钛及其合金

邱志伟

1、钛的特性：
钛具有很高的抗腐蚀性，这得益于其表面的氧化层TiO₂。
钛在535°C时会发生相变，从α相（六角密堆积结构）转变为β相（体心立方结构）。
钛是过渡金属，具有未完全填充的电子层，通常与半径原子小于钛0.2的元素形成固溶体。
钛及其合金在低温下与氧、氮和氢等元素反应，形成硬而脆的化合物。

2、钛合金的分类：
α合金：主要含有铝和氧，形成固溶体，增加强度。
完全α合金：主要是商业纯钛（CP），具有高热稳定性和良好的超塑性。
准α合金：含有少量β稳定元素，具有较高的室温强度。
α+β合金：是商业上最重要的钛合金，具有良好的强度和塑性。
β合金：含有足够的β稳定元素，具有优异的塑性和冷加工性。

合金元素对钛合金的影响：
铝 (Al)
该元素通过固溶稳定α相并提高强度。
锡和锆（Sn 和 Zr）
这些元素通过固溶体稳定α相并提高强度。每添加1%元素，拉伸强度从约35Mpa增加到70Mpa。锡的强化作用随着温度的升高而增强。

铌 (Nb)
铌提高抗氧化性并稳定β相。它还通过形成固溶体来提高拉伸性能。
钼和碳
（Mo 和 C）这些元素稳定 β 相并通过溶解提供强度。镓 (Ga)镓是唯一能提高钛合金中α2相延展性的元素。硅（Si）通过溶解在类 α 合金的 α 相中，该元素局部富集并阻止位错的运动，从而提高强度和蠕变性能。

氧和氮（O 和 N）
氧和氮是α相的稳定剂。它们通常被认为是杂质元素并通过插层机制增加硬度。使用受控量的氧来使 CP 合金达到一定的强度范围。
铜 (Cu)
通过在钛中添加2.5% 的铜，可产生 Ti2Cu 半稳定相，从而提高固溶退火的能力。由于该合金的时效，抗拉强度平均增加约 150-170 Mpa。如果合金在时效前进行冷加工，强度的增加会更大。
钒、钨和钽（Ta、W、V）
这些元素通过固溶稳定β相并提高强度。这些元素还通过降低马氏体起始温度（Ms），导致 ά 六方马氏体转变为 α˝ 斜方马氏体。α˝的存在降低了钛合金的柔韧性。
铬（Cr）
它稳定β共析相，并由于TiCr2相的形成而导致合金脆性。另外，共析体的过度稳定性导致合金对时效硬度的敏感性降低，从而导致强度下降。

结论：
钛及其合金因其独特的性能，如高强度、良好的塑性和耐腐蚀性，在许多领域有着广泛的应用。尽管价格相对较高，但随着需求的增加，其应用范围正在不断扩大。