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各元素對鈦合金的影響

2021-11-04 14:10:11 作者：熱處理生態圈來源：熱處理生態圈分享至：

鈦合金的分類

一般將鈦合金劃分為α型、α+β型、β型鈦合金。根據鈦合金從β相區淬火后的相組成與β穩定元素含量關系的示意圖，如圖1所示。鈦合金劃分為以下六種類型，各類鈦合金的主要特征如圖2所示。

α型鈦合金：包括工業純鐵和只含α穩定元素的合金；

近α型鈦合金：β穩定元素含量小于C1的合金；

馬氏體α+β型鈦合金：β穩定元素含量從C1到Ck的合金，這類合金可以簡稱為α+β型鈦合金；

近亞穩定β型鈦合金：β穩定元素含量從Ck到C3的合金，這類合金可以簡稱為近β型鈦合金；

亞穩定β型鈦合金：β穩定元素含量從C3到Cβ的合金，這類合金可以簡稱為β型鈦合金；

穩定β型鈦合金：β穩定元素含量超過Cβ的合金，這類合金可以簡稱為全β型鈦合金。

圖1 鈦合金從β相區淬火后的相組成與β穩定元素含量關系示意圖

圖2 各類鈦合金的主要特征

圖3所示為整個相圖中總體上各合金的抗拉強度分布水平（退火狀態和固溶時效狀態）和顯微組織的變化規律。在Ckp附近的合金具有最細、最均勻的顯微組織和最高的強度等級。成分和顯微組織對鈦合金的性能起著決定性的作用。對鈦合金的成分-組織-性能的研究中已經逐步從定性分析轉變為定量研究。

圖3 鈦合金β穩定元素含量與組織、性能的關系

Ⅰ-退火狀態；Ⅱ-固溶時效狀態

鈦的合金元素

純鈦的塑性高，但強度很低，限制了其在工業生產中的應用。為了滿足實際生產中高強度、耐腐蝕性等要求，人們向純鈦中添加一些合金元素形成鐵合金。根據合金元素和雜質對鈦的β轉變溫度的作用性質進行分類，可分為α穩定元素、β穩定元素和中性元素，形成的四種類型的相圖示意圖，如圖4所示。

圖4 合金元素對鈦合金相圖的影響示意圖

α穩定元素

提高β轉變溫度，擴大α相區，增大α相穩定性的元素稱為α穩定元素［見圖4（a）］。α穩定元素主要包括：合金元素鋁、鎵、鍺、硼和雜質元素氧、氮、碳等。鋁是工業中最常用的α穩定元素，通過置換固溶強化，加入適量的鋁元素可以提高室溫和高溫強度以及熱強性。因此，國內外各種類型的鈦合金中幾乎都添加了適量的鋁。但是，鋁含量超過7wt.％后，易形成脆性的Ti3Al相，在合金設計中要避免。鎵和鍺元素在實際生產中很少采用。硼元素被稱為金屬材料的維生素，在鈦合金中添加少量的硼可以細化晶粒，改善合金的性能。雜質元素氧、氮能大幅度提高鈦的強度，同時也嚴重降低合金的塑性，因此，在實際生產中要嚴格限制其含量。碳元素對合金的強度及塑性影響較小，生產中比較容易控制。

同晶型β穩定元素

與鈦具有相同的晶格結構和相近的原子半徑，降低β轉變溫度，在β相中無限固溶，擴大β相區，增大β相穩定性的元素稱為同晶型β穩定元素［見圖4（b）］。它包括鉬、釩、鈮、鉭等元素。其中，鉬的強化作用最明顯，可提高室溫和高溫強度，增加淬透性，并提高含鉻和鐵的合金的熱穩定性。鉬和釩的應用最廣泛。鈮的強化作用較弱，但也經常在鈦合金中添加，特別是在Ti-Al系金屬間化合物中添加鈮以提高塑性和韌性。鉭的強化作用最弱，且密度大，因而只有少量合金中添加以提高抗氧化性和抗腐蝕性。

共析型β穩定元素

降低β轉變溫度，擴大β相區，還會引起共析轉變的元素，稱為共析型β穩定元素［見圖4（c）］。這類元素包含的范圍較廣，且共析反應速度相差十分大。其中，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，故稱為非活性共析型元素；反之，硅、銅、氫、鎳、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相穩定到室溫，稱為活性共析型元素。鐵是最強的β穩定元素之一，但熱穩定性不好，熔煉時易產生偏析，因而應用較少，某些低成本的鈦合金中可以添加鐵元素替代昂貴的釩。鉻是廣泛添加的元素之一，加鉻的合金具有高的強度和好的塑性，并可熱處理強化，但某些條件下會因析出化合物而降低塑性。錳是早期合金設計廣泛使用的元素，可提高強度和塑性，但某些條件下產生共析分解，不穩定。硅是提高熱強性和耐熱性的重要微量元素之一，大多數高溫鈦合金中都會添加，但一般不超過0.5%。氫作為有害元素要嚴格控制，其主要原因是析出氫化物造成氫脆。其他的元素銅、鎳、銀等應用很少。

中性元素

對β轉變溫度的影響不大的元素稱為中性元素，主要有鋯、鉿和錫。鋯和鉿與鈦的性質相似，原子尺寸也十分接近，能在α相和β相中無限固溶。鋯的室溫強化作用弱，但高溫強化作用強，通常用于熱強鈦合金；錫的室溫強化更弱，會發生共析反應，但能提高熱強性。

雜質元素對鈦及鈦合金的影響

鈦中的雜質含量對鈦的力學性能影響很大，雜質含量增多，可以提高其強度而降低塑性。氧、碳、氮是鈦中經常存在的雜質，它們能提高鈦的強度而降低其塑性，其中氮的影響最大，碳最小。

氫對鈦的力學性能的影響主要體現在氫脆上。在鈦中，氫的含量達到一定數值后，將大大提高鈦對缺口的敏感性，從而急劇降低缺口試樣的沖擊韌性等性能。一般認為，鈦中氫的質量分數應低于0.007%~0.008%，而不允許高于0.0125%~0.015%，因為高于這個含量，在組織上將析出氫化物，并出現明顯的氫脆現象。

除氧、碳、氮外，對提高鈦的強度影響較大的元素是硼、鈹和鋁。其他元素對鈦的強度影響不那么強烈，影響程度依次為：鉻、鈷、鈮、錳、鐵、釩和錫。