各元素对钛合金的影响

2021-11-04 14:10:11 作者：热处理生态圈来源：热处理生态圈分享至：

钛合金的分类

一般将钛合金划分为α型、α+β型、β型钛合金。根据钛合金从β相区淬火后的相组成与β稳定元素含量关系的示意图，如图1所示。钛合金划分为以下六种类型，各类钛合金的主要特征如图2所示。

α型钛合金：包括工业纯铁和只含α稳定元素的合金；

近α型钛合金：β稳定元素含量小于C1的合金；

马氏体α+β型钛合金：β稳定元素含量从C1到Ck的合金，这类合金可以简称为α+β型钛合金；

近亚稳定β型钛合金：β稳定元素含量从Ck到C3的合金，这类合金可以简称为近β型钛合金；

亚稳定β型钛合金：β稳定元素含量从C3到Cβ的合金，这类合金可以简称为β型钛合金；

稳定β型钛合金：β稳定元素含量超过Cβ的合金，这类合金可以简称为全β型钛合金。

图1 钛合金从β相区淬火后的相组成与β稳定元素含量关系示意图

图2 各类钛合金的主要特征

图3所示为整个相图中总体上各合金的抗拉强度分布水平（退火状态和固溶时效状态）和显微组织的变化规律。在Ckp附近的合金具有最细、最均匀的显微组织和最高的强度等级。成分和显微组织对钛合金的性能起着决定性的作用。对钛合金的成分-组织-性能的研究中已经逐步从定性分析转变为定量研究。

图3 钛合金β稳定元素含量与组织、性能的关系

Ⅰ-退火状态；Ⅱ-固溶时效状态

钛的合金元素

纯钛的塑性高，但强度很低，限制了其在工业生产中的应用。为了满足实际生产中高强度、耐腐蚀性等要求，人们向纯钛中添加一些合金元素形成铁合金。根据合金元素和杂质对钛的β转变温度的作用性质进行分类，可分为α稳定元素、β稳定元素和中性元素，形成的四种类型的相图示意图，如图4所示。

图4 合金元素对钛合金相图的影响示意图

α稳定元素

提高β转变温度，扩大α相区，增大α相稳定性的元素称为α稳定元素［见图4（a）］。α稳定元素主要包括：合金元素铝、镓、锗、硼和杂质元素氧、氮、碳等。铝是工业中最常用的α稳定元素，通过置换固溶强化，加入适量的铝元素可以提高室温和高温强度以及热强性。因此，国内外各种类型的钛合金中几乎都添加了适量的铝。但是，铝含量超过7wt.％后，易形成脆性的Ti3Al相，在合金设计中要避免。镓和锗元素在实际生产中很少采用。硼元素被称为金属材料的维生素，在钛合金中添加少量的硼可以细化晶粒，改善合金的性能。杂质元素氧、氮能大幅度提高钛的强度，同时也严重降低合金的塑性，因此，在实际生产中要严格限制其含量。碳元素对合金的强度及塑性影响较小，生产中比较容易控制。

同晶型β稳定元素

与钛具有相同的晶格结构和相近的原子半径，降低β转变温度，在β相中无限固溶，扩大β相区，增大β相稳定性的元素称为同晶型β稳定元素［见图4（b）］。它包括钼、钒、铌、钽等元素。其中，钼的强化作用最明显，可提高室温和高温强度，增加淬透性，并提高含铬和铁的合金的热稳定性。钼和钒的应用最广泛。铌的强化作用较弱，但也经常在钛合金中添加，特别是在Ti-Al系金属间化合物中添加铌以提高塑性和韧性。钽的强化作用最弱，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蚀性。

共析型β稳定元素

降低β转变温度，扩大β相区，还会引起共析转变的元素，称为共析型β稳定元素［见图4（c）］。这类元素包含的范围较广，且共析反应速度相差十分大。其中，铬、锰、铁等元素与钛共析反应温度较低，转变速度极慢，在一般热处理条件下转变难以进行，故称为非活性共析型元素；反之，硅、铜、氢、镍、银等元素，共析转变速度极快，淬火也无法抑制其进行，故不能将β相稳定到室温，称为活性共析型元素。铁是最强的β稳定元素之一，但热稳定性不好，熔炼时易产生偏析，因而应用较少，某些低成本的钛合金中可以添加铁元素替代昂贵的钒。铬是广泛添加的元素之一，加铬的合金具有高的强度和好的塑性，并可热处理强化，但某些条件下会因析出化合物而降低塑性。锰是早期合金设计广泛使用的元素，可提高强度和塑性，但某些条件下产生共析分解，不稳定。硅是提高热强性和耐热性的重要微量元素之一，大多数高温钛合金中都会添加，但一般不超过0.5%。氢作为有害元素要严格控制，其主要原因是析出氢化物造成氢脆。其他的元素铜、镍、银等应用很少。

中性元素

对β转变温度的影响不大的元素称为中性元素，主要有锆、铪和锡。锆和铪与钛的性质相似，原子尺寸也十分接近，能在α相和β相中无限固溶。锆的室温强化作用弱，但高温强化作用强，通常用于热强钛合金；锡的室温强化更弱，会发生共析反应，但能提高热强性。

杂质元素对钛及钛合金的影响

钛中的杂质含量对钛的力学性能影响很大，杂质含量增多，可以提高其强度而降低塑性。氧、碳、氮是钛中经常存在的杂质，它们能提高钛的强度而降低其塑性，其中氮的影响最大，碳最小。

氢对钛的力学性能的影响主要体现在氢脆上。在钛中，氢的含量达到一定数值后，将大大提高钛对缺口的敏感性，从而急剧降低缺口试样的冲击韧性等性能。一般认为，钛中氢的质量分数应低于0.007%~0.008%，而不允许高于0.0125%~0.015%，因为高于这个含量，在组织上将析出氢化物，并出现明显的氢脆现象。

除氧、碳、氮外，对提高钛的强度影响较大的元素是硼、铍和铝。其他元素对钛的强度影响不那么强烈，影响程度依次为：铬、钴、铌、锰、铁、钒和锡。