鈦與鈦合金的分類

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：鈦屬于多品型金屬，在低于 882c為a晶型，原子結(jié)構(gòu)呈密排 六方晶格，從882c至熔點都是B晶型，呈體心立方品格。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?布。工業(yè)純鈦按GB/T3620.1 2007新標(biāo)準(zhǔn)共有九個牌號，TA1類型的有三個， TA2-TA4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TA1 TA4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，

2、也就是高純度的意思。由于Fe, C, N, H,。在a Ti 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品格產(chǎn)生很大的畸變， 使鈦的被強烈的強化和脆化。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，因為我們國家的很多基礎(chǔ)工業(yè)還是比他們落后一些，很多老標(biāo)準(zhǔn)都是沿襲前聯(lián)的），特別是在雜質(zhì)

3、的含量以及 室溫力學(xué)性能上各牌號的指標(biāo)和國際上，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)Gr40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0.100.030

4、.0120.00800.100.050.20TA1工業(yè)純 鈦0.200.080.0300.01500.180.100.40TA1-1工業(yè)純 鈦0.150.050.0300.00300.120.10TA2ELI工業(yè)純 鈦0.200.050.0300.00800.100.050.20TA2工業(yè)純 鈦0.300.080.0300.01500.250.100.40TA3ELI工業(yè)純 鈦0.250.050.0400.00800.180.050.20TA3工業(yè)純0.300.080.0500.01500.350.100.40鈦TA4ELI工業(yè)純 鈦0.300.050.0500.00800.250.050.2

5、0TA4工業(yè)純 鈦0.500.080.0500.01500.400.100.40這個新標(biāo)準(zhǔn)的純鈦表上有兩個問題值得注意， 一是GB/T3620.1 1994與GB/T3620.1 2007 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)?TA4,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， 也就意味著強度增加，塑性逐步下降。這里還要注意的一點是，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/T3620.1 2007標(biāo)準(zhǔn)中我們可以看出，TA1TA4雜質(zhì) 元素含量逐步增加，但主要是

6、 Fe,和。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)純鈦是用于科研機構(gòu)進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度不高，塑性好，易于加工成型，可以沖壓 .，焊接，機加工性能也較好，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TA2.0講到工業(yè)純鈦有一點大家必須明確，就是工業(yè)純鈦不能用熱處理的 辦法提高強度，如果某一批號的純

7、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 白費勁。工業(yè)純鈦金相組織TA2 650 c 退火 100X.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氏+B殘余這是TC4完全退火后的典型兩相組織照片 200X,是a+B各

8、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牌號與國外相近的 牌號名義成分晶 型金相組織特點工業(yè) 純鈦TA1Gr.1 BT1-00工業(yè)純鈦a型a 單 項 組 織TA1-ELIGr.lELI工業(yè)純鈦TA1-

9、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-4A1-0.005BTA6BT5Ti-5Al-2.5SnTA7Gr.6 BT5-1Ti-5Al-2.5SnTA7EL ITi-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、Ti-0.3Mo-0.8NiTA11Ti-811Ti-8Al-1Mo-1VTA12(Ti-55)Ti-5.5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.2Si-1NdTA12-1(Ti-55)Ti-5.0Al-4Sn-2Zr-1.5Mo-0.2Si-1N dTA13IMI230Ti-2.5CuTA14Ti-679(IMI679)Ti-2.3Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.2SiTA15BT20Ti-6.5Al-1Mo-1V-2ZrTA15-1BT20-1CBTi-2.5Al-1Mo-1V-1.5ZrTA15- 2BT20-2CBTi-4Al-1Mo-1V-1.5ZrTA160T-7MTi-2Al-2

11、.5ZrTA170T-3BTi-4Al-2VTA18Gr.9 OT4-1BTi-3Al-2.5VTA19Ti-6242STi-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1SiTA20enT -2Ti-4 Al-3V-1.5ZrTA21OT4-0Ti-1Al-1MnTA22(Ti-31)Ti-3Al-1Mo-1Ni-1ZrTA22-1(Ti-31A)Ti-3Al-0.5Mo-0.5Ni-0.5ZrTA23(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

12、.5Mo-2ZrTA25Gr.18Ti-3Al-2.5V-0.05PdTA26Gr.28Ti-3Al-2.5V-0.1RuTA27Gr.26Ti-0.10Ru 高氧TA27-1Gr.27Ti-0.10Ru 低氧TA28Ti-3AlTC1OT4-1Ti-2Al-1.5MnTC2OT4Ti-4Al-1.5MnTC3Ti-5Al-4VTC4Gr.5 BT6Ti-6Al-4VTC4EL IGr23Ti-6A1-4VELITi-6Al-4VTC6BT3-1Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3SiTC8BT8Ti-6Al-3.5Mn-0.25SiTC9Ti-6.5Al-3.5Mn-2.

13、5Sn-0.3SiTC10Ti-662Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5FeTC11BT9Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Sia+TC12Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Zr-2Sn-1NbBa+B合金TC15Ti-5Al-2.5FeTi-5Al-2.5Fea+ BM本均衡TC16BT16Ti-3Al-5Mo-4.5VTC17*Ti-17Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4CrTC18BT22Ti-5Al-4.75Mo-4.75V-1Cr-1Fe組織TC19Ti-6246Ti-6Al-2Sn-4Zr-6MoTC20IMI367Ti-6Al-7NbTC2 r(Ti

14、-62222S)Ti-6.0Al-2.5Mo-2Nb-2Sn-2Zr-1.5Cr-0.1SiTC22Gr.24Ti-6Al-4V-0.05PdTC23Gr.29Ti-6Al-4V-0.1RuTC24Ti-4322SP-700Ti-4.5Al-3V-2Mo-2FeTC25BT25Ti-6.5Al-2Mo-1Zr-1Sn-1W-0.2SiTC26Ti-13Nb-13ZrTi-13Nb-13ZrTB2Ti-3Al-5Mo-5V-8CrB+TB3Ti-3.5Al-10Mo-8V-1FeB 轉(zhuǎn) 中B+近B合金TB4Ti-4Al-7Mo-10V-2Fe-1Zr少 量aTB5Ti-15-3-3-3Ti-15

15、V-3Cr-3Sn-3Al析 出aTB6Ti-1023Ti-10V-2Fe-3AlTB7Ti-32Ti-32MoB單B合金TB8B 21sTi-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25SiB型TB9B cTi-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr項組織TB10(Ti-5523)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行分類，但是分的更細(xì)，以 鋁的含量多少進一步分類，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

16、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+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，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。因為在a+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

17、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)變終了溫度 Mf低于還是高于室溫而定）。通過無 擴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HR

18、C35IIJ HEC7邸可以，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性能工業(yè)純鈦低鋁止旦 T里近a型 鈦合 金局鋁止旦 T里近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3506009009509509001100800900強度MPa700800100010001000不能可達(dá)可達(dá)可達(dá)可達(dá)熱處理強化不能不能1300 Mpa1200 Mpa1400Mpa1500Mpa不能淬透截面4060mm60100mm100150mm1

19、00150mm150200mm拉伸塑性最好最好較低中等良好中等較低良好高溫強度較低較低較局中等最局較低較低中等抗蠕父性較低較低最局中等較局較低較低中等熱穩(wěn)定性良好良好良好中等良好較不較不良好可焊性最好最好良好中等中等較不中等良好300 c400 c500 c300 c 400 c 350 c300 c500 c以下工作溫度以下以下以下400 c500 c以下主要用途局塑 低強局塑 低強抗蠕 變中等強 度耐熱中 強高強 高韌高強 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

20、 Fe W Si D, 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，鍥基合金，還是鋼鐵中也都不希望有 H 存在，因為都會產(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%因為H在 a-鈦中的固溶度是隨著溫度的下降而急劇下降，例如在320c時達(dá)到0.18%,在120c時下降到不超過0.003%,含H的鈦在顯微組織中會出現(xiàn)自a-Ti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

21、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1512 -2(Kg.M/cm9 一aKo-200-10001 0.001%H2 0.008%H100t(?)3 0.018%H4- 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)基本粉化的鈦料， 再用球磨機磨成細(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

22、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)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103mmK銀柱（10-3帕真空度），溫度在700900C ,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C玷污深

23、度（m 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，或者在材料的表面涂上 抗氧化涂料，以保護材料不被 。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，因為鋁能在鈦合金中能降低熔點和提高B轉(zhuǎn)變溫度，固溶入鈦中能通過固溶強化而提高室溫強度并且提高高溫強度，所以含鋁6%-7%的鈦合金具有較高的熱穩(wěn)

24、定性。并能提高鈦的再結(jié)晶溫度而改善高溫強度和蠕變抗力，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%+1/6Zr%+1/2Ga%+10（O）% 8%- 9%（二）Mo, V, Co, Ni, Cr, Mn, Cu Fe

25、, 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的是 Fe, Mn, Gr,密度比Mo, W 小，所以應(yīng)用廣泛，是高強亞穩(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 B Ti 屬于同晶元素，都是體心立方結(jié)構(gòu)，在B Ti 中無限固溶，而且在a Ti 中也有一定的固溶度，既能提高合金的強度，還能使合金保持良好

26、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。但是缺點是無論是室溫還是高溫對鈦的強度提高還不能達(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）， Fe 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%左右的鈦合金可以通過時效沉淀強化來提高合金的強度。Si 元素在鈦合金中的含量

27、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，由于實驗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（鑰）Ta（鑰）不常用的B共析元素：Sb御）Bi（鈿）Ag（銀）Ir（鉞）Rh（銘）中性元素（無限固溶于a和B的元素）： Zr, Sn, Hf（錯）這里解釋一下同晶元素和共析元素的各自特點B