医用钛合金Ti-6Al-4V的可加工性研究

Ti-6Al-4V的研究进展作者：王胜（材料工程学院）摘要：近年来钛合金越来越成为人们关注的对象，它具有硬度大、质量轻等许多其他金属所无法比拟的特点，在许多方面都有应用却覆盖面还在不断扩大。

Ti-6Al-4V是其中的一种合金，它强度大，机械性能好，密度小，是现在重要的合金材料，本文就针对它的一些研究做了简单的阐述。

关键词：Ti-6Al-4V，研究，应用，展望Ti在地壳中的丰度为0.56%，在所有按元素中居第9位，而在可作为结构材料的金属中居第4位，仅次于Al、Fe、Mg，其储量比常见金属Cu，Zn储量的总和还多。

我国钛资源丰富，储量为世界第一。

钛合金的密度小，比强度、比刚度高，抗腐蚀性能、高温力学性能、抗疲劳和蠕变性能都很好，具有优良的综合性能，是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料。

近年来，世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展，海绵钛、变形钛合金和钛合金加工材的生产和消费都达到了很高的水平，在航空航天领域、舰艇及兵器等军品制造中的应用日益广泛，在汽车、化学和能源等行业也有着巨大的应用潜力。

第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75%～85%。

其他许多钛合金都可以看做是Ti-6Al-4V合金的改型。

看来Ti-6Al-4V是钛合金中的主导者，那么我们来对Ti-6Al-4V进行深入的了解。

1 概述钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，具有良好的综合力学机械性能，比强度大。

钛合金热导率低，钛合金的热导率为铁的1/5、铝的1/10，TC4的热导率l=7.955W/m·K。

线膨胀系数为7.89×10-6℃，比热为0.612cal/g·℃。

钛合金的弹性模量较低。

TC4的弹性模量E=110GPa，约为钢的1/2，故钛合金加工时容易产生变形。

ti6al4v钛合金的原子比成分题目：探索ti6al4v钛合金的原子比成分导语：钛合金是一种由钛和其他金属元素构成的合金，具有轻量化、高强度和耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天、汽车制造和生物医学等领域。

其中，ti6al4v钛合金由钛、铝和钒等元素组成，其原子比成分对于合金的性能起着重要的影响。

本文将深入探讨ti6al4v钛合金的原子比成分，以便更全面、深刻地了解这一合金的特性。

一、ti6al4v钛合金的构成元素ti6al4v钛合金由三种元素构成：钛（Ti）、铝（Al）和钒（V），其中ti代表钛的化学符号，6代表钛的原子数，意味着合金中含有6个钛原子；al代表铝的化学符号，4代表铝原子数；v代表钒的化学符号。

二、原子比成分的作用1. 强度和硬度：钛合金的强度和硬度与钛和其他元素的含量以及配比有关。

ti6al4v钛合金中，钛元素的含量较高，能够增加合金的强度和硬度，同时提供良好的可塑性和可加工性。

铝元素的加入可以提高合金的硬度和耐腐蚀性，钒元素则能够增强合金的热强性和耐高温性。

2. 耐腐蚀性：ti6al4v钛合金具有优异的腐蚀抗性，主要归功于其原子比成分的优化设计。

经过合理的原子比成分优化，合金中的钛元素会形成稳定的钛氧化膜，有效防止腐蚀介质的侵蚀，从而延长合金的使用寿命。

3. 生物相容性：钛合金具有良好的生物相容性，适合用于人体植入材料。

ti6al4v钛合金中的铝元素能够增强其生物相容性，减少材料对人体组织的刺激，同时提高人体对合金的免疫力。

三、深入理解ti6al4v钛合金的原子比成分ti6al4v钛合金的原子比成分是综合考虑了强度、硬度、耐腐蚀性和生物相容性等因素的结果。

其中，钛元素的高含量使合金具有优异的强度和硬度，铝元素的加入提高了合金的耐腐蚀性和生物相容性，钒元素则能够增强合金的热强性和耐高温性。

优化的原子比成分能够提高ti6al4v钛合金的综合性能，并满足不同工程领域对材料性能的需求。

Ti-6Al-4V(TC4)Ti-6Al-4V(TC4)钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良 好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效 使合金强化。

热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可 在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金[35]。

表3-2钛合金Ti-6Al-4V 成分钛合金Ti6Al-4V 合金碳（最大）0.10％ 铝5.50至6.75％ 氮0.05％氧气（最大）0.020％其他，合计（最大）0.40％ *其他，每个（最大）=0.1％钛平衡钒3.50至4.50％ 铁（最大）0.40％ 氢（最大）0.015％ 比重0.160弹性模量（E ）的15.2x103ksi?贝塔Transus 1800to1850°F? 液相线温度2976to3046°F 固相线温度2900to2940°F 电阻率-418°F902.5ohm-cir-mil/ft? 73.4°F1053ohm-cir-mil/ft? 986°F1143ohm-cir-mil/ft?典型的室温强度计算退火钛6Al-4V 的：极限承载强度1380年至2070年兆帕（200-300ksi ） 压缩屈服强度825-895兆帕（120-130ksi ） 极限剪切强度480-690兆帕（70-100ksi ）Ti-6Al-4V 的线膨胀系数只有8.8×10-6K-1.钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。

99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3,抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。

钛的应用应用领域 材料的使用特性应用部位航喷气发动机在500℃以下具有高的屈服强度/在500℃以下的部位使用：压气元素 Al V Fe O Si C N H 其他 Ti成分5.5-6.83.5-4.50.30.2 0.15 0.1 0.05 0.01 0.5余量空工业密度比和疲劳强度/密度比，良好的热稳定性，优异的抗大气腐蚀性能，可减轻结构质量盘、静叶片、动叶片、机壳、燃烧室外壳、排气机构外壳、中心体、喷气管等机身在300℃以下，比强度高防火壁、蒙皮、大梁、起浇架、翼肋、隔框、紧固件、导管、舱门、拉杆等火箭、导弹及宇宙飞船工业在常温及超低温下，比强度高，并具有足够的韧性及塑性高压容器、燃料贮箱、火箭发动机及导弹壳体、飞船船舱蒙皮及结构骨架、主起落架、登月舱等船舶、舰艇制造工业比强度高，在海水及海洋气氛下具有优异的耐蚀性能耐压艇体、结构件、浮力系统球体，水上船舶的泵体、管道和甲板配件，快艇推进器、推进轴、水翼艇水翼、鞭状天线等化学工业、石油工业在氧化性和中性介质中具有良好的耐蚀性，在还原性介质中也可通过合金化改善其耐蚀性在石油化工、化肥、酸碱、钠、氯气及海水淡化等工业中，作热交换器、反应塔、蒸馏器、洗涤塔、合成器、高压釜、阀门、导管、泵、管道等其他工业常规正品制造耐蚀性好，密度小火炮尾架、迫击炮底板、火箭炮炮管及药室、喷管、火炮套箍、坦克车轮及履带、扭力棒、战车驱动轴、装甲板等冶金工业有高的化学活性和良好的耐蚀性在镍、钴、钛等有色金属冶炼中做耐蚀材料，在钢铁冶炼中是良好的脱氧剂和合金元素其他工业医疗卫生对人体体液有极好的耐蚀性，没有毒性，与肌肉组织亲合性能良好好做医疗器械及外科矫形材料，钛制牙、心脏内瓣、隔膜、骨关节及固定螺钉、钛骨头等超高真空有高的化学活性，能吸附氧、氮、氢、CO、CO2、甲烷等气体钛离子泵电镀工业耐腐蚀、寿命长、传热快、加热效果好，对产品无污染，可提高劳动生产率和减少维修费用镀镍、镀铬（除氟化物镀铬外）、酸性和氰化物镀铜、三氯化铁铜板腐蚀中作加热器、电镀槽子，网篮、挂具、薄膜蒸发器等电站高的耐蚀性，密度小、质量轻，良好的综合力学性能和工艺性能，较高的热稳定性，线胀系数小全钛凝汽器、冷凝器、管板、冷油管、蒸汽涡轮叶片等机械仪表精密天平秤杆、表壳、光学仪器等纺织工业亚漂机、亚漂罐中耐蚀零、部件造纸工业泵、阀、管道、风机、搅拌器等医药工业加料机、加热器、分离器、反应罐、搅拌器、压滤罐、出料管道等体育用品航模、羽毛球拍、登山器械、钓鱼杆、宝剑、全钛赛车等工艺美术钛板画、笔筒、砚台、拐杖、胸针等钛的热处理工艺参数牌号消除应力退火工艺①完全退火工艺②固溶处理工艺时效处理工艺温度/℃时间/min温度/℃时间/min温度/℃时间/min冷却方式温度/℃时间/min冷却方式TA1 500-600 15-60680-7230-120——————TA2 500-600 15-60680-7230-120——————TA3 500-600 15-60680-7230-120——————TA4 550-650 15-60700-7530-120——————TA5 550-650 15-60800-8530-120——————TA6 15-1275030-1—————550-650 0 -8020 —TA7 550-650 15-12750-8030-120——————TB2 480-650 15-24800 30 800 30 水或空5008空冷TC1 550-650 30-60700-7530-120——————TC2 550-650 30-60700-7530-120——————TC3 550-650 30-24700-8060-120820-9225-6水冷480-5604-8空冷TC4 550-650 30-24700-8060-120850-9530-6水冷480-5604-8空冷TC6 550-650 30-12750-8560-120860-9030-6水冷540-5804-12空冷TC9 550-650 30-24600 60900-9560-9水冷500-6002-6空冷TC1550-650 30-24760 120850-9060-9水冷500-6004-12空冷1.所有合金消除应力退火后一律采用空冷。

TI-6AL-4V合金是一种常见的钛合金，具有良好的强度和耐腐蚀性，因此在航空航天、医疗器械和汽车工业等领域得到广泛应用。

其典型加工历史展现了其在工业生产中的重要地位。

以下是TI-6AL-4V合金的典型加工历史：一、精炼加工方法1. 初步锻造TI-6AL-4V合金在精炼过程中首先需要进行初步锻造，以通过压力使其形成初步形状。

这一过程可通过锻造机或液压机完成。

2. 热处理经过初步锻造后的TI-6AL-4V合金需要进行热处理，以消除内部应力和提高其机械性能。

通常包括固溶处理和时效处理两个步骤。

3. 精密加工经过热处理后的TI-6AL-4V合金可进行精密加工，包括车削、铣削、钻削等，以得到精确的形状和尺寸。

二、表面处理方法1. 酸洗TI-6AL-4V合金在精炼过程中通常需要进行酸洗，以去除表面氧化物和提高其表面质量。

2. 钝化处理经过酸洗后的TI-6AL-4V合金需要进行钝化处理，以增加其表面耐腐蚀性能。

3. 表面涂层在一些特定的应用中，TI-6AL-4V合金可能需要进行表面涂层，以增加其耐磨性和抗氧化性能。

三、成品加工方法1. 组装TI-6AL-4V合金在生产成品后需要进行组装，通常包括焊接、螺栓连接等，以形成最终的产品。

2. 检测组装完成后的TI-6AL-4V合金产品需要进行检测，包括外观检查、尺寸检测、力学性能测试等，以保证产品质量。

3. 表面处理成品TI-6AL-4V合金产品可能需要进行表面处理，以提高其表面光洁度和耐腐蚀性能。

以上是TI-6AL-4V合金的典型加工历史，经过精炼加工、表面处理和成品加工等多个步骤，最终得到具有优良性能的产品，为各行业提供了重要的部件和材料。

TI-6AL-4V合金的典型加工历史是一个复杂而精细的过程，需要经历多个步骤和环节，以确保最终产品的质量和性能达到要求。

接下来我们将详细介绍TI-6AL-4V合金在精炼加工、表面处理和成品加工过程中的具体方法和技术。

一、精炼加工方法1. 初步锻造初步锻造是将TI-6AL-4V合金加热至较高温度后，利用机械设备对其进行压力加工，使其形成所需的初步形状。

国内外医用钛及钛合金标准及性能发布时间：2010-4-17 10:20:42 中国废旧物资网一、钛在医学中的应用1、钛作为一种新兴的材料在我国及世界制药工业、手术器械、人体植入物等领域使用已有几十年的历史，并已取得了极大地成功。

2、人体内应外伤、肿瘤造成的骨、关节损伤，采用钛及钛合金可制造人工关节、接骨板和螺钉现已广泛用于临床。

还用于髋关节（包括股骨头）、膝关节、肘关节、掌指关节、指间关节、下頜骨、人造椎体（脊柱矫形器）、心脏起搏器外壳、人工心脏（心脏瓣膜）、人工种植牙、以及钛网在头盖骨整形等方面。

3、对于植入物材料的要求可以归为三个方面：材料与人体的生物相容性、材料在人体环境中的耐腐蚀性和材料的力学性能，作为长期植入材料有下列七项具体要求：①、耐蚀性;②、生物相容性；③、优越的力学性能和疲劳性能；④、韧性；⑤、低的弹性模量；⑥、在组合体中有好的耐磨性；⑦、令人满意的价格；4、外科植入物材料主要有：金属、聚合物、陶瓷等，金属材料又包括不锈钢、鈷基合金和钛基合金。

材料性能与骨性能的比较和植入物材料的特性比较见表一和表二。

从表二可以看出，不锈钢价格低廉，易于加工，但耐蚀性和生物相容性不如钛合金；鈷鉻合金的耐磨性比钛合金好，但密度较大，太重；钛及钛合金由于比强度高，生物相容性好及耐体液腐蚀性好等特点正日益受到重视。

钛合金的不足之处识是耐磨性差、难于铸造，加工性能也差。

二、国内外外科植入物用钛及钛合金加工材标准情况1、国外外科植入物用加工材标准纯钛：国际标准化组织 ISO 5832/2 1999E《外科植入物－纯钛加工材》美国标准：ASTM F67 2006a 《外科植入物用纯钛》TC4: 国际标准化组织 ISO 5832/3 1996Z 《外科植入物－金属材料－Ti-6Al-4V加工材》ASTM F1472 2002 《外科植入物用Ti-6Al-4V合金加工材》TC4ELI: ASTM F136 2002a 《外科植入物用Ti-6Al-4VELI（超低间隙）加工材规范》TC20: ISO 5832/11 I994(E) 《外科植入物－金属材料－Ti-6Al-7Nb合金加工材》ASTM F1295:2005《外科植入物用Ti-6Al-7Nb合金加工材》2、中国国家标准①、《外科植入物用钛及钛合金加工材》中国国家标准为GB／Ｔ13810-2007，牌号有：TA 1ELI、TA1、TA2、TA3、TA4、TC4、TC4ELI、TC20.品种有：板材0.8～25mm；棒材7.0～90mm；丝材1.0～7.0mm；GB\T13810-2007标准中规定的各项性能指标：②、GB／Ｔ13810-2007标准中，为了保证外科植入物用钛及钛合金加工材的综合性能（强度、塑性、韧性、硬度、抗疲劳等性能的合理匹配），对两相钛合金的高倍金相组织和氢含量及其它间隙元素含量都有非常严格的要求和控制。

医用植入材料Ti6Al4V 的腐蚀与防腐研究进展doi:10.3969/j.issn.1674-7100.2018.03.012收稿日期：2018-04-20基金项目：株洲市科技计划基金资助项目（201707-201806）作者简介：丁子彧（1994-），女，湖南株洲人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为生物材料， E-mail ：644328668@通信作者：贺全国（1973-），男，湖南常德人，湖南工业大学教授，博士，主要从事纳米生物功能材料方面的研究， E-mail ：hequanguo@丁子彧1 贺全国1丁泽良2 王双雄2李广利1 刘晓鹏11. 湖南工业大学 生命科学与化工学院 湖南 株洲 4120072. 湖南工业大学 机械工程学院 湖南 株洲 412007摘　要：Ti6Al4V 具有良好的生物相容性、力学性能和工艺性能，是当今医用植入体的首选材料。

但Ti6Al4V 植入人体后会被体液腐蚀并释致出对人体有毒副作用的金属离子，针对此问题，分析了医用植入材料Ti6Al4V 在临床应用中的腐蚀行为及其被腐蚀后对人体的影响，综述了该材料防腐技术的研究进展，并对该材料表面改性研究提出了建议。

关键词：医用材料；Ti6Al4V ；腐蚀；表面改性中图分类号：TB37 文献标志码：A 文章编号：1674-7100(2018)03-0084-07030 引言医用植入材料是指种植、埋藏、固定于宿主受损或病变部位，起支持、修复或替代功能的特殊医用材料[1]。

根据材料性质，医用植入材料主要有高分子材料、陶瓷材料和金属材料3种[2]。

金属材料因在强度、韧性、抗疲劳性能和加工工艺性等方面具有其他材料不可替代的优良性能，在矫形外科、关节外科、口腔种植和心血管疾病治疗等领域中得到了广泛的应用[3-5]，其在人体结构中的植入分布如图1所示[6]。

Ti6Al4V （代号TC4）是1954 年由美国水城兵工厂研制开发的[7]，其化学成分包含Ti 、Al 、V 、Fe 等元素（见表1），密度为4.5 g/cm 3，熔点为1 660 ℃，因具有良好的生物相容性、耐腐蚀性、可加工性和力学性能等特点，成为当今人体硬组织替代物和修复物的首选材料，也是技术最成熟、应用最广泛的医用金属材料[8-10]。

T i-6A l-4V(T C4) Ti-6Al-4V(TC4)钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。

热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金[35]。

表3-2 钛合金Ti-6Al-4V成分钛合金Ti6Al-4V合金碳（最大）0.10％铝 5.50至6.75％氮0.05％氧气（最大）0.020％其他，合计（最大）0.40％*其他，每个（最大）= 0.1％钛平衡钒 3.50至4.50％铁（最大）0.40％氢（最大）0.015％比重0.160弹性模量（E）的15.2 x 10 3 ksi?贝塔Transus 1800 to 1850 °F?液相线温度2976 to 3046 °F固相线温度2900 to 2940 °F电阻率-418 °F 902.5 ohm-cir-mil/ft?73.4 °F 1053 ohm-cir-mil/ft?986 °F 1143 ohm-cir-mil/ft?典型的室温强度计算退火钛6Al-4V的：极限承载强度1380年至2070年兆帕（200-300 ksi）压缩屈服强度825-895兆帕（120-130 ksi）极限剪切强度480-690兆帕（70-100 ksi）Ti-6Al-4V 的线膨胀系数只有8.8×10-6K-1.钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。

99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3,抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。

第50卷第1期 2018年2月南京航空航天大学学报J o u r n a l o f N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t ic s&A s t r o n a u t i c sVol. 50 No. 1Feb. 2018D O I：10. 16356". 1005-2615. 2018. 01. 014氢化钛粉制备钛及T i-6A1-4V钛合金粉末冶金工艺与性能研究亚历山大•莫利亚尔12田金华1张莎莎12姚正军12刘子利1缪强1张平则12(1.南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京，211106 %2.面向苛刻环境的材料制备与防护技术工业和信息化部重点实验室，南京，211106)摘要：为了降低制造钛和钛合金半成品的成本，以氢化钛和氢化钛与铝-机中间合金的混合物为原料，采用粉末冶金制备工艺分别制备了用于轧制的T A2和T C4多孔坯料，研究了热轧后合金的组织与力学性能。

研究结果表明，不同形变程度（50%和75%)的热轧工艺有效消除了残余孔隙，改变了微观结构特征（之前的！晶粒边界"相消失$极大地提高了T A2和T C4合金的强度和塑性，而且与传统工艺相比，省略了锭块熔炼步骤，降低了钛和钛合金轧制产品的价格，而且与传统工艺相比，省略了锭块熔炼步骤，降低了钛和钛合金轧制产品的价格。

关键词：钛合金；轧制；多孔坯料；微观结构；机械性能中图分类号：T F12文献标志码：A文章编号！005-2615(2018)01-0100-05Powder Metallurgy Technology and Properties of Ti and Ti-6A1-4VAlloy Prepared Using Titanium Hydride PowderOLEKSANDR Mohar1'2，TJAN Jinhua1，ZHANG Shasha1'2，YAO Zhengjun1'2，L JU Z th1，MIAOQtang1，ZHANGPingze1'2(1. C o lle g e o f M a te ria l Science and T e c h n o lo g y , N a n jin g U n iv e r s ity o f A e ro n a u tic s&A s tro n a u tic s,N a n jin g,211106 ,C h in a;2. K e y L a b o ra to ry o f M a te ria ls P re p a ra tio n and P ro te c tio n fo r H a rs h E n v iro n m e n t ,M in is tr y o f In d u s tr y andIn fo rm a tio n T e c h n o lo g y,N a n jin g,211106 ,C h in a)Abstract：I n o r d e r t o r e d u c e t h e c o s t o f m a n u f a c t u r i n g s e m i-f i n i s h e d p r o d u c t s o f t i t a n i u m a n d t i t a n i u m a l­l o y ，a m i x t u r e o f t i t a n i u m h y d r i d e，t i t a n i u m h y d r i d e a n d a l u m i n u m-v a n a d i u m m a s t e r a l l o y is u s e d a sr a w m a t e r i a l，t h e T A2a n d T C4p o r o u s b i l l e t s f o r r o l l i n g a r e p r e p a r e d b y p o w d e r m e t a l l u r g y p r o c e s s，a n d t h e m i c r o s t r u c t u r e a n d m e c h a n ic a l p r o p e r t ie s o f t h e a l l o y a f t e r h o t r o l l i n g a r e s t u d ie d.T h e r e s u l t ss h o w t h a t i n t h e h o t-r o l l i n g p r o c e s s w i t h d i f f e r e n t d e g r e e s o f d e f o r m a t i o n(50%a n d75%)，t h e r e s id u a lp o r o s i t y is e l i m i n a t e d e f f e c t i v e l y a n d t h e m i c r o s t r u c t u r e c h a r a c t e r is t ic s a r e m o d i f i e d(t h e a lo n g p r e v io u s!g r a in b o u n d a r y d is a p p e a r s).T h i s r e s u l t s i n t h e s i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n t o f t h e s t r e n g t ha n d d u c t i l i t y o f t h e T A2a n d T C4a llo y s.A n d c o m p a r e d w i t h t h e t r a d i t i o n a l p r o c e s s ,t h e i n g o t m e l t i n g s t e p，t h e p r ic e o f t i t a n i u m a n d t i t a n i u m a l l o y r o ll e d p r o d u c t s is r e d u c e d.Key words：t i t a n i u m a l l o y；r o l l i n g；p o r o u s b l a n k；m i c r o s t r u c t u r e；m e c h a n ic a l p r o p e r t ie s收稿日期！017-11-31;修订日期！018-01-07通信作者：亚历山大•莫利亚尔，男，特聘教授，乌克兰国家工程院通信院士，E-m ail:m olyar. olekcandr@i. ua。