第1章绪论
自20世纪中叶，钛及钛合金凭借出色的比强度、优异的耐腐蚀性及良好的生物兼容性逐渐崭露头角，成为关键的金属工程材料，在金属材料领域占据了重要地位。钛合金因其在装备制造和科技产业中的关键作用，被视为国家安全和经济发展的战略材料。目前，钛合金资源利用与技术水平已经成为国家综合竞争力提升的重要支点。本章从钛及钛合金的特点出发，总结了钛合金中合金元素组成及其主要作用，介绍了钛合金的主要相结构及组织特征，以及钛合金的典型制备加工技术和主要应用，旨在为读者提供一个全面、深入的钛及钛合金基础知识框架。
1.1钛及钛合金概述
钛元素在1791年由英国的矿物学家威廉 格雷戈尔（William Gregor，1761—1817）*次发现。钛元素在地壳中分布较广，其在地壳中的质量分数约为0.6%，居金属元素第七位。钛在自然界中难以作为单质存在，主要分布在金红石（TiO2）和钛铁矿（FeO TiO2）内。
纯净的钛是难熔金属，其熔点约为1668℃，在室温下具有银白色光泽。钛的原子序数为22，在元素周期表中位于第四周期、第ⅣB族。其相对原子质量为
47.87，纯钛的密度为4.51g/cm3。钛具有两种同素异构体，α-Ti在882.5℃以下稳定，具有密排六方结构；β-Ti在882.5℃与其熔点（1668℃）之间稳定存在，具有体心立方结构。
钛和钛合金具有以下优良的特性[1，2]：
（1）比强度高。比强度是指材料的抗拉强度（UTS）与材料的密度之比，是航空航天领域评价结构材料性能的重要指标。钛合金与一般的高强度结构钢、高温合金强度相当，但钛的密度仅为铁的57%、镍的50.5%，其比强度是常用工业合金中*高的。钛合金的比强度约为不锈钢的3.5倍，铝合金的1.3倍，镁合金的1.7倍。
（2）耐腐蚀性强。钛与氧气、氮气在常温下能形成几纳米到几十纳米厚的氧化膜、氮化膜，并且此类膜层局部破坏后具有自修复的能力，同时对膜层以外的基体具有保护作用。因此，钛在氧化性或中性介质中具有很强的耐腐蚀性，在氯离子介质中或海水中几乎不被腐蚀。
（3）
耐热性好。钛的熔点约为1668℃，是轻金属中的高熔点金属。钛在高温下抗软化能力较好，因此可以保持较高的比强度，其*高使用温度可达600℃。
（4）
低温性能好。钛合金在温度为20K的条件下仍能保持很好的塑性。钛在温度低于0.49K时，呈现超导电性，合金化后，超导温度可达9～10K，适合作为宇航、超导等低温工程材料。
尽管钛合金相比其他金属结构材料具有许多优点，但也存在一些难以忽视的缺点，对其特定场景应用时的选择和使用造成限制，其缺点具体如下：
（1）成本高。钛合金的原材料成本较高，同时制备和加工的费用不菲，进一步提高经济成本，这对钛合金大规模生产和应用造成了一定的限制。
（2）机械加工难度大。钛合金硬度与强度较高，难以进行传统的机械加工。针对钛合金的切削加工往往需要采用高性能刀具和加工工艺，这加速了机械加工设备的磨损和损坏，并直接导致了加工难度和成本的提高。
（3）热导率低。钛合金的热导率较低，在高温环境服役时，钛合金可能会出现局部过热的问题，影响材料的服役性能。
（4）易吸氧和氢。钛合金在高温条件下容易与大气环境中的氧气和水蒸气发生反应，形成氧化物与氢化物，进一步诱导钛合金材料表面氧化、脆化及腐蚀，降低使用寿命。
（5）容易形成划痕。尽管钛合金在一般条件下具有良好的硬度和耐磨性，但其表面相对较软，容易被锐利物体划伤或损坏。为了保证钛合金材料的外观和表面质量，通常需要采取额外的保护措施。
综上所述，尽管钛合金具有许多优点，但其成本高、机械加工难度大、热导率低和易发生氧（氢）化反应等缺点对其实际应用造成了一定的限制。因此，在钛合金选择与应用时，需要结合实际需求和条件做出合适的决策。
1.2钛的合金化
1.2.1合金元素分类
钛的材料强度和加工难易程度很大程度上取决于钛的合金化程度。合金化程度的提高会同时提高钛的材料强度与机械加工难度，因此在合金化设计时应综合考虑这些问题以拓展其应用领域，使得钛合金获得更佳的综合性能。根据合金元素与钛元素的相图，及其对钛同素异构转变的影响，钛的合金元素分类如下[1]：提高β相变温度（Tβ）的α稳定元素、降低β相变温度的β稳定元素，以及对β相变温度影响很小的中性元素。
（1）α稳定元素：提高α/β相变温度，扩大α相区[图1.1（a）]，即增大α相稳定性的元素。主要包括铝、镓、锗、硼和杂质元素氧、氮、碳等。
（2）同晶型
β稳定元素：降低β相变温度，扩大β相区[图1.1（b）]，增大β相稳定性的元素。另外，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，在β相中无限固溶。主要包括钼、钒、铌、钽等。
（3）共析型
β稳定元素：降低β相变温度，扩大β相区，且会引起共析转变的元素，称为共析型β稳定元素[图1.1（c）]。这类元素包含的范围较广，且共析反应速度相差悬殊，因此分为非活性共析型元素与活性共析型元素。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，属于非活性共析型元素。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，属于活性共析型元素。
（4）中性元素：对β相变温度影响不大的元素称为中性元素[图1.1（d）]，主要有锆、铪和锡等。
图1.1不同合金元素的钛合金相图
（a）α稳定元素；（b）同晶型β稳定元素；（c）共析型β稳定元素；（d）中性元素L-液相
1.2.2合金元素的主要作用
（1）铝：铝是工业中使用*广泛的α稳定元素，钛-铝二元相图见图1.2[2]。钛中加入铝，能够降低熔点并提高β相变温度，提高β相元素在α相中的溶解度，在强化钛合金室温与高温性能的同时，也可以进一步减小钛合金的比密度。铝元素质量分数达6%～7%的钛合金具有较高的热稳定性和良好的焊接性，但当铝的质量分数超过了α相的溶解极限（质量分数为7%）时，会形成脆性Ti3Al相，恶化综合性能，使合金变脆且热稳定性降低。随着材料科学的发展，研究发现Ti-Al系金属间化合物具有密度低、高温强度高、抗氧化性及刚性好的特点，目前普遍认为铝质量分数分别为16%、36%的Ti3Al和TiAl基合金是前景光明的金属间化合物合金。
图1.2钛-铝二元相图
（2）钒（钼、铌、钽）：钒元素具有显著的固溶强化作用，在提高钛合金强度的同时保持良好的塑性，同时钒元素还能提高钛合金的热稳定性。钼、铌、钽元素在钛合金中的性质和作用与钒相似。
（3）硅：硅元素在钛合金中的共析转变温度较高，加入硅元素可以改善耐热性。硅元素的添加量不宜超过其在α相内的*大固溶度（质量分数为0.25%）。由于硅原子与钛原子尺寸差异较大，容易在固溶体中的位错处偏聚，阻止位错运动，因此也可以提高耐热性。
（4）钼、铁、铬：钼、铁、铬元素是β稳定元素，可以有效强化力学性能，是高强亚稳β型钛合金中的主要添加元素，但其与钛会发生慢共析反应，这易导致高温长期工作条件下合金组织不稳定，蠕变抗力低。
（5）锆、锡：锆、锡元素在α-Ti和β-Ti中均有较大的溶解度，常和其他元素一起加入，起补充强化作用。在耐热钛合金中基体由α相构成，在合金成分设计时除了加入铝元素稳定α相，往往还需加入锆、锡元素来进一步提高耐热性。此外，锆、锡元素还能抑制ω相形成，并且锡元素可以减少钛合金的氢脆敏感性。不过当锡过量添加时，合金中会形成有序相Ti3Sn，降低合金的塑性和热稳定性。
1.2.3钛合金按元素组成分类
在钛合金的实际生产及应用中，*常遇到的是钛合金形成非平衡状态下的组织。因此，参照亚稳状态下的相组织和β稳定元素含量可以将钛合金分为α型钛合金、近α型钛合金、α+β型钛合金、亚稳β型钛合金和β型钛合金几大类，如图1.3所示[1]。
图1.3钛合金分类的三维相图示意图
αhex-密排六方α相；βbcc-体心立方β相；MS-马氏体转变开始温度；w（i）-i的质量分数
1.α型钛合金
α型钛合金主要包括α稳定元素和中性元素，在退火状态下一般为单相α组织。α型钛合金β相变温度较高，具有良好的组织稳定性和耐热性，焊接性能好。α型钛合金对热处理和组织演变不敏感，不能通过热处理来提高材料的强度，一般只具有中等强度。典型的α型钛合金有工业纯钛（TA1、TA2、TA3）、TA5和TA7等。
2.近α型钛合金
近α型钛合金中含有少量的β稳定元素（质量分数<2%），退火组织中含有少量的β相或金属间化合物（质量分数8%～15%）。近α型钛合金具有良好的焊接性和较高的热稳定性，对热处理制度不敏感。由于近α型钛合金添加了少量β稳定元素（如钼、钒、硅等）和中性元素（如锆、锡等），可进一步提高常温及高温性能。近α型钛合金具有较高的蠕变强度和高温瞬时强度，*高使用温度可达600℃，典型牌号包括IMI834、Ti-1100、BT36、Ti60、TA10、TA11、TA12、TA18、TA19、TC1、TC2和TA15等。
低Al当量近α型钛合金的典型代表包括TC1和TC2合金，其主要特点是室温抗拉强度比较低，塑性较高且热稳定性好，具有良好的焊接性能和变形成形性能，适用于制作形状复杂的冲压板材和焊接零件。高Al当量的近α型钛合金的典型代表包括IMI834、Ti-1100、BT36、Ti60等，常用于发展高温钛合金，主要特点为钛合金中*优的高温蠕变抗力，良好的热稳定性和较好的焊接性能，并可在500～600℃高温环境下长时服役。
3.α+β型钛合金
α+β型钛合金中同时加入了α稳定元素和β稳定元素，使α相和β相都得到强化，其退火组织为α+β相，β相含量一般为5%～40%。α+β型钛合金具有优良的综合性能，室温强度高于α型钛合金。同时，其热加工工艺性能良好，可以进行热处理强化，适用于制造航空结构件。由于β稳定元素的进一步添加，α+β型钛合金耐热性和焊接性能低于α型钛合金，组织构成不够稳定，服役温度上限在500℃左右。
中等强度α+β型钛合金的典型代表是TC4（Ti-6Al-4V）合金。TC4合金是目前使用*广泛的钛合金，具有优异的综合性能和加工性能，并且通过固溶时效可以进一步强化服役性能。其主要应用于航空、航天及民用结构材料等领域，加工制造航空发动机的风扇、压气机盘及叶片，以及飞行器结构件中的梁接头、隔框等主要承力构件。
高强α+β型钛合金的典型代表有TC17、TC19和TC21等，其特点是含有较多的β稳定元素，并具有较高的强度和淬透性。TC21合金还具有高损伤容限性能，适合制作截面尺寸较大的结构件。
4.亚稳β型钛合金
亚稳β型钛合金内常添加高于α与β两相转变临界浓度的β稳定元素，通过固溶后空冷或水淬的热处理制度抑制α相的析出，获得近似完全的亚稳β相组织。亚稳β型钛合金可热处理强化，经固溶时效处理后强度较高，是典型的高强钛合金，同时在退火或固溶状态下具有非常好的工艺塑性、冷成形性和可焊接性。
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