工程材料--钛及钛合金详解

钛及钛合金金基本知识一.钛的应用我们现在在这工作的每一个人对钛都有一个初步的认识，都知道钛是一种比重轻，耐腐蚀，耐热性好等许多优良性能，被誉为“未来金属”“二十一世纪金属”是具有发展前途的新型结构材料。

它有类是铝材的金属色泽，大家也解了一些钛材的有关知识。

咱们先从海绵钛谈起，我国的钛矿储量是世界已探明储量的64%左右，从矿石工业类型上看，我国钛资源主要是原生钒钛磁铁矿岩矿，其次是外生钛铁矿沙矿，第三是金红石岩矿，第四是金红石沙矿，我国钛精矿产能只要分布在四川攀枝花，海南，广西，攀枝花是我国最大的钛精矿供应基地，占中国市场的90%以上。

钛资源主要用来生产钛白，金属钛（海绵钛），含钛钢以及钛焊丝和涂料。

海绵钛主要是通过镁还原和钠还原（蒸馏法）二种方法，其它方法还没有工业化生产。

2008年底，中国海绵钛产量达到6万吨，居世界第一。

钛加工材2.7万吨左右，宝钛2008年钛加工材1.1万吨。

钛锭生产约5万吨。

宝钛只占1/5多。

在中国化工用钛是第一大户，占全国用钛量的44%左右，航空航天占17%左右，体育休闲领域的用钛量为16%，排行第三。

（据2007年统计）。

在美国欧洲，钛材主要用于航空航天领域，约占60%，在日本，钛材主要用于化工.电力等领域，约占50%。

而在中国，主要应用于化工.体有休闲等领域，约占70%。

国外主要钛材生产企业有美国钛金属，Timet,RTI国际金属公司，Allegheny，日本的神户制铁.住友钛和新日铁。

俄罗斯的VSMPO-AVISMA。

钛棒是怎样加工出来的，以前我们没有接触钛的时候，对钛都有一种神秘的感觉。

的确，钛是一种新兴的金属，在20世纪如果说到钛，我们无论老少很多人会感到很陌生，不要说全国，就是咱们宝鸡号称是中国钛城，知道钛的人也不是很多。

所以把钛称作稀有金属，曾经成立的中国稀有稀土集团中就有宝钛集团和遵义钛业的身影，其实钛元素在地球上并不是一个稀缺元素，在所有元素中排行老十，之所以把它排入稀有金属，主要是冶炼困难，工艺复杂，造成生产成本高，所以市场售价就高。

钛（Ti）一、简介钛化学符号Ti，被认为是一种稀有金属，是一种银白色的过渡金属，其特征为重量轻、强度高、具金属光泽。

钛具有稳定的化学性质，有良好的抗腐蚀能力（包括海水、王水及氯气，而且钛放入海底20~50年均不会被腐蚀），亦有良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及高强度、低密度等优秀特性。

二、相关参数1.钛的强度大，纯钛抗拉强度最高可达180kg/mm²，钛合金有好的耐热强度、低温韧性和断裂韧性，其“比强度”位于金属之首。

2.钛的密度为4.506-4.516g/cm³，熔点1668±4℃，熔化潜热3.7-5.0千卡/克原子，沸点3260±20℃，汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子，临界温度4350℃，临界压力1130大气压。

3.钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢，钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为0.38-0.4K。

在25℃时，钛的热容为0.126卡/克[5] 原子·度，热焓1149卡/克原子，熵为7.33卡/克原子·度。

4.金属钛是顺磁性物质，导磁率为1.00004。

5.钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%，断面收缩率可达70-80%。

三、钛的十大特性1.密度小，比强度高，金属钛的密度为4.51g/立方厘米，高于铝而低于钢、铜、镍，但比强度位于金属之首。

2.耐腐蚀性能，不受大气和海水的影响。

在常温下，不会被7%以下盐酸、5%以下硫酸、硝酸、王水或稀碱溶液所腐蚀。

3.耐热性能好，新型钛合金可在600℃或更高的温度下长期使用。

4.耐低温性能好，在-196-253℃低温下保持较好的延性及韧性，避免了金属冷脆性。

5.抗阻尼性能强，钛受到机械振动、电振动后，与钢、铜金属相比，其自身振动衰减时间最长。

6.无磁性、无毒，钛是无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁化，且无毒。

7.抗拉强度与其屈服强度接近，钛的这一性能说明了其屈强比（抗拉强度/屈服强度）高，表示了金属钛材料在成形时塑性变形差。

钛及钛合金的研究1.引言钛是 20 世纪 50 年代发展起来的一种重要的结构金属，因其具有质轻、高强、耐蚀、耐热、无磁等一系列优良性能，以及形状记忆、超导、储氢、生物相容性四大独特功能，被广泛应用在航空航天、舰船、军工、冶金、化工、海水淡化、轻工、环境保护、医疗器械等领域，并创造了巨大的经济和社会效益，在国民经济发展和国防中占有重要的地位和作用。

钛是金属材料王国中“全能的金属”、“海洋金属”、“太空的金属”，从工业价值、资源寿命和发展前景来看，钛被视为继铁、铝之后处于发展中的“第三金属”和“战略金属”。

根据在钛中加入β稳定元素的多少及退火后的组织，钛合金可分为α、近α、α+β、近β和β钛合金。

美、日、俄罗斯以及中国等许多国家都高度重视钛合金的发展，各国根据不同国情和需求进行了各自的研发，现已得到了广泛的应用[1~3]。

2.钛及钛合金的特点钛及钛合金具有许多优良特性,主要体现在如下几个方面：(1)比强度高。

钛合金具有很高的强度,其抗拉强度为686~1 176 MPa,而密度仅为钢的60%左右,所以比强度很高。

(2)硬度较高。

钛合金(退火态)的硬度HRC为32~38。

(3)弹性模量低。

钛合金(退火态)的弹性模量为1.078@105~1.176@105MPa,约为钢和不锈钢的一半。

(4)高温和低温性能优良。

在高温下,钛合金仍能保持良好的机械性能,其耐热性远高于铝合金,且工作温度范围较宽,目前新型耐热钛合金的工作温度可达550~600e;在低温下,钛合金的强度反而比在常温时增加,且具有良好的韧性,低温钛合金在-253e时还能保持良好的韧性。

(5)钛的抗腐蚀性强。

钛在550e以下的空气中,表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜,故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中,其耐蚀性优于大多数不锈钢。

此外,钛还具有形状记忆、吸氢、超导、无磁、低阻尼等优良特性。

纯钛及钛合金与其他材料有关性能的对比见表1。

3.钛及钛合金的研究进展1954 年美国成功研制出第一个实用钛合金Ti-6Al-4V，由于其具有优异的综合性能，成为钛合金中的王牌合金[1]。

钛作者：商占法介绍钛是一种金属元素，灰色，原子序数22，相对原子质量47.87。

能在氮气中燃烧，熔点高。

钛的密度为4.54g／cm3，比钢轻43% ，比久负盛名的轻金属镁稍重一些。

机械强度却与钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍。

钛耐高温，比黄金和钢都高的多。

钝钛和以钛为主的合金是新型的结构材料，主要用于航天工作和航海工业，在石油化工行业也有较多的应用。

钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积的钢铁的一半，钛虽然稍稍比铝重一点，它的硬度却比铝大2倍。

现在，在宇宙火箭和导弹中，就大量用钛代替钢铁。

据统计，目前世界上每年用于宇宙航行的钛，已达一千吨以上。

极细的钛粉，还是火箭的好燃料，所以钛被誉为宇宙金属，空间金属。

钛的耐热性很好，熔点高达1660℃℃。

在常温下，钛可以安然无恙地躺在各种强酸强碱的溶液中。

就连最凶猛的酸——王水，也不能腐蚀它。

钛不怕海水，有人曾把一块钛沉到海底，五年以后取上来一看，上面粘了许多小动物与海底植物，却一点也没有生锈，依旧亮闪闪的。

现在，人们开始用钛来制造潜艇——钛潜艇。

由于钛非常结实，能承受很高的压力，这种潜艇可以在深达4500米的深海中航行在常温下，钛不会被稀盐酸、稀硫酸、硝酸或稀碱溶液所腐蚀；只有氢氟酸、热的浓盐酸、浓硫酸等才可对它作用。

钛合金有好的耐热强度、低温韧性和断裂韧性，故多用作飞机发动机零件和火箭、导弹结构件。

钛合金还可作燃料和氧化剂的储箱以及高压容器。

现在已有用钛合金制造自动步枪，迫击炮座板及无后座力炮的发射管。

在石油工业上主要作各种容器、反应器、热交换器、蒸馏塔、管道、泵和阀等。

钛可用作电极和发电站的冷凝器以及环境污染控制装置。

钛镍形状记忆合金在仪器仪表上已广泛应用。

在医疗中，钛与人体有很好的相容性,可作人造骨头和各种器具。

钛还是炼钢的脱氧剂和不锈钢以及合金钢的组元。

钛白粉是颜料和油漆的良好原料。

碳化钛，碳（氢）化钛是新型硬质合金材料。

氮化钛颜色近于黄金，在装饰方面应用广泛。

钛合金TA7（Ti-5Al-2.5Sn）,TC4(Ti-6Al-4V)和Ti-2.5Zr-1.5Mo等为代表的低温钛合金,其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大。

在-196-253℃低温下保持较好的延性及韧性,避免了金属冷脆性,是低温容器,贮箱等设备的理想材料。

产品名称：钛丝材质：Gr1,Gr2,Gr3,Gr5,Gr5 ELI,TA1,TA2,TC4,BT-14执行标准：GB/T3623-98,AWSA5.16 AMS,ASTMF 136-84,ASTM F67产品名称:钛棒材质:Gr1,Gr2,Gr3,Gr4,Gr5,Gr7,Gr11,Gr12TA0 TA1 TA2 TA3 TA4 TA5 TA6 TA7TA9 TA10 TC1 TC2 TC3 TC4 Ti6AL-4V ELT执行标准:GB/T2965-98,ASTM B 348-83,ASTM F136-95,AMS4928,ASTM F67产品规格：直径3---200mm产品名称：钛板材质: Gr1 Gr2 Gr3 Gr4 Gr5 Gr7 Gr11 Gr12TA0 TA1 TA2 TA3 TA4 TA5 TA6 TA7 TA9TA10 TC1 TC2 TC3 TC4 TB2产品规格:厚度0.3---60mm宽度：600---1400mm长度：大于2000mm执行标准：GB/T3621-94 ASTM B265-ASME GB/T4845-93AMS供货形式：热轧退火钛标准件材质：纯钛（Gr1,Gr2），合金（6Al-4V)种类：钛螺丝，钛标准件，钛垫片钛螺丝标准类型：多款选择，样品或现货钛螺丝类别有：平头十字机丝、平头内六角机丝、平头机丝半牙、半圆头内六角机丝、半圆头十字机丝、大扁头内六角机丝钛螺丝规格有：M3、M4、M5、M6、M8、M10、M12、M14、M16、M8、M20、M22、M24、M26、M28、M30产品名称：钛管材质：Gr1 Gr2 Gr3 Gr7 Gr9 Gr12 Gr23执行标准：ASTM B338,ASTM B337, GB/T3624,GB/T3625产品规格：外径5.0---144mm壁厚0.3--20mm供货形式：无缝管，焊接管钛铜复合/钛包铜棒钛铜复合棒的性能：钛铜复合棒作为金属阳极的主要部件，其作用有以下３点：一：支撑阳极；钛铜复合棒具有一定的强度和抗弯曲性能，复合棒材的屈服强度达到１２８ＭＰa，充分满足生产设计要求。

钛及钛合金的研究1.引言钛是 20 世纪 50 年代发展起来的一种重要的结构金属，因其具有质轻、高强、耐蚀、耐热、无磁等一系列优良性能，以及形状记忆、超导、储氢、生物相容性四大独特功能，被广泛应用在航空航天、舰船、军工、冶金、化工、海水淡化、轻工、环境保护、医疗器械等领域，并创造了巨大的经济和社会效益，在国民经济发展和国防中占有重要的地位和作用。

钛是金属材料王国中“全能的金属”、“海洋金属”、“太空的金属”，从工业价值、资源寿命和发展前景来看，钛被视为继铁、铝之后处于发展中的“第三金属”和“战略金属”。

根据在钛中加入β稳定元素的多少及退火后的组织，钛合金可分为α、近α、α+β、近β和β钛合金。

美、日、俄罗斯以及中国等许多国家都高度重视钛合金的发展，各国根据不同国情和需求进行了各自的研发，现已得到了广泛的应用[1~3]。

2.钛及钛合金的特点钛及钛合金具有许多优良特性,主要体现在如下几个方面：(1)比强度高。

钛合金具有很高的强度,其抗拉强度为686~1 176 MPa,而密度仅为钢的60%左右,所以比强度很高。

(2)硬度较高。

钛合金(退火态)的硬度HRC为32~38。

(3)弹性模量低。

钛合金(退火态)的弹性模量为1.078@105~1.176@105MPa,约为钢和不锈钢的一半。

(4)高温和低温性能优良。

在高温下,钛合金仍能保持良好的机械性能,其耐热性远高于铝合金,且工作温度范围较宽,目前新型耐热钛合金的工作温度可达550~600e;在低温下,钛合金的强度反而比在常温时增加,且具有良好的韧性,低温钛合金在-253e时还能保持良好的韧性。

(5)钛的抗腐蚀性强。

钛在550e以下的空气中,表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜,故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中,其耐蚀性优于大多数不锈钢。

此外,钛还具有形状记忆、吸氢、超导、无磁、低阻尼等优良特性。

纯钛及钛合金与其他材料有关性能的对比见表1。

3.钛及钛合金的研究进展1954 年美国成功研制出第一个实用钛合金Ti-6Al-4V，由于其具有优异的综合性能，成为钛合金中的王牌合金[1]。

钛及钛合金牌号和化学成分标准
一、钛及钛合金牌号
1. 工业纯钛
工业纯钛是一种具有优异综合性能的工程材料，广泛用于化工、石油、食品、轻工等领域。

根据杂质元素含量的不同，工业纯钛分为TA1、TA2和TA3三个牌号。

2. 耐蚀钛合金
耐蚀钛合金主要用于化工、石油等领域的设备及管道，具有较强的耐腐蚀性能。

常用的耐蚀钛合金属有Ti-3Al-2.5V（TC4）和Ti-6Al-4V（TC20）等。

3. 高强度钛合金
高强度钛合金主要用于航空航天、汽车等领域的高强度结构件。

常用的高强度钛合金属有Ti-6Al-4V （TC20）、Ti-5Al-2.5Fe（TC21）等。

4. 高强度耐蚀钛合金
高强度耐蚀钛合金结合了高强度和耐腐蚀性能，主要用于海洋工程、化学工业等领域的重要结构件。

常用的高强度耐蚀钛合金属有Ti-6Al-4V ELI（TC4 ELI）等。

5. 高强度低成本钛合金
高强度低成本钛合金具有较高的强度和较低的成本，主要用于汽车、航空航天等领域的重要结构件。

常用的高强度低成本钛合金属有Ti-6Al-4V（TC20）等。

6. 非晶钛合金
非晶钛合金具有优异的力学性能和耐腐蚀性能，是非晶材料中的一种。

常用的非晶钛合金属有Ti-55531等。

二、钛及钛合金化学成分标准
1. 3620.1：钛及钛合金牌号和化学成分。

2. 3620.2：钛及钛合金棒材化学成分允许偏差。

3. 3620.3：钛及钛合金管材化学成分允许偏差。

4. 3620.4：钛及钛合金丝材化学成分允许偏差。

典型钛合金的组织与性能文献查阅总结1.α型钛合金α型钛合金中又分为全α型钛合金和近α型钛合金，工业纯钛属于α型钛合金，此外一般α合金含有6%左右的Al和少量中性元素，退火后几乎全部是α相，典型合金包括TA1~TA7合金等；近α型钛合金中除了含有Al 和少量中性元素外，还有少量（不超过4%）的稳定元素，如TA15、TA16、TA17等。

1.1工业纯钛工业纯钛按杂质元素含量分为TA1、TA1ELI、TA1-1、TA2、TA2ELI、TA3、TA3ELI、TA4、TA4ELI9个牌号，相变点大约为900℃。

工业纯钛具有高塑性、适当的强度、良好地耐蚀性以及优良的焊接性能等特点，广泛应用于化工设备、滨海发电装置、海水淡化装置、舰船零部件等，其冷热加工性能好，可生产各种规格的板材、棒材、型材、带材、管材和丝材，一般在退火状态下交货使用。

典型的工业纯钛显微组织如图1-3所示：图1 TA1板材650℃/1h退火态组织：等轴α+少量晶间β图2 TA2大规格棒材600℃/1h退火态组织：等轴α图3 TA3板材800℃/1h退火态组织：等轴α+含有针状α转变的β1.1.1 TA1钛管的组织与性能[][]庞继明，李明利，李明强等. 退火温度对TA1钛管材组织和性能的影响[J]. 钛工业进展. 2011, 28(2): 26-28研究方法：TA1铸锭经过2500t水压机开坯锻造和1600t卧式挤压机热挤压，最终获得φ45×7mm的管坯。

管坯经两辊和三辊管材冷轧机轧制成φ12×1.25mm的管材。

将管材置于真空热处理炉中，分别加热至450，475，490，500，550，600，650，700℃，保温90min，随炉冷却。

a）TA1钛管的显微组织图1为冷加工态及不同的温度热处理后的TA1管材横向显微组织。

可以看出，冷加工态的TA1管材组织混乱且有部分晶粒破碎不完全；700℃下的组织已完全再结晶、等轴化，与650℃的相比晶粒已明显长大。

钛及钛合金分类钛是一种具有广泛应用前景的金属材料，它具有低密度、高强度、优异的耐腐蚀性能等特点，因此被广泛应用于航空航天、汽车、化工等众多领域。

钛的分类主要基于其合金成分、晶体结构和加工工艺等方面的不同。

本文将介绍钛及钛合金的分类，并对每一类进行详细的描述。

一、钛的分类1.按合金成分分类根据合金中所包含的元素种类和含量不同，钛可以分为纯钛和合金钛两类。

纯钛: 纯钛是指含有至少99.5%纯度的钛。

它具有优良的耐腐蚀性、低密度、高强度和良好的可锻性。

纯钛广泛应用于航空航天、医疗器械等领域。

合金钛: 合金钛是指将其他金属元素合金化到钛中，以改变钛的物理和化学性质。

常见的合金钛包括钛铝合金、钛镁合金、钛锆合金等。

2.按晶体结构分类钛及钛合金可分为α型钛合金、β型钛合金、α-β型钛合金和亚共析钛合金等几种晶体结构分类。

α型钛合金: α型钛合金主要是由α相组成，具有良好的可塑性和焊接性能，在航空航天和海洋工程等领域有广泛应用。

β型钛合金: β型钛合金主要由β相组成，具有高强度和优异的耐热性能。

它被广泛应用于航空发动机和高温设备等领域。

α-β型钛合金: α-β型钛合金同时包含α相和β相，具有良好的机械性能和耐腐蚀性能，在制造航空器结构材料和骨科植入材料方面具有重要应用价值。

亚共析钛合金: 亚共析钛合金是指在合金中含有亚共析相，具有良好的耐腐蚀性和高温强度，被广泛应用于核工业和航空航天工业等领域。

二、钛合金的分类1.按合金元素分类根据合金中所添加的元素种类和含量不同，钛合金可以分为钛铝合金、钛镁合金、钛锆合金等。

钛铝合金: 钛铝合金以铝作为主要合金元素，并添加其他元素如钼、锡等，具有高强度和良好的热处理性能。

钛镁合金: 钛镁合金以镁作为主要合金元素，并添加少量的锆、铝等元素，具有轻质和高强度的特点。

钛锆合金: 钛锆合金以锆作为主要合金元素，并添加小量的铁、铬等元素，具有良好的耐腐蚀性和高温强度。

2.按应用领域分类根据钛合金在不同领域的应用特点，钛合金可以分为航空航天钛合金、生物医用钛合金、汽车用钛合金等。