近α鈦合金發(fā)展歷史

鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。世界上許多國(guó)家都認(rèn)識(shí)到鈦合金材料的重要性，相繼對(duì)其進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，并得到了實(shí)際應(yīng)用。

第一個(gè)實(shí)用的鈦合金是1954年美國(guó)研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐熱性、強(qiáng)度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好，而成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金，該合金使用量已占全部鈦合金的75%～85%。其他許多鈦合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。

20世紀(jì)50～60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的高溫鈦合金和機(jī)體用的結(jié)構(gòu)鈦合金，70年代開(kāi)發(fā)出一批耐蝕鈦合金，80年代以來(lái)，耐蝕鈦合金和高強(qiáng)鈦合金得到進(jìn)一步發(fā)展。耐熱鈦合金的使用溫度已從50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。A2(Ti3Al)和r（TiAl）基合金的出現(xiàn)，使鈦在發(fā)動(dòng)機(jī)的使用部位正由發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端（風(fēng)扇和壓氣機(jī)）向發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端（渦輪）方向推進(jìn)。結(jié)構(gòu)鈦合金向高強(qiáng)、高塑、高強(qiáng)高韌、高模量和高損傷容限方向發(fā)展。

另外，20世紀(jì)70年代以來(lái)，還出現(xiàn)了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形狀記憶合金，并在工程上獲得日益廣泛的應(yīng)用。

世界上已研制出的鈦合金有數(shù)百種，最著名的合金有20～30種，如Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni、Ti-Pd、SP-700、Ti-6242、Ti-10-5-3、Ti-1023、BT9、BT20、IMI829、IMI834等[2,4]。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2012年我國(guó)化工行業(yè)用鈦量達(dá)2.5萬(wàn)噸，比2011年有所減少。這是自2009年以來(lái)，我國(guó)化工用鈦市場(chǎng)首次出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。近些年來(lái)，化工行業(yè)一直是鈦加工材最大的用戶，其用量在鈦材總用量的占比一直保持在50%以上，2011年占比高達(dá)55%。但隨著經(jīng)濟(jì)陷入低迷期，化工行業(yè)不但新建項(xiàng)目明顯減少，同時(shí)還將面臨產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，部分產(chǎn)品新建產(chǎn)能受到控制，落后產(chǎn)能也將逐步淘汰的境地。受此影響，其對(duì)鈦加工材用量的萎縮也變得順理成章。在此之前，便有業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)化工行業(yè)用鈦量在2013~2015年間達(dá)到峰值。以當(dāng)前市場(chǎng)表現(xiàn)看來(lái)，2012年整體經(jīng)濟(jì)的疲軟有可能使得化工用鈦的衰退期提前。

鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高。20世紀(jì)50～60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的高溫鈦合金和機(jī)體用的結(jié)構(gòu)鈦合金。70年代開(kāi)發(fā)出一批耐蝕鈦合金，80年代以來(lái)，耐蝕鈦合金和高強(qiáng)鈦合金得到進(jìn)一步發(fā)展。鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。

成分中主要含有α穩(wěn)定元素鋁、錫、鋯等和少量β穩(wěn)定元素鉬、釩、錳等。具有優(yōu)良的高溫抗蠕變能力，良好的熱穩(wěn)定性和焊接性能。長(zhǎng)期工作溫度達(dá)300℃。采用真空自耗電弧爐熔煉制取。適于制造板材焊接結(jié)構(gòu)件。多作船用鋼板。

鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質(zhì)異晶體：882℃以下為密排六方結(jié)構(gòu)α鈦，882℃以上為體心立方的β鈦。

合金元素根據(jù)它們對(duì)相變溫度的影響可分為三類：

①穩(wěn)定α相、提高相轉(zhuǎn)變溫度的元素為α穩(wěn)定元素,有鋁、碳、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素，它對(duì)提高合金的常溫和高溫強(qiáng)度、降低比重、增加彈性模量有明顯效果。

②穩(wěn)定β相、降低相變溫度的元素為β穩(wěn)定元素，又可分同晶型和共析型二種。前者有鉬、鈮、釩等；后者有鉻、錳、銅、鐵、硅等。

③對(duì)相變溫度影響不大的元素為中性元素，有鋯、錫等。

氧、氮、碳和氫是鈦合金的主要雜質(zhì)。氧和氮在α相中有較大的溶解度,對(duì)鈦合金有顯著強(qiáng)化效果,但卻使塑性下降。通常規(guī)定鈦中氧和氮的含量分別在0.15～0.2%和0.04～0.05%以下。氫在α相中溶解度很小,鈦合金中溶解過(guò)多的氫會(huì)產(chǎn)生氫化物，使合金變脆。通常鈦合金中氫含量控制在 0.015%以下。氫在鈦中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。

α型鈦合金指的是使用溫度下有α型單相態(tài)，抗拉強(qiáng)度比工業(yè)純鈦稍高，是優(yōu)良的超低溫合金之一。

α型鈦合金在室溫和使用溫度下有α型單相態(tài)，不能熱處理強(qiáng)化(淬火是唯一的處理方式)，,主要依靠固溶強(qiáng)化。室溫強(qiáng)度一般低于β型和α β型鈦合金(但高于工業(yè)純鈦)，而在高溫(500℃600℃)下的強(qiáng)度和蛻變，強(qiáng)度卻是三類鈦合金中最高的，且組織穩(wěn)定，抗氧化性和焊接性能好，耐蝕性和可切削加工性能也較好，但塑性低(熱塑性仍然良好)室溫沖壓性能差。其中使用最廣的是TA7，它在退火狀態(tài)下具有中等強(qiáng)度和足夠的塑性,焊接性能良好,可在500℃以下使用,當(dāng)其間隙雜質(zhì)元素(氧、氫、氮等)含量極低時(shí)，再超低溫時(shí)還具有良好的韌性和綜合力學(xué)性能，是優(yōu)良的超低溫合金之一。

TA4 抗拉強(qiáng)度比工業(yè)純鈦稍高,可做中等強(qiáng)度范圍的結(jié)構(gòu)材料，國(guó)內(nèi)主要用作焊絲。

TA5&TA6 用于400℃以下在腐蝕介質(zhì)中工作的零件及焊接件，如飛機(jī)才皮,骨架零件,壓氣機(jī)殼體、葉片、船舶零件等。

TA7 　 500℃以下長(zhǎng)期工作的結(jié)構(gòu)零件和各種模鍛件，短時(shí)使用可到900℃。亦可用作超低溫(-233℃)部件(如超低溫用的容器)。

TA8 　500℃長(zhǎng)期工作的零件，可用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤(pán)和葉片。但合金的組織穩(wěn)定性較差。在使用上受到一定限制。

鈦合金具有強(qiáng)度高而密度又小，機(jī)械性能好，韌性和抗蝕性能很好。另外，鈦合金的工藝性能差，切削加工困難，在熱加工中，非常容易吸收氫氧氮碳等雜質(zhì)。還有抗磨性差，生產(chǎn)工藝復(fù)雜。鈦的工業(yè)化生產(chǎn)是1948年開(kāi)始的。航空工業(yè)發(fā)展的需要，使鈦工業(yè)以平均每年約 8%的增長(zhǎng)速度發(fā)展。世界鈦合金加工材年產(chǎn)量已達(dá)4萬(wàn)余噸,鈦合金牌號(hào)近30種。使用最廣泛的鈦合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工業(yè)純鈦（TA1、TA2和TA3）。

鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。60年代中期，鈦及其合金已在一般工業(yè)中應(yīng)用，用于制作電解工業(yè)的電極，發(fā)電站的冷凝器，石油精煉和海水淡化的加熱器以及環(huán)境污染控制裝置等。鈦及其合金已成為一種耐蝕結(jié)構(gòu)材料。此外還用于生產(chǎn)貯氫材料和形狀記憶合金等。

中國(guó)于1956年開(kāi)始鈦和鈦合金研究；60年代中期開(kāi)始鈦材的工業(yè)化生產(chǎn)并研制成TB2合金。

鈦合金是航空航天工業(yè)中使用的一種新的重要結(jié)構(gòu)材料，比重、強(qiáng)度和使用溫度介于鋁和鋼之間，但比鋁、鋼強(qiáng)度高并具有優(yōu)異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。1950年美國(guó)首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機(jī)上用作后機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機(jī)尾罩等非承力構(gòu)件。60年代開(kāi)始鈦合金的使用部位從后機(jī)身移向中機(jī)身、部分地代替結(jié)構(gòu)鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件。鈦合金在軍用飛機(jī)中的用量迅速增加，達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的20%～25%。70年代起，民用機(jī)開(kāi)始大量使用鈦合金，如波音747客機(jī)用鈦量達(dá)3640公斤以上。馬赫數(shù)大于 2.5的飛機(jī)用鈦主要是為了代替鋼，以減輕結(jié)構(gòu)重量。又如，美國(guó)SR-71 高空高速偵察機(jī)(飛行馬赫數(shù)為3，飛行高度26212米)，鈦占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的93%，號(hào)稱“全鈦”飛機(jī)。當(dāng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比從4～6提高到8～10，壓氣機(jī)出口溫度相應(yīng)地從200～300°C增加到500～600°C時(shí)，原來(lái)用鋁制造的低壓壓氣機(jī)盤(pán)和葉片就必須改用鈦合金，或用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機(jī)盤(pán)和葉片，以減輕結(jié)構(gòu)重量。70年代，鈦合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的用量一般占結(jié)構(gòu)總重量的20%～30%，主要用于制造壓氣機(jī)部件，如鍛造鈦風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤(pán)和葉片、鑄鈦壓氣機(jī)機(jī)匣、中介機(jī)匣、軸承殼體等。航天器主要利用鈦合金的高比強(qiáng)度，耐腐蝕和耐低溫性能來(lái)制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構(gòu)架和火箭殼體。人造地球衛(wèi)星、登月艙、載人飛船和航天飛機(jī) 也都使用鈦合金板材焊接件。

高強(qiáng)鈦合金是指室溫拉伸強(qiáng)度在1100～1400MPa之間的鈦合金，由近β鈦合金和亞穩(wěn)定β鈦合金組成。第一個(gè)在工業(yè)中應(yīng)用的是Ti13V11Cr3Al亞穩(wěn)定β鈦合金，其室溫拉伸強(qiáng)度達(dá)到1350MPa，后來(lái)又開(kāi)發(fā)了可冷成型的板材鈦合金Ti15V3Cr3A13Sn以及用于彈簧和緊固件的Ti8V6Cr4Mo3A14Zr等亞穩(wěn)定β型高強(qiáng)鈦合金。

鈦是同素異構(gòu)體，熔點(diǎn)為1668℃，在低于882℃時(shí)呈密排六方晶格結(jié)構(gòu)，稱為α鈦；在882℃以上呈體心立方晶格結(jié)構(gòu)，稱為β鈦。利用鈦的上述兩種結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn)，添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪?，使其相變溫度及相分含量逐漸改變而得到不同組織的鈦合金（titanium alloys）。室溫下，鈦合金有三種基體組織，鈦合金也就分為以下三類：α合金，(α β)合金和β合金。中國(guó)分別以TA、TC、TB表示。

鈦合金α鈦合金

它是α相固溶體組成的單相合金，不論是在一般溫度下還是在較高的實(shí)際應(yīng)用溫度下，均是α相，組織穩(wěn)定，耐磨性高于純鈦，抗氧化能力強(qiáng)。在500℃～600℃的溫度下，仍保持其強(qiáng)度和抗蠕變性能，但不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度不高。

鈦合金β鈦合金

它是β相固溶體組成的單相合金，未熱處理即具有較高的強(qiáng)度，淬火、時(shí)效后合金得到進(jìn)一步強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度可達(dá)1372～1666 MPa；但熱穩(wěn)定性較差，不宜在高溫下使用。

鈦合金α β鈦合金

它是雙相合金，具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進(jìn)行熱壓力加工，能進(jìn)行淬火、時(shí)效使合金強(qiáng)化。熱處理后的強(qiáng)度約比退火狀態(tài)提高50%～100%；高溫強(qiáng)度高，可在400℃～500℃的溫度下長(zhǎng)期工作，其熱穩(wěn)定性次于α鈦合金。

三種鈦合金中最常用的是α鈦合金和α β鈦合金；α鈦合金的切削加工性最好，α β鈦合金次之，β鈦合金最差。α鈦合金代號(hào)為TA，β鈦合金代號(hào)為TB，α β鈦合金代號(hào)為TC。

鈦合金按用途可分為耐熱合金、高強(qiáng)合金、耐蝕合金（鈦-鉬，鈦-鈀合金等）、低溫合金以及特殊功能合金（鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金）等。

熱處理：鈦合金通過(guò)調(diào)整熱處理工藝可以獲得不同的相組成和組織。一般認(rèn)為細(xì)小等軸組織具有較好的塑性、熱穩(wěn)定性和疲勞強(qiáng)度；針狀組織具有較高的持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和斷裂韌性；等軸和針狀混合組織具有較好的綜合性能。