钛合金的牌号、品种很多,超过100种。工业上可利用的用40-50种,最常用的也就十多种。其中包括各种不同品味工业纯钛和被精选出的钛合金,如ti-6al-4v,ti-5al-2.5sn,ti-2al-1.5mn,ti-3al-2.5v,ti-6al-2sn-4zr-2mo,ti-6al-2sn-4zr-6mo,ti-8al-1mo-1v,ti-13v-11cr-3al,ti-15v—3cr-3al-sn和ti-10v-2fe-3al以及ti-0.20pd、ti-0.3mo-0.8ni等。然而对大多数**来说,前两个重要合金(ti-6al-4v;ti-5al-2.5sn)是为最典型的,也是世界各国公认的。
一、按组织分类
钛合金一般是按其组织来命名的,即α钛合金(含近α钛合金)、β钛合金及(α+β)钛合金。****标准中分别用ta、tb、tc作为字头表示钛合金的类型,然后跟着一个数字代表合金序号,如ta代表α型钛合金,ta7钛合金为ti5al-2.5sn合金;tb代表β钛合金,tb2为ti-5mo-5v-8cr-3al合金;tc代表α+β型合金,如tc4钛合金为ti-6al-4v合金。
α钛合金,主要含有α稳定元素,在室温稳定状态下,基本为α相的钛合金,如工业纯钛(ta0、ta1、ta2、ta3)和ta7(ti-5al-5sn)。α钛合金主要应用于化工、石化和加工工业,在这些工业中首要考虑的是合金的耐腐蚀性能和可加工变形能力,工业纯钛(ta0-ta3四种),ta9钛合金含钯合金(ta9钛钯合金)和含少量的钼和镍合金(ta10钛钼镍合金)为首选。
近α钛合金,这类钛合金中加入少量β稳定元素,在室温稳定状态下,退火组织中包含少量β相或金属间化合物,一般不超过10%,如ta11(ti-8al-1mo-1v),这是美国开发的钛合金,用于高温状态下使用,但铝含量高会导致热盐效应力腐蚀问题;ta15(ti-6.5al-1mo-1v-2zr)是俄罗斯开发的bt20合金。ta11钛合金与ta15钛合金为相类似合金,后者降低了铝含量增加了锆,这样就保持耐热性并改善了热盐效应力腐蚀。α+化合物合金ta13(ti-2.5cu)是英国开发的imi230合金。
α+β钛合金,含有较多的β稳定元素,在室温稳定状态下,由α及β相所组成的钛合金。β含量一般为10%-50%。α+β钛合金有中等强度,并可热处理强化,但焊接性能较差。根据钼当量不同,此类合金又可分成马氏体型和过渡型。其中典型合金ti-6al-4v,该合金是美国水城兵工厂与1954年研制成的,广泛用于宇航工业,该合金产品占钛合金产量的55%-65%,可用于生产各种大规格航空锻件和零件,ti-6al-4v合金由于他具有优良的综合性能,研究的最为深入,使用的时间最长,应用的领域最广泛,所以该合金诞生半个世纪以来一直保持旺盛的生命力。**牌号为tc4,美国钛金属公司所属timet分部牌号为ti-6al-4v,美国活性金属公司为rmi6al4v,英国钛金属公司为imi318,俄罗斯为bt6,日本住友为st-al40,法国为ta6v,德国为lt31.
二、按强度分类
钛合金添加元素,利用钼当量[mo1]ep和铝当量[al]ep来表达:α与近α钛合金[mo1]ep为12-13,[al]ep为5-8;α+β钛合金[mo1]ep为5-12,[al]ep为6-30;β钛合金(亚稳合金)[mo1]ep为12-25,[al]ep为5-8。更适合设计者需要是按强度分类,可分为低强度、普通强度、中等强度、高强度、最高强度分类。
三、按用途分类
1、工业纯钛
工业纯钛是钛含量不低于99%,并含有少量铁、氧、碳、氮、氢等杂质的致密金属钛。杂质对纯钛的力学性能影响最明显的是氧、氮和铁,尤其是氧。氢与钛的反应是可逆的,氢对钛的性能影响主要表现为“氢脆”,通常规定氢含量不得超过0.03%-0.05%氢。工业纯钛在常温虽是密排六方晶格(α),但其轴比小(c/a=1.587),有较好的可加工性。纯钛的成型性能和焊接性能好,对热处理不敏感。
工业纯钛作为外科植入物金属材料已经列入**o5832-2-1999国际标准,满足长期植入物的材料应有下列基本要求:抗腐蚀、生物相容、优越的抗拉强度、耐疲劳和有良好的韧性、弹性磨具、抗磨损以及令人满意的价格。
2、耐腐蚀钛合金
耐腐蚀钛合金适合于在强腐蚀性介质中应用,主要为低强合金。在非宇航领域中主要是利用耐腐蚀性能好这一优点。耐蚀钛合金提高了工业纯钛在还原性介质中(如**、硫酸、磷酸、草酸和甲酸)的耐腐蚀能力,目前成熟的钛钼、钛钯、钛钼镍、钛镍、钛钽等合金。
钛钼合金是研究最早(1952年)的,他在还原性的**中具有优异的耐腐蚀性,ti-30mo合金在沸腾的5%碳酸、沸腾的5%硫酸、沸腾10%磷酸、沸腾的10%醋酸和沸腾50%甲酸中,一般最大的腐蚀率为0.0254-0.0508mm/a.而纯钛在93.3℃的10%硫酸溶液中腐蚀率达到38.1-50.8mm/a;ti-30mo合金在氧化性介质中耐腐蚀性较差。由于加入高密度的钼铪合金的熔炼、加工和焊接带来一定的**。由钛钼合金又派生除出了钛钼铌、钛钼锆、钛钼钯等耐腐蚀钛合金。
ta9钛钯合金在氧化性介质中具有优良的耐腐蚀性。对还原性介质也有一定的耐腐蚀能力,尤其能改善其在高氯离子浓度介质中的抗缝隙腐蚀能力。ta9钛合金含0.2%钯,ta9钛钯合金在5%沸腾硫酸中,可以使腐蚀率从48.26mm/a(工业纯钛)降低到0.508mm/a,耐腐蚀能力提高约95倍。该合金具有良好的加工、成型和焊接性能,但含有贵金属钯,成本高。
β钛合金,这类钛合金中含有足够多的β稳定元素,在适当冷却速度下室温组织全部为β相,通常又可分为可热处理β钛合金(亚稳定β钛合金)和稳定β钛合金。可热处理β钛合金,在淬火状况下有非常好的工艺塑性,可以进行板材冷成型,并能通过时效处理获得高达1300-1400mpa的室温抗拉强度。
ta10钛钼镍合金名义成分为ti-0.3mo-0.8ni,是20实际70年代中期美国研究开发的ti-12合金,是一种抗缝隙腐蚀的钛合金,该合金在300℃的抗拉强度比纯钛高一倍,抗还原性介质的腐蚀能力明显提高,在150-200℃的氯化物中不发生缝隙腐蚀。
钛镍合金(ti-2ni)在高温脱盐装置中的使用温度可达到200℃左右。
钛钽合金(ti-5ta)是俄罗斯以4204合金牌号、日本神户制钢以ks50ta牌号生产的抗**腐蚀的α型钛合金。该合金具有良好的工艺性能和焊接性能,在100-200℃流动的**中腐蚀率低于0.1mm/a。已在**回收装置和核燃料后处理工序得到了应用。
3、结构钛合金
按强度分类的低强度钛合金主要用于耐蚀环境,其他钛合金用于结构件,称结构钛合金。普通强度钛合金(约500mpa),主要包括工业纯钛、ti-2al-1.5mn(tc1)、和ti-3al-2.5v(ta18),获得了广泛的应用。由于加工成型性能和可焊接性能好,合金用于制作各种航空板材零件和液压管等,以及自行车民用产品。中等强度钛合金(约900mpa)的典型合金是ti-6al-4v(tc4),广泛用于宇航钛合金工业。板材高强度钛合金是室温抗拉强度在1100mpa以上,由近β钛合金和亚稳定β钛合金组成,主要用来代替飞机结构中常用的高强度结构钢,其典型合金有了ti-13v-11cr-3al、ti-15v-3cr-3al-3sn和ti-10v-2fe-3al合金等。
4、耐热钛合金
耐热钛合金是适合于在较高温度下长期工作的钛合金。它在整个工作温度范围内具有较高的瞬时个持久强度。室温下有较好的塑性、较好的蠕变抗力和良好的热稳定性。在室温与高温下均有好的抗疲劳性能。主要用来制造压压气机中的盘、叶片、进气机匣以及飞机构件。已得到应用的耐热钛合金固溶强化α+β型和近α型钛合金。能在500℃以下长期工作的α+β型耐热钛合金,他们都含有较多的α稳定元素,铝当量都在6以上。加入适当的β稳定元素,使合金在高温下不仅显示高的瞬时强度,而且具有足够的塑性,典型的合金有tc4(ti-6al-4v),tc6(ti-6al-2.5mo-2cr-0.5fe-0.3si)和tc11(ti-6.5al-3.5mo-1.5zr-0.3si)。在500℃以下长期工作的α型耐热钛合金,它们都含有少量α稳定元素。铝当量几乎都在7以上,在平衡状态下合金有更多的α相,因此这些合金在500℃以上具有更高的蠕变抗力和更好的抗疲劳性和断裂韧度。由于近α型合金具有这些优良的综合性能,而使其成为耐热合金的主要体系。典型的合金有ti-8al-1mo-1v(美国ti-811)、ti6al-2zr-1mo-1v(俄罗斯bt20)、ti-6al-2sn-4zr-2mo(美国ti-6242)和ti-5.5al-3.5sn-3zr-1nb-0.3mo-0.3si(英国imi-829)。
5、低温钛合金
低温钛合金是适合于低温下使用的α和α+β钛合金。该类合金随温度的降低而增加、韧性随温度的降低而很少下降,可作低温结构件。低温钛合金发展趋势是将氧含量由0.2%(普通级)降至0.12%,形成极低间隙级钛合金(eli)。能在超低温(<77k)下使用。典型的合金有ti-5al-2.5sn(eli)。美国上世纪60年代初研制的ti-5al-2.5sn(eli为美军标的mil-9047),**上世纪70年代末仿制成功该合金,称ta7钛合金,ti-5al-2.5sn(eli)合金特别适用于在-255℃的低温下工作的液体燃料储存容器。
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