钛的基础知识

稀有金属的基本知识

第一节、 钛及钛合金

钛在化学元素周期表中属IVB 族元素，原子序数为22，在地壳中的含量为0.61%，在所有元素中名列第九，在常用元素中仅次于铝、铁、镁，居第四，钛在地壳中大都以金红石（TIO 2）和钛铁矿等形式的存在，由于分离提取困难具有工业意义

的金属钛直到本世纪四十年代才生产出来，因为一般把钛成为稀有轻金属。 钛及其合金的密度小，抗拉强度高，而且在通常的使用温度内，其比强度（抗拉强度/密度）在几乎所有金属材料中最高，因而该金属最初的应用是在航空、航天领域，主要是满足现代航天技术对航空器材料的低重量、高强度要求。另外，钛在适当的氧化环境中可以形成一种薄而坚固的氧化膜，具有优异的耐蚀性能，正式由于合金优异的耐蚀性能，是的钛在近年来由军用向民用的国度速度相当快。目前钛及钛合金已经被广泛地应用于冶金、石化、造船、氯碱、建筑、体育器械等其他非航空领域。纯钛的熔点为1668±4℃，沸点为3535℃，密度为

4.505G/CM 3, 导热系数0.036卡/cm ·S ·℃,热膨胀系数为8.2×10-6·Ω·mm ， 弹性模量为10850kg/mm 2.。

1.2基本分类

一、概述

钛以两种同素异构体存在，一种称为α钛，具有密排六方结构的晶体，其晶格排列密度大；另一种为β钛具有体心立方结构的晶体，在纯钛中，α相在温度882.5℃以下是稳定的，当温度超过882.5℃后变为β相，882.5℃称为α/β的转变温度，即相变点。β相从882.5℃到熔点都是稳定的。

二、几个常用的概念

1、α稳定型

α稳定型指的是钛合金中的添加元素容易溶解于α相中，随着合金元素含量的增加能使α相在较高的温度下保持稳定并提高了α/β转变温度，属于这类合金的添加元素包括铝、锡、锗、氧、氮、碳

2、β稳定型

β稳定型

β同晶型的合金元素完全溶于β相中，即使在平衡条件下也不发生分解。随着该类元素含量的增加，转变温度降低，此类元素有钒、钽、钼、铌。α稳定元素外的大多数元素为β稳定型元素。

β共析型指β稳定元素的加入稳定了β相，但是在平衡条件下，β相分解而形成α相加金属间化合物，这类合金元素又分为两类：活性共析元素和惰性共析元素。活性共析元素如CU,SI 能引起β相向化合物迅速转变，这类元素目前还没有广泛应用于合金中，其他共析元素如CR . Co FE NI MN ，在共析反应中惰性较大，在大多数商业合金中一般不用相当大的量来形成化合物。

三、合金分类

室温下，商用纯钛主要由α相组成，随着合金元素的加入，相变温度及相变比例逐渐变化，钛中加入的合金元素一种是稳定α相的一种是稳定β相的。

能够优先

融入α相中可以使α相在较高的温度下保持稳定的元素称之为α稳定元素，可以容易地溶解于β相中，能够将β相稳定到较低温度的元素称之为β稳定元素。根据合金元素加入后显微组织的不同，将钛合金分为三种类型，即α、β、α+β。α型合金主要由α相组成，β型合金主要由β相组成，α+β由两种相混合组成。

α合金：一般具有可焊接性，热处理不能强化，中等强度，良好的缺口韧性，良好的高温抗蠕变性能。

β合金：β或近β合金具有良好的热处理强化效果，强度高，具有相当好的抗蠕变性能和良好的成型性。

α+β合金：大多数α+β合金是可以热处理强化的，有一些具有可焊性，具有中上等的强度，易成型，抗蠕变性能不及α合金。

另外由于CPTI具有优异的耐蚀性能，是工业装置很理想的耐蚀材料，被各行业广泛应用，但是CPTI不耐硫酸、盐酸、磷酸、甲酸等介质的腐蚀，为此，目前人们提出了耐蚀钛合金的概念。

工厂目前生产的合金主要有两种：钛钯及钛钼镍。

一、α钛合金

1.全α钛合金

✧成分特点：含有6%以下的铝和少量的中性元素（Zr Sn）

✧显微组织特点：退火后除杂质元素造成的少量β相外，几乎全部为α相

✧性能特点：密度小，热抢性好，低间隙元素含量及好的超低温韧性

例如：TA1-TA7

2.近α合金：

✧成分特点：除铝和中性元素外，还有少量（≤4%）的β稳定元素

✧显微组织特点：退火后，除大量的α相之外，还有少量的（大约10%体积百分比的β相）

✧性能特点：可热处理强化，有很好的热强性和热稳定性，焊接性能良好

例如：TI-6.5AL-2ZR-1MO-14V（TC15）

3.α+化合物合金

✧成分特点：在全α合金的基础上添加少量的活性共析元素

✧显微组织特点：退火后，除大量的α相之外，还有少量的β相及金属间化合物

✧性能特点：有沉淀硬化效应，提高了室温及高温抗拉强度和蠕变强度，焊接性良好

例如：TA8(TI-2.5CU)

二、β型钛合金、

1. 热稳定β合金

✧成分特点：含有大量β稳定元素，有时还有少量其他元素

✧显微组织特点：退火后，全部为β相

✧性能特点：室温强度较低，冷成型性和冷加工能力强，在还原介质中耐蚀性

能良好，热稳定性可焊接性好

例如：TI-32MO

2. 亚稳定β合金

✧成分特点：含有临界浓度以上的β稳定元素，少量的AL（一般≤3%）和中性

元素

✧显微组织特点：从β相区固溶处理（淬水或空冷）后，几乎全部为亚稳定β

相，在提高温度时效后的组织为α、β相，有时还有少量的化合物相

✧性能特点：古榕处理后，室温强度低，冷成型和冷加工能力强，可焊接性好，

经时效后，室温温度高，在高屈服强度下具有高的断裂韧性，在350℃以上热稳定性差，此类合金淬透性好。

例如：TB1 TB2

3. 近β合金

✧成分特点：含有临界浓度左右的β稳定元素和一定量的中性元素及AL.

✧显微组织特点：从β相区固溶处理后有大量亚稳定β相，可能有少量其他亚

稳定相（α或γ相）时效后，主要是α和β相，此外，亚稳定β相可发生应变转变

✧性能特点：除有亚稳定合金的特点外，固溶处理后，屈服强度低，均匀伸长

率高，时效后，断裂韧性及锻造性较高。

例如：TI-10V-2FE-3AL

三、α+β型钛合金

✧成分特点：含有一定量的AL（6%以下）和不同量的β稳定元素及中性元素✧显微组织特点：退火后有不同比例的β相

✧性能特点：可热处理强化，强度随着β稳定元素含量的增加而提高，可焊性

好，一般冷成型性及冷加工能力差，TC4合金在低间隙元素含量时具有良好的超低温韧性

例如：TC1-TC10

我国钛工业的发展在很长一段时间主要目的是为了满足航空工业的需要，但是直至六五计划以前，由于各种原因发动机和飞机上使用的钛材仍然很少，钛部件的重量仅占飞机结构重量的1-2%，但六五期间，钛在航空工业上有了新的发展，如TC6, TC11合金作为盘件叶片和其他部件在航空发动机上应用已有了批量生产并经受了试飞的考核，TA7合金环轧件，模锻件和板材分别用于发动机匣壳体，转接座，衬板，支架和壁板，都通过了长期试车和试飞，TC4在机身上作用承力件，TB2, TI22作为铆钉丝的应用等都得到了很好的效果，尽管航空部门目前用钛不多，但是多年来所开展大量试验工作，特别是六五期间，由于计划的落实，集中合金的试验和应用都取得了成果，为以后航空工业用钛打下了较坚实的基础。

国内钛材的市场从70年代中期就开始转向一般工业，几十年来，由于科研、生产、设计、制造和应用部门的密切配合，已较广泛的应用于化工、是有、冶金、电力、轻纺、食品、及医药卫生等各个部门，钛制设备的主要类型是换热器，各种容器，泵类，风机和电解槽等。

我国的钛资源十分丰富，其储量居世界前列，国外在航空工业、参加吗板坯股票每股额、海洋工业、海水淡化、石油化工、轻工等方面的用钛量都较大，而国内在上述几个方面的用钛量不多，因此，从发展角度讲，我国航空业和上述行业的用钛量将会越来越大。

另外钛在军工方面的应用有特殊的意义，他已经是提高军事装备水平不可缺少的军事材料，因此，钛的应用会随着军事工业的发展将有一定比例的增加。