钛合金的结构和分类

钛的基础知识

钛是1950年代开发的重要结构金属。钛合金因其高比强度，良好的耐腐蚀性和高耐热性而被广泛用于各个领域。世界上许多国家已经认识到钛合金材料的重要性，并相继进行了研究和开发，并获得了实际应用。钛是元素周期表中的第四个B元素。它看起来像钢，熔点为1 672C。它是一种难熔金属。地壳中的钛含量丰富，远高于普通金属，例如Cu，Zn，Sn和Pb。中国的钛资源极为丰富。仅在四川省攀枝花地区发现的超大型钒钛磁铁矿中，相关的钛储量就达到约4.2亿吨，接近国外已探明钛储量的总和。钛合金可分为耐热合金，高强度合金，耐腐蚀合金（Ti-Mo，Ti-Pd合金等），低温合金和特殊功能合金（Ti-Fe储氢材料和Ti-Ni记忆体）合金）。

钛合金元素

钛合金是基于钛并添加了其他元素的合金。钛具有两种均质的异质晶体：882℃以下具有紧密六方结构的α钛和882℃以上具有体心立方结构的β钛。根据对相变温度的影响，合金元素可分为三类： 1.稳定α相并提高相变温度的元素是α稳定元素，包括铝，碳，氧和氮。其中，铝是钛合金的主要合金元素。它对提高室温和高温强度，降低比重和增加合金的弹性模量具有明显的作用。 （2）β稳定相和相变温度下降是β稳定元素，可分为同晶和共析两种。前者包括钼，铌和钒，而后者包括铬，锰，铜，铁和硅。 （3）锆和锡等中性元素对相变温度的影响很小。

氧，氮，碳和氢是钛合金中的主要杂质。氧和氮在α相中具有较高的溶解度，这对钛合金具有明显的强化作用，但会降低其可塑性。通常规定钛中的氧和氮含量分别低于0.15-0.2%和0.04-0.05%。氢在α相中的溶解度很小。溶解在钛合金中的过量氢会生成氢化物，这会使合金变脆。通常，钛合金中的氢含量控制在0.015%以下。氢在钛中的溶解是可逆的。

分类

钛是一种异构体，其熔点为1720（？）C，在低于882（？）的温度下具有致密的六方晶格结构，称为α钛；在高于882（？）C的温度下为体心立方晶格结构。 ，称为β钛。通过添加适当的合金元素逐渐改变相变温度和相含量，可以获得具有不同显微组织的钛合金。钛合金在室温下具有三种基质结构。钛合金也可以分为三类：α合金，（α+β）合金和β合金。中国分别以TA，TC和TB为代表。

阿尔法钛合金

它是由α相固溶体组成的单相合金。在常温和较高的实际应用温度下均为α相。与纯钛相比，它具有稳定的结构，更高的耐磨性和较强的抗氧化性。其强度和抗蠕变性在500 600 C的温度下得以维持，但不能通过热处理进行增强，并且在室温下的强度也不高。

Beta钛合金

它是由β相固溶体组成的单相合金。未经热处理，强度高。经过淬火和时效处理后，合金进一步强化，其室温强度可以达到1372-1666 MPa。但是，其热稳定性差并且不适合在高温下使用。

Alpha +β钛合金

它是一种具有良好综合性能，良好的结构稳定性，良好的韧性，可塑性和高温变形性能的双相合金。它可以在热压下进行加工，并通过淬火和时效进行强化。热处理后，与退火状态相比，强度提高了50%-100%，高温强度在400 500的温度下可以长时间工作，其热稳定性不如α钛合金。

在三种钛合金中，最常用的是α-钛合金和α+β-钛合金。 α-钛合金具有最佳的可加工性，其次是α+β-钛合金和β-钛合金。 Alpha钛合金代码TA，β钛合金代码TB，α+β钛合金代码TC。

钛合金的应用

钛合金可分为耐热合金，高强度合金，耐腐蚀合金（Ti-Mo，Ti-Pd合金等），低温合金和特殊功能合金（Ti-Fe储氢材料和Ti-Ni记忆体）合金）。表中列出了典型合金的成分和性能。

通过调节热处理工艺可以获得不同的相组成和结构。通常认为，细等轴结构具有更好的可塑性，热稳定性和疲劳强度；针状结构具有较高的耐力强度，蠕变强度和断裂韧性；等轴针状混合结构具有较好的综合性能。

钛合金具有高强度，低密度，良好的机械性能，良好的韧性和耐腐蚀性。另外，钛合金的技术性能差并且难以切削。在热加工中很容易吸收氢，氧，氮和碳等杂质。耐磨性差且生产过程复杂。钛的工业化生产始于1948年。随着航空工业的发展，钛工业以每年平均8%的速度增长。目前，世界钛合金加工材料的年产量已达4万吨以上，钛合金牌号近30种。使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V（TC4），Ti-5Al-2.5Sn（TA7）和工业纯钛（TA1，TA 2和TA3）。

钛合金主要用于制造飞机发动机的压缩机零件，其次是火箭，导弹和高速飞机。在1960年代中期，钛及其合金已在一般工业中用于制造电解工业中的电极，发电厂的冷凝器，炼油和海水淡化用加热器以及环境污染控制设备。钛及其合金已成为一种耐腐蚀的结构材料。此外，它还用于生产储氢材料和形状记忆合金。

1956年在中国对钛和钛合金进行了研究，1960年代中期开发了钛材料和TB2合金的工业化生产。

钛合金是一种用于航天工业的新型重要结构材料。其比重、强度和使用温度介于铝和钢之间，但具有较高的比强度和优良的耐海水腐蚀性能和超低温性能。 1950年，美国首先使用F-84战斗轰炸机作为后机身隔热板、导风罩、尾罩等非承重部件。 1960年代以来，钛合金的使用从机身后部转移到机身中部，部分替代结构钢制造隔板、横梁、襟翼和滑轨等重要的承重部件。军用飞机用钛合金用量迅速增加，达到飞机结构重量的20%-25%。自1970年代以来，钛合金已广泛用于民用飞机。例如，波音747客机使用的钛量超过3640公斤。马赫数小于2.5的飞机用钛主要用于替代钢材，以减轻结构重量。例如美国SR-71高空高速侦察机（飞行马赫数3，飞行高度26212米），钛合金占该机结构重量的93%，被称为“全钛”飞机。当航空发动机的推重比从 4 提高到 6 提高到 8 提高到 10，压气机出口温度从 200 到 300 ℃ 提高到 500 到 600 ℃ 时，原来的低压压气机圆盘和叶片由铝必须用钛合金代替，或用钛合金代替不锈钢制成的高压压气机盘和叶片，以减轻结构重量。 1970年代，航空发动机用钛合金用量一般占结构总重量的20%-30%。主要用于制造压气机部件，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机壳、中间机壳、轴承座等。航天器主要利用钛合金的高比强度、耐腐蚀和耐低温特性制造各种压力容器、油箱、紧固件、仪表带、框架和火箭弹。钛合金板焊件还用于人造地球卫星、登月舱、载人航天器和航天飞机。