钛合金2-钛合金.

1、钛合金首先感谢大家的鼓励。特别是严重感谢Zibao版主，该出手时就出手”，才让俺这个系列文章从 与本版块定位不符已被管理员删除”的垃圾站中起死回生，出来透了口气儿。多谢领导挽救！近年来，很多军迷正在从简单的 兵器对对碰”装备比拼，逐步走向动力体系、气动设计、 电子体制等诸多装备要素的探讨，或者深入到材料、工艺、生产装备等基础研究的专业 领域。这是好事，也是兵器迷行文的目的。军坛也似乎正在逐步从新闻表面的喧嚣，更 多的扩展到专业底层一一那些因枯燥、苦涩、沉重、默不作声而被忽视了很久的东西， 那些骨灰级军迷和深切的爱国者需要学习和培养的东西。第一篇对钛的性质和钛材的生产做了介绍。钛虽然有很多优良的

2、性质，但是，事物总是两面的一一兵器迷经常 但是”后面做文章一一纯钛也有很多弱点：首先，钛在咼温时的化学活性比较咼。钛本身耐热，在500 C以下相对稳定。不过，在大气中，钛250C开始吸收氢，400 C开始吸收氧，600 C开始吸收氮，甚至，在钛在 50 0-600 C的纯氧中可以自行燃烧。杂质的增加，会破坏钛的强度和塑性。这给钛的使用 与热加工带来了很大的麻烦。第三篇谈时，我们会再涉及这个话题。再有，钛的导热性差，只有铁的1/3,铝的1/5，摩擦系数大（0.42），抗磨性也不高。因此容易使刀具和工件的温度急剧升高，造成粘刀，降低刀具寿命，切削加工性差。最后，钛的弹性模量低，抗变形能力差，只有铁

3、的55%,影响制件的刚度，这也是为什么，我们在现实中看到很难看到细长的钛合金承力构件的原因。为了在应用钛的时候扬长避短，人们采用了合金的方式。即将钛与其他金属，或类金属 元素固溶在一起，大幅度改善钛材性能的短板，以便更好的发挥钛的长处，这就是本篇 的重点钛合金。这一篇的特点，是专业术语较多。我们尽量绕开简要介绍一下，但无法完全避开。感兴趣的朋友可以找专业论著研读，一起交流（兵器迷啃这些东西头大啊）。不感兴趣的朋友，就当看个热闹罢了。钛有两种同素异晶体，即 a密集六方晶系，和 卩体心立方晶系。根据温度不同，钛组织 共析分解发生变化，这两种晶系结构就会相互转换。简单的说，a钛和卩钛在钛组织中所占的

4、比例，会随着温度发生变化。 一般来说，温度越高，钛组织中的卩相越多，反之, 温度越低，钛组织中的 a相越多。根据钛的a和卩二元系相图，纯钛在 882.5度时，钛 的a相将向卩相转换（见下图）。如果温度更高，达到1000-1600度，钛组织将逐渐液 化。【1117(T32HOJ(IHI*2ai=3 ICA沪 3 CIAY-3.12A I丄liowjaa5 10A5.16A图1钛的a晶格和卩晶格及相互转换该图片曲 且器迷的天空 上倍到 club, china, cont抱歉，这样晦涩的描述 钛”难了了，飘过钛合金按照合金退火组织中，钛的a和卩这两种主要晶型结构的占比， 可以分成以下三类：一、a合金

5、：这种钛合金中的钛以 a相为主，高温性能好，抗腐蚀，组织稳定性好，焊 接性好，工业纯钛也属于这一种。缺点是常温强度低，塑性变形能力低，强度不高，热 加工性差如果一种元素有助于扩大和稳定钛合金的a相区，提高a到卩相区的转换温度，则这种元素就是a稳定元素。一般的，耐热钛合金以加入 a稳定元素为主。a稳定元素中比较典型的是铝。铝（ Al）具有显著的固溶强化作用，在室温和高温都能强化合金的强度，改善钛合金的热稳定性和焊接性能。Al对钛合金的多重属性的改善，类似于碳在钢中的作用，因此在几乎所有的结构钛合金中，都能看到Al的影子。此外，镓、锗、氧、氮、碳等也是a稳定元素。二、卩合金：这种钛合金中的钛，以

6、卩相为主。属于高温稳定态，合金强度高，塑性加 工性能好。缺点是合金组织性能不稳定，冶炼复杂。如果一种元素有助于扩大和稳定钛合金的卩相区，降低a到卩相区的温度，则这种元素就是卩稳定元素，。一般的，高强度合金以加入 卩稳定元素为主。卩稳定元素中比较典型的是钒（V）。钒有显著的强化固溶作用，在卩钛中可以无限固溶，并在提高合金强度的同时，有效提合金的高热稳定性，维持良好的塑性。此外，钼、铌、锰、铁、铬、硅、铜、钻等也是B稳定元素。三、a +论金：这种钛合金中a和卩相的钛都不少。a +两相钛合金往往兼具 a钛合金 和卩钛合金的特点，常温强度高，中等温度的耐热性也不错，热处理强化性能和焊接性 能良好。大家

7、可能猜到了，这个结果的形成，是由于人们在钛合金中同时固溶了a和卩两种稳定事实上，仅仅靠一种或一类元素，对钛合金的性能改善是有很大局限的。因此，人们往往将不同种类的a稳定元素和 卩稳定元素，或者再加上介于二者之间的中性元素（如锆、铪、锡、铈、镧、镁），精心调配其中的比例和固溶工艺，加入钛合金配方中，形成具 有综合优化性能的 a +合金，兼顾钛合金的各种性能要求。比如：某钛合金,用到了 a稳定元素铝 Al,也用到了卩稳定元素铌Nb、钼Mo和硅Si有朋友问了，既然如此，是不是应该重点开发a+合金呢？完全正确。目前，a + 合金的应用范围确实是最广的，a耐热合金其次，卩强度合金的应用最少。因为虽然钛可

8、以通过强化达到 1000-1200MPa的抗拉强度，部分型号甚至可以 达到1800 -2000 MPa，但仅仅从强度水平看，钛合金的优势并不比最高2400MPa的马氏体时效合金钢明显，价格还贵得多。因此，钛合金目前的主要应用场景是耐热、耐腐蚀 和结构减重，并保持强度和塑性，而不是单纯的追求常温下的高强度。那么，中国能够制造什么样的钛合金，特别是，能够制造a +合金吗?让我们欣慰的是，这三类合金，中国都有系列化的产品了四中国国标钛合金在2007年11月颁布施行的国家标准：GBT3620.1中，中国公布了钛及钛合金的牌号和化学成分，包括76种钛合金表1:中国国家标准钛及钛合金牌号牌号矣别fr金Z髀

9、救頰TX-TAIELIM2TAi-b1A2LLJ*TAJ.*TA3ELITA扣TQ3ET.加TA4TA5TAfrTA 7-TATEXI-TAS-TA8 1.a合令-TA?TA9 bTA KMTA lbTA12TA】TA 13TA14-*TA15.TAISTA 15-2TA 16TAPjTAIS-TAlTA2OTA： 1TA22TA22-|TA23rTA23-K*TA2TA2SsTA26TA 27.TA27-1-1TA28-*(ITH10p音金rTB*TB3-TB4rTB5-PTS&n-TB2TBS-TB4TBUTO2J种*TCI*TC茁TC3-TC4+*TC1EL1*TgTCSTC91C10，

10、TC1WEl-P 合 金 TCL3TCIS-TC16-mmTC18-TCTC20-TC21TC22Td丁 J- r i 一_clubn ohina.ci这里需要说明几点:1中国的钛合金品牌中，既包括添加了稳定元素的钛合金产品， 也包括了没有添加合金 元素的工业纯钛产品。即：在 TA合金中，包括了 9种工业纯钛TA1-TA4。这与目前钛 工业大国的做法是类似的，他们是：美国的ASTM标准：Ti35,Ti50,Ti65工业纯钛钛合金德国的BWB标准：LW3.7024，工业纯钛钛合金法国的NF标准：T35,T40工业纯钛钛合金日本的JIS标准：KS50，KS60，KS85工业纯钛钛合金在这些国家的钛

11、合金标准中，纯钛也算钛合金。因此在很多新闻报道中，你看到纯钛也 被称作钛合金，或者倒过来明明是钛合金，却被称为钛，其中有一些就是这个道理。2我们同样可以在很多报道中，看到国标之外的合金描述方式，有些是2007年后尚未收录国标的新品种，只有代号（如：Ti679 ），高温钛合金的代号往往与温度相关（如 Ti55标识550度的钛合金使用温度）。有些是在名称中加入了加工工艺缩写（如：铸造 钛合金ZTi3 ）。有些干脆用合金成分来表示（如： TiAI24Nb15Mo1.5 ）。大家见多了， 自然见怪不怪。说到这里，三大类钛合金介绍完了。五、金属间化物钛合金金属间化物一一没办法，专业词汇太多。可为了把故事

12、讲下去，该拽还得拽啊。上述三大类钛合金，尤其是TC类合金，大体保障了钛合金在 600C以下环境中的使用。 但温度再高，就会出现材料的蠕变抗力下降和强度下降的情况。（所谓蠕变，就是合金在高温环境下时受到小于工作正常标准的应力，出现持续缓慢形变的情况。）而现代航 空工业，特别是发动机行业，对钛合金提出了更高的耐温要求，a +就合金因此面临着严峻的考验。经过人们的深入研究， 发现上述单纯采用固溶强化的三类钛合金，其钛原子与稳定元素 的原子之间，是相对无序的混杂排列，是物理溶解关系。而如果能够让他们的原子间的 排列，遵循某种高度有序化的规律，甚至达到二者之间以 共价键的化学关系，形式化合 物一一这就是

13、金属间化物 一一将会使金属合金的整体强度得到提高。特别是在一定温度范围内，合金的强度反而随温度升高而增强！为此，西方发达国家的冶金学家经过长期的努力，终于研究出有序强化的钛-铝系金属间化合物。它具有高比强度、比刚度、高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，Ti3AI基合金长期工作温度在 650C左右，而TiAl基合金工作温度可达 760C800C，从而突 破了长期困扰钛合金发展的 600 C瓶颈兵器迷之所以刚才没有提到这类合金，有两个原因。一是金属间化物钛合金目前只是开了个头，并非钛合金的主流应用。二是2007版国标中，只有a，3,和a +3三大类，未见收录此类间化物合金（也许尚未有国产化的产品通

14、过国家的正式评审检验）。在此补 充说明一下，是为了介绍钛合金的最新发展趋势，并希望引起大家的后续关注。其实，中国科学家也在金属间化物钛合金领域坚持不懈的做着艰苦努力。近年来，已经 在公开报道中隐约看到了一束希望的曙光。能够观察和推测 到的是，中国科技工作者，似乎已经把他们研究的某种金属间化物钛合金，自行取了名字一一排在TA,TB和TC合金之后，就叫TD合金。第四篇还有TD和其他国产钛合金在航空航天领域应用的相关介绍，钛合金作为金属世界的奇葩，其发展和进步都带有一丝神秘的色彩。这种神秘在一定程 度上，来自于它的复杂。而这种复杂，更多的体现在钛合金元素的配方和固熔工艺上。为了达到一种理想的合金性能

15、，需要不知多少次试制、试验和分析比对，才能真正了解 这样的复杂性。比如前述国标中的TC合金（也就是a +3合金）中的TC21，其化学成分是Ti-6AI-2Mo- 1.5Cr-2Zr-2Sn-2Nb。也就是说，除了 a +相的钛基以外，还要添加铝、 钼、铬、锆、锡、 铌六种稳定元素一一好比中药中的君臣佐使，各味药材共同作用，才能提供最佳的药效和最小的副作用。兵器迷把钛合金配方比作中药，是有道理的。大家知道，中药的配方是十分精道的，其 中每一位药的大致功效也是清楚的。但是多位药配合起来的药方，其药理就并不十分精 确。这种了解功效甚于了解药理的情况，在钛合金行业是很常见的。比如：在钛铝合金Ti-AI

16、中，人们在实践中发现，当Al的质量在钛合金中占7%以下时, Al越多，合金的强度越高，而密度越低。当然，这还需要铝和其他合金元素如何达到最 佳配合。为此，冶金学家卢森伯格(Rosenberg)提出了一个著名的 钛合金成分铝当量经验公式：AI*=A%+1/3S n%+1/6Zr%+1/2Ga%+10()%8%-9%即铝当量的低于8-9%，就不会出现不利的钛 a2相析出。这一公式对用途最为广泛的钛 合金，即Ti-Al合金的生产具有决定性的指导意义。但这却是建立在经验基础之上的， 其物理意义至今不明。所以，老牌工业国家如英美德日， 为什么功力深厚，原因是很多的。理论扎实是一方面， 经验积累又是一方面

17、。就后者来说，很多东西，甚至不是诺贝尔奖、专利、著作这类明 面上的东西能完全说得清、道的明的。书上那些东西，你能追，至少知道差在哪儿差多 少。可是操作经验、技术诀窍，管理细节，是不知道的差距，因此很难快速和普遍掌握。 别说钛合金了，就说低端产业：国内有个缝纫机厂家，资金雄厚，收购了德国一家缝纫 机厂，工艺专利技术图纸都买了。再做，做到人家质量的90%左右，就再也上不去了，再上成本就爆了。甚至就是成本爆了也做不上去，而且，还不知道为什么。和中国改革一样，容易得的红利都得了。下面的事情，没有教科书了。砸钱是一回事。也许中国人不差钱了。好吧，这个可以有。砸心思是另一回事。日本人看了中国的象牙微雕说，我们做螺丝的心思就像你们做牙雕一样。所以你们中国人牙雕做的好，我们日本人螺丝做得好一一这不是在夸中国人。真心的，不是。砸时间又是一回事。什么是积累，什么是耐得住寂寞，什么是失败是成功之母。十年、 二十年失败，把能失败的都失败了，也就该成功了。所以才说，