè)純鈦0.30 0.08 0.030 0.0150 0.25 0.10 0.40 TA3ELI工業(yè)純鈦0.25 0.05 0.040 0.0080 0.18 0.05 0.20 TA3工業(yè)純鈦0.30 0.08 0.050 0.0150 0.35 0.10 0.40 TA4ELI工業(yè)純鈦0.30 0.05 0.0

5、50 0.0080 0.25 0.05 0.20 TA4 工業(yè)純鈦0.50 0.08 0.050 0.0150 0.40 0.10 0.40 這個新標(biāo)準(zhǔn)的純鈦表上有兩個問題值得注意，一是GB/T3620.11994與GB/T3620.12007相對照，原來的TA0變?yōu)門A1，原來的TA1變?yōu)門A2, 原來的TA2變?yōu)門A3,原來的TA3變?yōu)門A4，而原來的TA4變?yōu)門A28, 二是隨著牌號的數(shù)字增加，這5個雜質(zhì)元素的含量也在增加，也就意味著強(qiáng)度增加，塑性逐步下降。這里還要注意的一點(diǎn)是，F(xiàn)e,這個元素是作為雜質(zhì)存在的，而不是作為合金元素特意加入的。從GB/T3620.12007標(biāo)準(zhǔn)中我們可以看出

6、，TA1TA4雜質(zhì)元素含量逐步增加，但主要是Fe,和O這兩個元素增量明顯，C, N, H的增加不是很明顯。工業(yè)純鈦有別于化學(xué)純鈦，化學(xué)純鈦是用于科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行純金屬某些特性的科學(xué)研究，而工業(yè)純鈦是直接在各行業(yè)應(yīng)用的材料，同時比化學(xué)純鈦含有較多的上述5種雜質(zhì)，工業(yè)純鈦的特性就是其強(qiáng)度不高，塑性好，易于加工成型，可以沖壓.，焊接，機(jī)加工性能也較好，在各種氧化腐蝕的環(huán)境里具有良好的耐腐蝕特性。所以在板材這個品種里大約70%以上的都是工業(yè)純鈦的，主要應(yīng)用于化工行業(yè)的反應(yīng)釜，壓力容器的加工成型。在這幾個純鈦牌號中，應(yīng)用最廣泛的是TA1,，其次是TA2.。講到工業(yè)純鈦有一點(diǎn)大家必須明確，就是工業(yè)純鈦不能用熱

7、處理的辦法提高強(qiáng)度，如果某一批號的純鈦的力學(xué)性能低了，別幻想著怎么處理一下讓它合格，那是白費(fèi)勁。工業(yè)純鈦金相組織 TA2 650退火 100X二.鈦合金鈦合金的分類據(jù)資料介紹，有多種分類法，比較常見的是以退火后的金相組織形態(tài)進(jìn)行分類：1. 退火后基本組織是a相的，稱為a型鈦合金。TA7 100X，是比較典型的a合金組織。2. 退火后基本組織是a+B，但是以a 相為主的，稱為近a型合金這是TA15完全退火后的組織，a含量能占到接近70%左右。3. 退火后基本相a+B，兩個相相近，稱為a+B型合金，也可以稱為a等軸+B轉(zhuǎn)或者a初生等軸+B轉(zhuǎn)或者a初生等軸+a魏氏+B殘余這是TC4完全退火后的典型兩

8、相組織照片200X，是a+B各相都接近50%的形態(tài)。這是TC11完全退火后的等軸a與B轉(zhuǎn)各占近50%的金相照片。 TC21 100X a相占35%45% 也是典型的a+B組織4. 退火后基本上是B相，但還有一定的a相的，稱為近B型合金這是TB3 100X的金相組織，a相的含量較少。5. 退火后基本全是B相的，稱為B型合金Ti40 (Ti25V15Cr)阻燃鈦合金 100X這些照片能給我們對鈦及鈦合金金相知識不多的人，會有一些初步的認(rèn)識。鈦及鈦合金牌號及退火后金相組織分類類型牌號與國外相近的牌號名義成分晶型金相組織特點(diǎn)工業(yè)純鈦TA1Gr.1 BT1-00工業(yè)純鈦a型a單項(xiàng)組織TA1-ELIGr.

9、1ELI工業(yè)純鈦TA1-1BT-00CB工業(yè)純鈦TA2Gr.2 BT1-0工業(yè)純鈦TA2-ELI工業(yè)純鈦TA3Gr.3 工業(yè)純鈦TA3-ELI工業(yè)純鈦TA4Gr.4工業(yè)純鈦TA4-ELI工業(yè)純鈦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轉(zhuǎn)a+少量B組織TA9-1Gr.11Ti-0.2Pd低氧TA10Gr.12

10、TA11Ti-811Ti-8Al-1Mo-1VTA12(Ti-55)TA12-1(Ti-55)i-1NdTA13IMI230Ti-2.5CuTA14Ti-679(IMI679)TA15BT20Ti-6.5Al-1Mo-1V-2ZrTA15-1BT20-1CBTA15-2BT20-2CBTi-4Al-1Mo-1V-1.5ZrTA16-7MTi-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-1MnT

11、A22(Ti-31)Ti-3Al-1Mo-1Ni-1ZrTA22-1(Ti-31A)TA23(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-2Al-1.5Mo-2ZrTA25Gr.18TA26Gr.28TA27Gr.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基本均衡組織TC4Gr.5 B

12、T6Ti-6Al-4VTC4ELIGr23 Ti-6Al-4VELITi-6Al-4VTC6BT3-1TC8BT8TC9TC10Ti-662TC11BT9TC12Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Zr-2Sn-1NbTC15Ti-5Al-2.5FeTi-5Al-2.5FeTC16BT16Ti-3Al-5Mo-4.5VTC17*Ti-17Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4CrTC18*BT22-1FeTC19Ti-6246Ti-6Al-2Sn-4Zr-6MoTC20IMI367Ti-6Al-7NbTC21*(Ti-62222S)TC22Gr.24Ti-6Al-4V-0.05PdTC23Gr.

13、29Ti-6Al-4V-0.1RuTC24*Ti-4322 SP-700Ti-4.5Al-3V-2Mo-2FeTC25*BT25TC26Ti-13Nb-13ZrTi-13Nb-13Zr近B合金TB2Ti-3Al-5Mo-5V-8CrB+B轉(zhuǎn)中析出aB+少量aTB3Ti-3.5Al-10Mo-8V-1FeTB4Ti-4Al-7Mo-10V-2Fe-1ZrTB5Ti-15-3-3-3Ti-15V-3Cr-3Sn-3AlTB6Ti-1023Ti-10V-2Fe-3AlB合金TB7Ti-32Ti-32MoB型B單項(xiàng)組織TB821sTB9cTi-3Al-8V-6Cr-4Mo-4ZrTB10(Ti-552

14、3)Ti-5Mo-5V-2Cr-3AlTB11Ti-15MoTi-15Mo還有一種（航空界）雖然也是以退火后的金相組織進(jìn)行分類，但是分的更細(xì)，以鋁的含量多少進(jìn)一步分類，主要有：1. 工業(yè)純鈦2. a型鈦合金3. 低鋁當(dāng)量近a型鈦合金（5）4. 高鋁當(dāng)量近a型鈦合金5. 低鋁當(dāng)量馬氏體a+B型鈦合金 (5)6. 高鋁當(dāng)量馬氏體a+B型鈦合金7. 近亞穩(wěn)定B型鈦合金8. 亞穩(wěn)定B型鈦合金9. 穩(wěn)定B型鈦合金這里要解釋一下為什么把a(bǔ)+B鈦合金稱為馬氏體鈦合金，所謂馬氏體就是指a+B鈦合金在淬火后的組織特點(diǎn)，而退火后的組織里是沒有馬氏體的。在原始的B相成分沒有發(fā)生變化，但是晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化的過飽和固

15、溶體就是鈦合金的馬氏體，和鋼鐵中的馬氏體有類似的特性。因?yàn)樵赼+B鈦合金中除了我們能看到的a（包括等軸的和片狀的）以外，還有不少的B組織，只要B相中穩(wěn)定B的合金元素超過某臨界含量，都能夠通過淬火保持到室溫而不發(fā)生轉(zhuǎn)變，B相淬火冷卻時的馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度Ms低于室溫，只要冷卻速度足夠快，避免冷卻過程中自B相中析出a相以及可能發(fā)生的共析分解，就能將高溫相B保持到室溫。（例如亞穩(wěn)定B合金和B合金，它們的穩(wěn)定B相的元素含量都超過臨界含量）。但是，在許多a+B合金中B相中穩(wěn)定B的合金元素含量低于上述的臨界含量，由于B相的馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度Ms高于室溫，淬火冷卻時高溫相B就會部分或者全部（由B相的馬氏體轉(zhuǎn)

16、變終了溫度Mf低于還是高于室溫而定）。通過無擴(kuò)散的馬氏體型相變轉(zhuǎn)變成馬氏體a(過飽和a固溶體)。這個馬氏體a用金相顯微鏡是觀察不到的，可以在電子顯微鏡看到，電子顯微鏡放大2000倍以上是輕易而舉的。還有一點(diǎn)需要指出的是，鋼鐵通過淬火而獲得的馬氏體具有很高的硬度，從HRC35到HEC70都可以，但是鈦合金的馬氏體卻不能大幅度的提高硬度，頂多就是增加HRC36個數(shù)值。各種類型鈦合金的性能和特點(diǎn)性能工業(yè)純鈦低鋁當(dāng)量近a型鈦合金高鋁當(dāng)量近a型鈦合金低鋁當(dāng)量馬氏體a+B型鈦合金高鋁當(dāng)量馬氏體a+B型鈦合金近亞穩(wěn)定B型鈦合金亞穩(wěn)定B型鈦合金穩(wěn)定B型鈦合金退火態(tài)下室溫抗拉強(qiáng)度 MPa350700600800

17、9001000950100095010009001100800900熱處理強(qiáng)化不能一般不能不能可達(dá)1300 Mpa可達(dá)1200 Mpa可達(dá)1400 Mpa可達(dá)1500 Mpa不能淬透截面4060mm60100mm100150mm100150mm150200mm拉伸塑性最好最好較低中等良好中等較低良好高溫強(qiáng)度較低較低較高中等最高較低較低中等抗蠕變性較低較低最高中等較高較低較低中等熱穩(wěn)定性良好良好良好中等良好較差較差良好可焊性最好最好良好中等中等較差中等良好工作溫度300以下400以下500以下300400400500350以下300500以下主要用途高塑低強(qiáng)高塑低強(qiáng)抗蠕變中等強(qiáng)度耐熱中強(qiáng)高強(qiáng)高韌

18、高強(qiáng)度抗腐蝕四. 與鈦有關(guān)的元素；把鈦及鈦合金中的雜質(zhì)和有意加入的元素最常見的是十七個，它們是a.雜質(zhì) H, C, N, O, b. Alc. Mo V Co Ni Cr Mn Cu Fe W SiD, Sn, Zr（一）先說雜質(zhì)C, N, O, H,. 1. ）H在鈦中是以間隙原子存在的，無論是在工業(yè)純鈦或者是鈦合金中H都是不受歡迎的，不論是鋁合金，銅合金，鎳基合金，還是鋼鐵中也都不希望有H存在，因?yàn)槎紩a(chǎn)生氫脆。H的含量都是越低越好。鈦及鈦合金可以說很害怕H的，GB/T3620.1-2007新標(biāo)準(zhǔn)一般要求各個牌號H的含量小于0.015%，因?yàn)镠在a-鈦中的固溶度是隨著溫度的下降而急劇下降，

19、例如在320時達(dá)到0.18%，在120時下降到不超過0.003%, 含H的鈦在顯微組織中會出現(xiàn)自aTi中析出的氫化物TiH，這是脆化相，雖然對靜力學(xué)性能沒有太大的影響，但是對沖擊韌性卻有明顯和較大的影響，數(shù)據(jù)急劇下降，而且缺口效應(yīng)增加了敏感性。 H的含量對沖擊韌性的影響 -200-1000100036912154321t(?)aK(Kg.M/cm2)1 0.001%H 2 0.008%H 3 0.018%H 4 0.04%H 純鈦中的氫化物（黑針）含H 0.023%但是在高純鈦粉的制造中，就利用H的特性，把鈦料放入特殊的加熱爐中，升溫并通入高濃度的氫氣，待一定時間后關(guān)氣，降溫，取出已經(jīng)基本粉化

20、的鈦料，再用球磨機(jī)磨成細(xì)粉，就可以用在鈦的粉末冶金上了。H還有一個特殊的特性，就是它的可逆性，你在空氣中加熱鈦材，或者經(jīng)過酸洗，它會吸氫，而你在真空爐中加熱一定時間氫可以從鈦材中溢出來，用真空退火的辦法可以把氫去除一部分，所以當(dāng)我們某個產(chǎn)品的氫含量超出標(biāo)準(zhǔn)范圍時，只要超的不多，就可以安排一次或幾次真空退火，就可以合格了。真空退火的條件是103mm水銀柱（10-3帕真空度），溫度在700900，時間16小時。2.） C, N, O這三個元素首先要明確雖然是雜質(zhì)，卻是穩(wěn)定a相的主要元素，它們也是呈間隙原子的形式存在于鈦中的。氧元素是隨著加熱溫度的升高而吸收的濃度也升高。但是卻不能像H那樣用真空退火

21、的辦法去除，真空退火對O來說，基本沒有降低的作用。下面舉一個例子說明O在加熱過程中對鈦的滲透力。Ti-679（近a合金）合金氧的玷污深度玷污深度（m)15min30min60min120min90029415780940436187122100082104168206所以某些要求高的鈦合金產(chǎn)品在加熱中或者采用特殊氣體保護(hù)，或者在材料的表面涂上抗氧化涂料，以保護(hù)材料不被O的玷污。(二) Al這個元素在鈦合金中是應(yīng)用最廣泛的元素，除了工業(yè)純鈦和TB7,TB11外，幾乎沒有那個鈦合金牌號不含鋁的。在金屬元素中它是唯一有效的a穩(wěn)定元素。不但比其他穩(wěn)定a的合金元素便宜，同時能對鈦產(chǎn)生許多好的影響，因?yàn)殇X

22、能在鈦合金中能降低熔點(diǎn)和提高B轉(zhuǎn)變溫度，固溶入鈦中能通過固溶強(qiáng)化而提高室溫強(qiáng)度并且提高高溫強(qiáng)度，所以含鋁6%7%的鈦合金具有較高的熱穩(wěn)定性。并能提高鈦的再結(jié)晶溫度而改善高溫強(qiáng)度和蠕變抗力，鋁還能增加材料的抗氧化能力和具有良好的焊接性。并通過增加氫在a相中的固溶度而降低合金的氫脆敏感度。由于鋁的比重比鈦還要小，有利于降低鈦合金的比重而提高比強(qiáng)度。AL既然這么好，能不能多加入一些呢？這里有一個Al的含量最大值一般不能超過7%，為什么呢？Al量超過后容易在合金中產(chǎn)生有序化的a2.相，這個相會使合金的性能下降，為了控制某一類的合金含鋁量，特別提出了鋁當(dāng)量的概念，具體計算公式是Al= Al%+1/3Sn

23、%+1/6Zr%+1/2Ga%+10(O)%8%9%（二）Mo, V, Co, Ni, Cr, Mn, Cu Fe, w, Si這十大元素都是穩(wěn)定B相的，但它們有些元素在穩(wěn)定B相同時也能穩(wěn)定a相，只不過作用相對穩(wěn)定B相來說弱一些，就穩(wěn)定B相來說其中作用最強(qiáng)的是Fe, Mn, Gr，密度比Mo, W小，所以應(yīng)用廣泛，是高強(qiáng)亞穩(wěn)定B性鈦合金的主要添加劑。尤其是對室溫力學(xué)性能的提高作用很明顯，但這三個元素在鈦合金作用中不利的方面是與鈦形成慢共析反應(yīng)，在高溫長期工作條件下，組織不穩(wěn)定，蠕變抗力低。在穩(wěn)定B相的元素中最常用的是Mo, V這兩種。Mo, V與BTi屬于同晶元素，都是體心立方結(jié)構(gòu)，在BTi中

24、無限固溶，而且在aTi中也有一定的固溶度，既能提高合金的強(qiáng)度，還能使合金保持良好的塑性，也能提高鈦合金的熱穩(wěn)定性，使合金的高溫拉伸和熱持久性能數(shù)據(jù)得到提高。但是缺點(diǎn)是無論是室溫還是高溫對鈦的強(qiáng)度提高還不能達(dá)到令人滿意的程度。Nb和Ta這兩個元素的作用基本與V和Mo相近。Fe元素在鈦合金中最多不能超過0.4%，（純鈦中最高為0.5%例外），F(xiàn)e元素在材料中某些部位富集后極易造成Fe偏析，也就是B斑。Cu在鈦合金中以固溶狀態(tài)存在，有另一部分形成Ti2Cu或者TiCu2化合物，TiCu2具有熱穩(wěn)定性，可以提高熱強(qiáng)化作用，并且銅在a相中的固溶度隨溫度的降低而顯著減少，所以含銅在0.5%左右的鈦合金可以

25、通過時效沉淀強(qiáng)化來提高合金的強(qiáng)度。Si元素在鈦合金中的含量一般為0.25%左右，加入少量的Si可改善合金的耐熱性能。這些穩(wěn)定B相的元素加入擴(kuò)大鈦相圖中的B區(qū)域，降低了a與B相轉(zhuǎn)變的溫度，如果這一類的合金元素達(dá)到一定濃度，就有可能使高溫B相部分或者全部保持到室溫，也就是金相組織為近B相或者是單相的B相。應(yīng)用多元相圖來描述工業(yè)鈦合金在熱處理狀態(tài)下合金的組成面臨很多的困難，因此引入了B穩(wěn)定元素鉬當(dāng)量的概念，用鉬當(dāng)量來考慮各種B元素共同作用的總和，由于實(shí)驗(yàn)方法和原材料純度等因素的影響，各國發(fā)表的論文給出的合金元素臨界濃度值并不完全相同，我國和俄羅斯的鉬當(dāng)量計算公式是：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歸納總結(jié)一下鈦合金中的各元素作用穩(wěn)定a相的元素： Al, O, C, N穩(wěn)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(鈮) Ta(鉭)不常用的B共析元素：Sb(銻) Bi(鉍) Ag(銀) Ir(銥) Rh(銠)中性元素（無限固溶于a和B的元素）： Zr, Sn, Hf