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【鈦合金】詳細信息
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純鈦的塑性高，但強度低，因而限制了它在工業(yè)上的應用。為了獲得要求的性能，擴大鈦的使用范圍，在鈦中添加不同的合金元素，得到各種不同牌號的鈦合金。工業(yè)鈦合金的化學成分見表1。1．鈦合金的分類按退火后的組織，鈦合金可以分為三大類：（1）α合金及近α合金。（2）（α+β）合金。（3）β合金及近β合金。國家標準用TA代替α合金；TB代表β合金；TC代表（α+β）合金。例如TA1為工業(yè)純鈦；TB1為β鈦合金；TC4為（α+β）鈦合金。新試制的合金多直接沿用美國標準，用合金元素及含量來表示。例如Ti-1023合金是以鈦為基，含10%釩、2%鐵和3%鋁的合金。2．鈦合金中的合金元素根據對鈦的同素異晶轉變溫度的影響，鈦合金中的合金元素可以分為四類：（1）α穩(wěn)定元素能提高鈦的同素異晶轉變溫度，擴大α相區(qū)，亦即增大α相穩(wěn)定性的元素稱α穩(wěn)定元素。鋁以及作為雜質存在氧、碳、氮屬于α穩(wěn)定元素（圖2（a））。圖2鈦合金狀態(tài)圖類型及各種元素的作用表1工業(yè)純鈦及鈦合金的化學成分和性能牌號合金元素含量/（%）（質量）雜質元素含量不大于/（%）（質量）狀態(tài)室溫性能高溫性能為某爐批實測數據平均值。（2）同晶型β穩(wěn)定元素晶格類型與β-Ti相同，能降低鈦的同素異晶轉變溫度，在β-Ti中無限固溶，擴大β相區(qū)，即增大β相穩(wěn)定性的元素，稱為同晶型β穩(wěn)定元素。鉬、釩、鈮、鉭等元素屬這一類（圖2（b））。（3）共析型β穩(wěn)定元素能降低鈦的同素異晶轉變溫度，擴大β相區(qū)，但只能在β-Ti中有限固溶，并引起共析轉變的元素，稱為共析型β穩(wěn)定元素（圖2（c））。這類元素包括范圍較廣，且共析反應速度相差十分懸殊。鉻、錳、鐵等元素與鈦共析反應溫度較低，轉變速度極慢，在一般熱處理條件下轉變難以進行，故也稱為非活性共析型元素；反之，硅、銅、氫、鈦、銀等元素，共析轉變速度極快，淬火也無法抑制其進行，故不能將β相穩(wěn)定到室溫，相應稱為活性共析元素。（4）中性元素鋯、鉿兩種元素與鈦性質相似，原子尺寸也十分接近，在α-Ti和β-Ti中都能無限固溶，對鈦的同素異晶轉變溫度影響不大，因而稱為中性元素（圖2（d））。生產中，錫也歸入中性元素。3．合金元素對組織和性能的影響鈦合金中最常用的合金元素有10余種，其主要強化途徑是固溶強化和沉淀強化。前者是通過提高α相或β相的固溶濃度而提高合金的性能；后者是借助熱處理獲得高度彌散的α+β或α+金屬間化合物（α+TiXMy）以達到強化的目的。按現有水平，鈦合金利用單相或復相固溶強化效果，可使抗拉強度從純鈦的約450MPa提高到1000～1200MPa，即提高1倍左右；如再結合適當的熱處理，還可進一步提高到1200～1500MPa，個別合金的σb可達1800～2000MPa。如前所述，鈦中加入元素不同，可獲得組織為單相或多相的合金，溶解濃度的差異、組織形態(tài)、晶粒大小等因素對鈦合金的力學性能均有影響，下面分別作一簡單介紹。（1）α鈦合金若要使鈦合金退火組織由單相α構成，添加元素應以α穩(wěn)定元素為主。工業(yè)上，主要靠加入鋁獲得α鈦合金。因此，此類鈦合金，多半屬于鈦-鋁系。添加合金元素鋁是因為鋁有較低的密度，能抵消加入合金中重過渡金屬元素對鈦合金密度的影響作用。鋁能顯著地使室溫和高溫下的α相強化，但加入量過多會出現Ti3Al相而引起脆性，因此，鋁的添加量一般不超過7%（質量）。為進一步改善α-Ti合金的耐熱性，鈦-鋁系合金中還添加鋯、錫等中性元素和少量的β穩(wěn)定元素。α鈦合金為單相合金，不能熱處理強化，只有中等水平的室溫強度。但由于這類合金的組織穩(wěn)定，抗蠕變性能好，可在較高溫度下長期穩(wěn)定地工作，是創(chuàng)制新型耐熱鈦合金的基礎。航空工業(yè)常用的α鈦合金有TA4，TA5，TA6和TA7等。TA7可用來制作承力較大的鈑金件和鍛件。對于α鈦合金，惟一的熱處理方式是退火。（2）β鈦合金是退火組織完全由β相構成的合金。從鈦與同晶型β穩(wěn)定元素的狀態(tài)圖（圖3）可知，要得到單相β組織，合金中β穩(wěn)定元素的含量必須大于Cβ，才能使β轉變溫度降低到室溫或室溫以下。據實驗結果，要使合金的β轉變溫度下降到600℃，應分別加入30%Mo，或70%V，或50%Nb，或70%Ta；如要將β轉變溫度下降到溫室，則加入量還要更大。這樣就可能使鈦由主要元素變?yōu)榉侵饕?，加大合金密度，降低比強度。所以，穩(wěn)定的β鈦合金在工業(yè)上并沒有多大的實際意義。目前，穩(wěn)定型β合金只有作耐蝕材料的Ti-32Mo。工業(yè)常用的β鈦合金是亞穩(wěn)定型近β鈦合金。這類合金中β穩(wěn)定元素含量無須大于Cβ，而只要大于CKB。這是因為此類合金當其加熱到β相區(qū)淬火時，將發(fā)生馬氏體轉變，和鋼一樣，鈦合金中馬氏體轉變也有一個開始溫度Ms和轉變終了溫度Mf，它們隨合金中β穩(wěn)定元素含量的增加而降低，當β穩(wěn)定元素含量超過CKB時，Ms下降到室溫。通常將CKB稱為臨界濃度（圖3）。亞穩(wěn)定近β鈦合金在固溶狀態(tài)有良好的工藝塑性，便于加工成形，時效處理后可獲得很高的強度性能。
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