鈦合金主要化學(xué)成分及元素(1)同晶型β穩(wěn)定元素 晶格類型與β-Ti相同,能降低鈦的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度,在β-Ti中無限固溶,擴(kuò)大β相區(qū),即增大β相穩(wěn)定性的元素,稱為同晶型β穩(wěn)定元素。鉬、釩、鈮、鉭等元素屬這一類(圖2(b))。 (2)共析型β穩(wěn)定元素 能降低鈦的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度,擴(kuò)大β相區(qū),但只能在β-Ti中有限固溶,并引起共析轉(zhuǎn)變的元素,稱為共析型β穩(wěn)定元素(圖2(c))。這類元素包括范圍較廣,且共析反應(yīng)速度相差十分懸殊。鉻、錳、鐵等元素與鈦共析反應(yīng)溫度較低,轉(zhuǎn)變速度極慢,在一般熱處理?xiàng)l件下轉(zhuǎn)變難以進(jìn)行,故也稱為非活性共析型元素;反之,硅、銅、氫、鎳、銀等元素,共析轉(zhuǎn)變速度極快,淬火也無法抑制其進(jìn)行,故不能將β相穩(wěn)定到室溫,相應(yīng)稱為活性共析元素。 (3)中性元素 鋯、鉿兩種元素與鈦性質(zhì)相似,原子尺寸也十分接近,在α-Ti和β-Ti中都能無限固溶,對(duì)鈦的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度影響不大,因而稱為中性元素(圖2(d))。生產(chǎn)中,錫也歸入中性元素。 3.合金元素對(duì)組織和性能的影響 (1)α鈦合金 若要使鈦合金退火組織由單相α構(gòu)成,添加元素應(yīng)以α穩(wěn)定元素為主。工業(yè)上,主要靠加入鋁獲得α鈦合金。因此,此類鈦合金,多半屬于鈦-鋁系。添加合金元素鋁是因?yàn)殇X有較低的密度,能抵消加入合金中重過渡金屬元素對(duì)鈦合金密度的影響作用。鋁能顯著地使室溫和高溫下的α相強(qiáng)化,但加入量過多會(huì)出現(xiàn)Ti3Al相而引起脆性,因此,鋁的添加量一般不超過7%(質(zhì)量)。為進(jìn)一步改善α-Ti合金的耐熱性,鈦-鋁系合金中還添加鋯、錫等中性元素和少量的β穩(wěn)定元素。 α鈦合金為單相合金,不能熱處理強(qiáng)化,只有中等水平的室溫強(qiáng)度。但由于這類合金的組織穩(wěn)定,抗蠕變性能好,可在較高溫度下長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作,是創(chuàng)制新型耐熱鈦合金的基礎(chǔ)。 航空工業(yè)常用的α鈦合金有TA4,TA5,TA6和TA7等。TA7可用來制作承力較大的鈑金件和鍛件。 對(duì)于α鈦合金,惟一的熱處理方式是退火。 (2)β鈦合金 是退火組織完全由β相構(gòu)成的合金。從鈦與同晶型β穩(wěn)定元素的狀態(tài)圖(圖3)可知,要得到單相β組織,合金中β穩(wěn)定元素的含量必須大于Cβ,才能使β轉(zhuǎn)變溫度降低到室溫或室溫以下。據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,要使合金的β轉(zhuǎn)變溫度下降到600℃,應(yīng)分別加入30%Mo,或70%V,或50%Nb,或70%Ta;如要將β轉(zhuǎn)變溫度下降到溫室,則加入量還要更大。這樣就可能使鈦由主要元素變?yōu)榉侵饕?,加大合金密度,降低比?qiáng)度。所以,穩(wěn)定的β鈦合金在工業(yè)上并沒有多大的實(shí)際意義。目前,穩(wěn)定型β合金只有作耐蝕材料的Ti-32Mo。 工業(yè)常用的β鈦合金是亞穩(wěn)定型近β鈦合金。這類合金中β穩(wěn)定元素含量無須大于Cβ,而只要大于CKB。這是因?yàn)榇祟惡辖甬?dāng)其加熱到β相區(qū)淬火時(shí),將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,和鋼一樣,鈦合金中馬氏體轉(zhuǎn)變也有一個(gè)開始溫度Ms和轉(zhuǎn)變終了溫度Mf,它們隨合金中β穩(wěn)定元素含量的增加而降低,當(dāng)β穩(wěn)定元素含量超過CKB時(shí),Ms下降到室溫。通常將CKB稱為臨界濃度(圖3)。亞穩(wěn)定近β鈦合金在固溶狀態(tài)有良好的工藝塑性,便于加工成形,時(shí)效處理后可獲得很高的強(qiáng)度性能。例如TB2(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al)合金,固溶狀態(tài)σb<1000MPa,δ≥20%;時(shí)效后σb≈1350MPa,δ≥8%。 目前,國(guó)內(nèi)試制的亞穩(wěn)定近β鈦合金牌號(hào)有:TB1,TB2,Ti-22,Ti-15-3,Ti-1023等,主要用于緊固件和飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。這類合金的缺點(diǎn)是對(duì)雜元素敏感性高,組織不夠穩(wěn)定,耐熱性較低,不宜在高溫下使用。另外,該類合金的冶金工藝也較一般合金復(fù)雜,焊接性較差。 (3)(α+β)鈦合金 該合金退火組織由(α+β)兩相組成。它兼有α和β鈦合金的優(yōu)點(diǎn),即具有較高的耐熱性,熱加工較容易并能通過熱處理強(qiáng)化。(α+β)型合金的優(yōu)點(diǎn)是可以通過調(diào)整成分,使合金的組織,即α相和β相的性質(zhì)與比例在很寬的范圍內(nèi)變動(dòng),從近α型直到近β型合金,以滿足不同的設(shè)計(jì)和使用要求。 從成分上,(α+β)合金一般是以Ti-Al為基再添加適量的β穩(wěn)定元素。因在周期表中具有實(shí)用價(jià)值的合金元素當(dāng)中大多屬β穩(wěn)定的組元,故(α+β)型合金成分的選擇余地遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過α合金。如在我國(guó)冶標(biāo)中規(guī)定的(α+β)鈦合金,就分別屬于: (α+β)鈦合金的性能不僅與β穩(wěn)定元素含量而且還與熱處理方式有關(guān)(見圖4)。由圖可見α+β合金的強(qiáng)度在較大范圍內(nèi)是可調(diào)整的,只要控制合金成分和選擇適當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒ǎ湍塬@得不同的組織形態(tài),從而具有不同的性能水平。