纯钛及钛合金热加工性能全参数
国内外医用钛及钛合金标准及性能
国内外医用钛及钛合金标准及性能发布时间：2010-4-17 10:20:42 中国废旧物资网一、钛在医学中的应用1、钛作为一种新兴的材料在我国及世界制药工业、手术器械、人体植入物等领域使用已有几十年的历史，并已取得了极大地成功。
2、人体内应外伤、肿瘤造成的骨、关节损伤，采用钛及钛合金可制造人工关节、接骨板和螺钉现已广泛用于临床。
还用于髋关节（包括股骨头）、膝关节、肘关节、掌指关节、指间关节、下頜骨、人造椎体（脊柱矫形器）、心脏起搏器外壳、人工心脏（心脏瓣膜）、人工种植牙、以及钛网在头盖骨整形等方面。
3、对于植入物材料的要求可以归为三个方面：材料与人体的生物相容性、材料在人体环境中的耐腐蚀性和材料的力学性能，作为长期植入材料有下列七项具体要求：①、耐蚀性;②、生物相容性；③、优越的力学性能和疲劳性能；④、韧性；⑤、低的弹性模量；⑥、在组合体中有好的耐磨性；⑦、令人满意的价格；4、外科植入物材料主要有：金属、聚合物、陶瓷等，金属材料又包括不锈钢、鈷基合金和钛基合金。
材料性能与骨性能的比较和植入物材料的特性比较见表一和表二。
从表二可以看出，不锈钢价格低廉，易于加工，但耐蚀性和生物相容性不如钛合金；鈷鉻合金的耐磨性比钛合金好，但密度较大，太重；钛及钛合金由于比强度高，生物相容性好及耐体液腐蚀性好等特点正日益受到重视。
钛合金的不足之处识是耐磨性差、难于铸造，加工性能也差。
二、国内外外科植入物用钛及钛合金加工材标准情况1、国外外科植入物用加工材标准纯钛：国际标准化组织 ISO 5832/2 1999E《外科植入物－纯钛加工材》美国标准：ASTM F67 2006a 《外科植入物用纯钛》TC4: 国际标准化组织 ISO 5832/3 1996Z 《外科植入物－金属材料－Ti-6Al-4V加工材》ASTM F1472 2002 《外科植入物用Ti-6Al-4V合金加工材》TC4ELI: ASTM F136 2002a 《外科植入物用Ti-6Al-4VELI（超低间隙）加工材规范》TC20: ISO 5832/11 I994(E) 《外科植入物－金属材料－Ti-6Al-7Nb合金加工材》ASTM F1295:2005《外科植入物用Ti-6Al-7Nb合金加工材》2、中国国家标准①、《外科植入物用钛及钛合金加工材》中国国家标准为GB／Ｔ13810-2007，牌号有：TA 1ELI、TA1、TA2、TA3、TA4、TC4、TC4ELI、TC20.品种有：板材0.8～25mm；棒材7.0～90mm；丝材1.0～7.0mm；GB\T13810-2007标准中规定的各项性能指标：②、GB／Ｔ13810-2007标准中，为了保证外科植入物用钛及钛合金加工材的综合性能（强度、塑性、韧性、硬度、抗疲劳等性能的合理匹配），对两相钛合金的高倍金相组织和氢含量及其它间隙元素含量都有非常严格的要求和控制。
钛合金常用规格及性能用途
钛合金常用规格及性能用途Document serial number [UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108] 钛合金常用规格及性能用途TC4 / GR5 / Ti6AL4V钛棒现货规格：直径2mm 8mm9mml0mm直径12mm 15mm 16mm 18mm 20mm25mm30mm35mm40mm45mm50mm55mm直径60mm 65mm 70mm 75mm 80mm85mm90mml00mml05niml 10mml20mmTC4 / GR5 / Ti6AL4V钛棒现货规格：厚丿艾1mm 2mm 3mm 4mm 5mm 6mm 7mm 8mm 10mml2mm 14mm厚度16mml8mm 20mm25mm 30mm 32mm 35mm 50mm 45mm50mm 60mm 70mm 80mm 90mm 钛合金优越的特性：1耐酸碱腐蚀，耐海水腐蚀，耐污水腐蚀；2密度小（），轻；3无磁性；广钛金属4在-253° -600°之间使用，他的抗拉强度，在金属中，儿乎是最高的。
应用举例：工业上除采用工业纯钛制造零件以外，大量使用的是钛合金。
它在航空、航天、化工、造船、冶金、电子、医疗、石油、医药、军工等工业部门获得日益广泛的应用，制造燃气轮机部件。
【钛合金的性能】钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过％,但其强度低、塑性高。
％工业纯钛的性能为：密度P 二cm3,熔点为172矽钛合金耐磨地坪5°C,导热系数入二，抗拉强度。
b二539MPa, 伸长率8=25%,断面收缩率巾二25%,弹性模量E=X105MPa,硬度HB195。
(1)强度高钛合金的密度一般在cm3左右，仅为钢的60%,纯钛的强度才接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。
因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，见表7-1,可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。
钛的技术指标
包括钛金属的主要物理性能，钛及钛合金牌号、化学成份，钛及钛合金力学性能等。
钛金属的主要物理性能：
名 称
单 位
数 据
名 称
单 位
数 据
原子序数
22
比 热
卡/克.度
0.138
原子量
47.9
热膨胀系数
×10-6/℃(0-100℃)
8.2
克原子体积
厘米3/克原子
10.7
弹性模量
公斤/毫米2
10850
TC9
1059
--
9
25
29.4
500
785
588
TC10
1030
--
12
25-30
34.3
400
834
785
TC11
1030
--
10
30
29.4
500
686
588
BT22
Ti-5.5Al-5V-5Mo-1.5Cr-1.0Fe
TC11
Ti-6Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si
AB-5
Ti-3Al-2.5V
ПT-3B
Ti-4Al-2V
TB2
Ti-5Mo-5V-3Cr-3Al
B-1
Ti-3Al-13V-11Cr
ПT-7M
Ti-2Al
钛及钛合金力学性能：
牌号
室温力学性能，不小于
AB-1
Ti-6Al-4V
BT19
Ti-3Al-5.5Mo-3.5V-5.5Cr-1Zr
TC9
Ti-6.5Al-3.5Mo-2.5Sn-0.3Si
AB-3
Ti-6Al-6V-2Sn
典型钛及钛合金的组织与性能综述
典型钛合金的组织与性能文献查阅总结1.α型钛合金α型钛合金中又分为全α型钛合金和近α型钛合金，工业纯钛属于α型钛合金，此外一般α合金含有6%左右的Al和少量中性元素，退火后几乎全部是α相，典型合金包括TA1~TA7合金等；近α型钛合金中除了含有Al 和少量中性元素外，还有少量（不超过4%）的稳定元素，如TA15、TA16、TA17等。
1.1工业纯钛工业纯钛按杂质元素含量分为TA1、TA1ELI、TA1-1、TA2、TA2ELI、TA3、TA3ELI、TA4、TA4ELI9个牌号，相变点大约为900℃。
工业纯钛具有高塑性、适当的强度、良好地耐蚀性以及优良的焊接性能等特点，广泛应用于化工设备、滨海发电装置、海水淡化装置、舰船零部件等，其冷热加工性能好，可生产各种规格的板材、棒材、型材、带材、管材和丝材，一般在退火状态下交货使用。
典型的工业纯钛显微组织如图1-3所示：图1 TA1板材650℃/1h退火态组织：等轴α+少量晶间β图2 TA2大规格棒材600℃/1h退火态组织：等轴α图3 TA3板材800℃/1h退火态组织：等轴α+含有针状α转变的β1.1.1 TA1钛管的组织与性能[][]庞继明，李明利，李明强等. 退火温度对TA1钛管材组织和性能的影响[J]. 钛工业进展. 2011, 28(2): 26-28研究方法：TA1铸锭经过2500t水压机开坯锻造和1600t卧式挤压机热挤压，最终获得φ45×7mm的管坯。
管坯经两辊和三辊管材冷轧机轧制成φ12×1.25mm的管材。
将管材置于真空热处理炉中，分别加热至450，475，490，500，550，600，650，700℃，保温90min，随炉冷却。
a）TA1钛管的显微组织图1为冷加工态及不同的温度热处理后的TA1管材横向显微组织。
可以看出，冷加工态的TA1管材组织混乱且有部分晶粒破碎不完全；700℃下的组织已完全再结晶、等轴化，与650℃的相比晶粒已明显长大。
钛合金热处理标准
钛合金热处理标准
钛合金热处理标准是为了确保钛合金材料在加工过程中获得最佳的性能和稳定性而制定的一系列规范。
这些标准通常包括退火、固溶和时效处理等工艺。
以下是关于钛合金热处理的一些基本概念：
1. 消除应力退火：
目的：为了消除或减少加工过程中产生的残余应力，防止在一些腐蚀环境中的化学侵蚀，并减少变形。
2. 完全退火：
目的：为了获得良好的韧性，改善加工性能，有利于再加工以及提高尺寸和组织的稳定性。
3. 固溶处理和时效：
目的：对于α+β钛合金和含有少量α相的亚稳β钛合金，通过固溶处理和时效可以进一步强化合金，提高其强度。
α钛合金和稳定的β钛合金不能进行强化热处理，只能进行退火。
4. TC4钛合金热处理：
TC4钛合金主要以退火状态使用，但也可以采用固溶时效处理进行一定的强化。
需要注意的是，当透截面超过25mm时，一般不建议进行固溶时效处理。
TC4钛合金的相变温度（a+转变温度）为980~1010°C。
我国的钛工业起步较晚，但在发展过程中已经建立了相应的钛及钛合金体系。
钛合金热处理制度是在国外相关资料的基础上，结合我国实际热处理设备状况和经验制定的。
具体的国家标准如《钛及钛合金制件热处理》提供了详细的指导和规定。
钛合金
钛合金金资料
一：钛及钛合金棒材室温力学性能
钛合金图片
二：钛合金的密度为：4.505g/cm3,t
钛合金的剪切强度一般为抗拉强度的60%-70%。
大多数钛合金在退火状态下具有稍高的弹性模量为110~120Gpa.
许多钛合金具有很高的断裂韧度，钛合金抗裂纹扩展的能力很好，退火状态的TC4合金就是一种韧性很好的材料。
三：钛合金的剪切强度
钛合金的剪切强度是和温度有很大的关系，在不同的温度环境下
使用，剪切强度有着明显的变化。
室温时67Kg/mm² 100度时60.5Kg/mm²
200度时55.9Kg/mm² 300度时49.1Kg/mm²
400度时48.0Kg/mm² 500度时40.4Kg/mm²
四：钛合金的泊松
钛合金的泊松比一般和纯钛差不多，在常温下一般都是：0.34左右。
五：钛合金的硬度
钛合金的硬度HRC一般是36-40左右。
纯钛及钛合金热加工性能参数
纯钛热加工性能参数1. 来料牌号及化学成分
4. 加热规范
板坯在热轧前需要在加热炉中均匀加热，为防止氧扩散，应限制加热温度和时间，因此，从成材率、表面质量考虑，该扩散层的厚度越薄越好，为此，热轧带卷加热温度的设定应在保证稳定轧制并可卷制成带的情况下，尽可能低。
通常工业纯钛在加热炉内最好加热至800~920℃。
纯钛料轧制时的加热制度和终轧温度
*
5. 轧制过程控制
热轧分为粗轧和精轧。
粗轧通常使用可逆式轧机，从厚板坯（80~300mm）的轧制到供精轧机
℃温度
/s的速度冷
二、钛合金（TC3、TC4）
密度ρ＝4.45g/cm3
弹性模量E＝1.13×105MPa
导热系数λ＝6.43Wm-1K-1
1常温力学性能
TC4合金的拉伸应力应变曲线
TC4室温压缩应力应变曲线
2热轧工艺条件
1）．加热规范
坯料轧制时的加热制度和终轧温度
举例1：用可逆式四辊轧机将尺寸为240m m×1070mm×1600mm的TC4钛合金板坯轧制成厚度60mm 中板的典型压下规范如下表：。
2021年钛合金常用规格及性能用途
钛合金常用规格及性能用途欧阳光明（2021.03.07）TC4 / GR5 / Ti6AL4V 钛棒现货规格：直径2mm 2.5mm 3.0mm 3.5mm 4.0mm 5.0mm 6.0mm7.0mm 8mm 9mm 10mm直径12mm 15mm 16mm 18mm20mm 25mm 30mm 35mm 40mm 45mm 50mm 55mm直径60mm 65mm 70mm 75mm80mm 85mm 90mm 100mm 105mm 110mm 120mmTC4 / GR5 / Ti6AL4V 钛棒现货规格：厚度1mm 1.5mm 2mm 2.5mm 3mm 4mm 4.5mm 5mm 6mm 7mm 8mm 10mm 12mm 14mm厚度16mm 18mm 20mm 25mm 30mm 32mm 35mm 50mm45mm 50mm 60mm 70mm 80mm 90mm钛合金优越的特性：1耐酸碱腐蚀，耐海水腐蚀，耐污水腐蚀；2密度小（4.51），轻；3无磁性；广钛金属4在-253°-600°之间使用，他的抗拉强度，在金属中，几乎是最高的。
应用举例:工业上除采用工业纯钛制造零件以外，大量使用的是钛合金。
它在航空、航天、化工、造船、冶金、电子、医疗、石油、医药、军工等工业部门获得日益广泛的应用,制造燃气轮机部件。
【钛合金的性能】钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。
99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3，熔点为172矽钛合金耐磨地坪5℃，导热系数λ=15.24W/(m.K)，抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。
(1)强度高钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60％，纯钛的强度才接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。
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纯钛热加工性能参数
1. 来料牌号及化学成分
注：合金牌号对应标准GB/T3620.1-2007
2.纯钛的物理性能
熔点1668±4℃
密度ρ＝4.5g/cm3
弹性模量E＝1.17×105MPa、G＝0.44×105Mpa（约为钢的54%）导热系数λ＝19.3Wm-1K-1
热膨胀系数10.2×10-6/℃（室温-700℃）
泊松比υ＝0.33
3.常温下力学性能
4. 加热规范
板坯在热轧前需要在加热炉中均匀加热，
为防止氧扩散，应限制加热温度和时间，因此，从成材率、表面质量考虑，该扩散层的厚度越薄越好，为此，热轧带卷加热温度的设定应在保证稳定轧制并可卷制成带的情况下，尽可能低。
通常工业纯钛在加热炉内最好加热至800~920℃。
纯钛料轧制时的加热制度和终轧温度
5. 轧制过程控制
热轧分为粗轧和精轧。
粗轧通常使用可逆式轧机，从厚板坯（80~300mm ）的轧制到供精轧机轧制的板材厚度（25~40mm ），需经5~7个道次的轧制。
纯钛的粗轧终轧温度为790℃。
精轧工序在6~7台串列式轧机进行，可将25~40mm 的板坯连续加工成钛带材（厚3~6mm ），轧制速度可达
300~600m/min。
轧制过程温度控制参数为：钛板坯在加热炉中加热到800~920℃，在910℃出炉；粗轧终轧温度为790℃，连续热轧时钛坯温度控制在650~800℃范围，终轧温度为670℃；在470~490℃温度范围进行卷取。
轧制后立即将钛带在输出辊道上用水冷或空冷的方法，以大于5~10℃/s的速度冷却，在低于500℃时卷取，以保证带卷材质均匀。
其它工艺要点有：严格控制初轧及连轧时各机架压下量和各机架上带材的温度；避免辊道对带材表面划伤；每轧3~4块清理一下辊道上的金属沾污；热轧带卷初始阶段，需要建立一个稳定的、大于4MPa/mm2的后张力，防止因带材卷乱或松卷引起划伤。
轧制温度对纯钛的单位压力的影响
钛合金热加工性能参数
二、钛合金（TC3、TC4）
密度ρ＝4.45g/cm3
弹性模量E＝1.13×105MPa
导热系数λ＝6.43Wm-1K-1
1常温力学性能
抗拉强度〉MPa 屈服强度〉MPa 延伸率〉TC3 880 10%
TC4 895 830 10%
TC4合金的拉伸应力应变曲线
TC4室温压缩应力应变曲线
2热轧工艺条件
1）．加热规范
坯料轧制时的加热制度和终轧温度
预先经过变形的毛坯
Tβ
加热温度℃终轧温度℃加热时间(mm/min)
TC4 980-990 920 700 1-1.5
加热时间和速度：200mm厚的板坯通常加热时间为230-240分钟。
炉内气氛：加热炉一般采用连续步进式加热炉。
加热前的坯料应在微氧化性气氛中均匀加热。
2）．压下制度
TC4合金的高温性能高温性能
温度℃600 800 900 1000 抗拉强度MPa 500 100 75 25 延伸率% 40 100 200 65
轧制温度对合金的单位压力的影响
坯料轧制时的加热制度和终轧温度
板坯热轧工艺参数
举例1：用可逆式四辊轧机将尺寸为240mm×1070mm×1600mm的TC4钛合金板坯轧制成厚度60mm中板的典型压下规范如下表：
值,mm
相对值,% 14.6 14.6 14.3 13.3 15.3 14.6 13.7 13.6 14.3 举例2：TC3板坯热轧工艺参数
轧后板材规格
加热制度压下制度
加热火次加热温度加热时间轧制道次
道次最大
加工率％
平均道次
加工率％
总加工
率％
TC3 6×650×L 1 910-920 感应加热：
13-15min
煤气炉：
200-250m
in
12 31.3 19 92 1 930-950
3）轧制速度:
φ600/φ1380×1200mm四辊热轧机轧制钛板的轧制速度
轧速m/s（80-140mm板坯）
咬入阶段中间轧制阶段
0.63
咬入速度稳定轧制速度轧件抛出速度
0.63 1.26-3.14 0.315-0.63。