TC11鈦合金薄板

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TC11鈦合金薄板性能

鈦是20世紀50年代發(fā)展起來的一種重要的結構金屬，鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發(fā)，并得到了實際應用。20世紀50～60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動機用的高溫鈦合金和機體用的結構鈦合金，70年代開發(fā)出一批耐蝕鈦合金，80年代以來，耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發(fā)展。鈦合金主要用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件，其次為火箭、導彈和高速飛機的結構件

中文名

鈦合金

外文名

titanium alloy

特    點

強度高、耐蝕性好、耐熱性高

第一個鈦合金

Ti-6Al-4V合金

研發(fā)國

美國

時    間

1954年

原理

鈦合金是以鈦為基礎加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質異晶體：882℃以下為密排六方結構α鈦，882℃以上為體心立方的β鈦。

合金元素根據(jù)它們對相變溫度的影響可分為三類：

①穩(wěn)定α相、提高相轉變溫度的元素為α穩(wěn)定元素,有鋁、碳、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素，它對提高合金的常溫和高溫強度、降低比重、增加彈性模量有明顯效果。

②穩(wěn)定β相、降低相變溫度的元素為β穩(wěn)定元素，又可分同晶型和共析型二種。前者有鉬、鈮、釩等；后者有鉻、錳、銅、鐵、硅等。

③對相變溫度影響不大的元素為中性元素，有鋯、錫等。

氧、氮、碳和氫是鈦合金的主要雜質。氧和氮在α相中有較大的溶解度,對鈦合金有顯著強化效果,但卻使塑性下降。通常規(guī)定鈦中氧和氮的含量分別在0.15～0.2%和0.04～0.05%以下。氫在α相中溶解度很小,鈦合金中溶解過多的氫會產生氫化物，使合金變脆。通常鈦合金中氫含量控制在 0.015%以下。氫在鈦中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。

分類

鈦是同素異構體，熔點為1668℃，在低于882℃時呈密排六方晶格結構，稱為α鈦；在882℃以上呈體心立方晶格結構，稱為β鈦。利用鈦的上述兩種結構的不同特點，添加適當?shù)暮辖鹪?，使其相變溫度及相分含量逐漸改變而得到不同組織的鈦合金（titanium alloys）。室溫下，鈦合金有三種基體組織，鈦合金也就分為以下三類：α合金,(α+β)合金和β合金。中國分別以TA、TC、TB表示。

α鈦合金

它是α相固溶體組成的單相合金，不論是在一般溫度下還是在較高的實際應用溫度下，均是α相，組織穩(wěn)定，耐磨性高于純鈦，抗氧化能力強。在500℃～600℃的溫度下，仍保持其強度和抗蠕變性能，但不能進行熱處理強化，室溫強度不高。

β鈦合金

它是β相固溶體組成的單相合金，未熱處理即具有較高的強度，淬火、時效后合金得到進一步強化，室溫強度可達1372～1666 MPa；但熱穩(wěn)定性較差，不宜在高溫下使用。

α+β鈦合金

它是雙相合金，具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進行熱壓力加工，能進行淬火、時效使合金強化。熱處理后的強度約比退火狀態(tài)提高50%～100%；高溫強度高，可在400℃～500℃的溫度下長期工作，其熱穩(wěn)定性次于α鈦合金。

三種鈦合金中最常用的是α鈦合金和α+β鈦合金；α鈦合金的切削加工性最好，α+β鈦合金次之，β鈦合金最差。α鈦合金代號為TA，β鈦合金代號為TB，α+β鈦合金代號為TC。

鈦合金按用途可分為耐熱合金、高強合金、耐蝕合金（鈦-鉬，鈦-鈀合金等）、低溫合金以及特殊功能合金（鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金）等。典型合金的成分和性能見表。

熱處理 鈦合金通過調整熱處理工藝可以獲得不同的相組成和組織。一般認為細小等軸組織具有較好的塑性、熱穩(wěn)定性和疲勞強度；針狀組織具有較高的持久強度、蠕變強度和斷裂韌性；等軸和針狀混合組織具有較好的綜合性能。

性能

鈦是一種新型金屬，鈦的性能與所含碳、氮、氫、氧等雜質含量有關，最純的碘化鈦雜質含量不超過0.1%，但其強度低、塑性高。99.5%工業(yè)純鈦的性能為：密度ρ=4.5g/立方厘米，熔點為1725℃，導熱系數(shù)λ=15.24W/(m.K)，抗拉強度σb=539MPa，伸長率δ=25%，斷面收縮率ψ=25%，彈性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。

強度高

鈦合金的密度一般在4.51g/立方厘米左右，僅為鋼的60%，純鈦的密度才接近普通鋼的密度，一些高強度鈦合金超過了許多合金結構鋼的強度。因此鈦合金的比強度(強度/密度)遠大于其他金屬結構材料，見表7-1，可制出單位強度高、剛性好、質輕的零部件。飛機的發(fā)動機構件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。

熱強度高

使用溫度比鋁合金高幾百度，在中等溫度下仍能保持所要求的強度,可在450～500℃的溫度下長期工作這兩類鈦合金在150℃～500℃范圍內仍有很高的比強度，而鋁合金在150℃時比強度明顯下降。鈦合金的工作溫度可達500℃，鋁合金則在200℃以下。

抗蝕性好

鈦合金在潮濕的大氣和海水介質中工作，其抗蝕性遠優(yōu)于不銹鋼；對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強；對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質的抗蝕性差。

低溫性能好

鈦合金在低溫和超低溫下，仍能保持其力學性能。低溫性能好，間隙元素極低的鈦合金，如TA7，在-253℃下還能保持一定的塑性。因此，鈦合金也是一種重要的低溫結構材料。

化學活性大

鈦的化學活性大，與大氣中O、N、H、CO、CO2、水蒸氣、氨氣等產生強烈的化學反應。含碳量大于0.2%時，會在鈦合金中形成硬質TiC；溫度較高時，與N作用也會形成TiN硬質表層；在600℃以上時，鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層；氫含量上升，也會形成脆化層。吸收氣體而產生的硬脆表層深度可達0.1～0.15 mm，硬化程度為20%～30%。鈦的化學親和性也大，易與摩擦表面產生粘附現(xiàn)象。

導熱彈性小

鈦的導熱系數(shù)λ=15.24W/（m.K）約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導熱系數(shù)比鈦的導熱系數(shù)約下降50%。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2，故其剛性差、易變形，不宜制作細長桿和薄壁件，切削時加工表面的回彈量很大，約為不銹鋼的2～3倍，造成刀具后刀面的劇烈摩擦、粘附、粘結磨損。

用途

鈦合金具有強度高而密度又小，機械性能好，韌性和抗蝕性能很好。另外，鈦合金的工藝性能差，切削加工困難，在熱加工中，非常容易吸收氫氧氮碳等雜質。還有抗磨性差，生產工藝復雜。鈦的工業(yè)化生產是1948年開始的。航空工業(yè)發(fā)展的需要，使鈦工業(yè)以平均每年約 8%的增長速度發(fā)展。世界鈦合金加工材年產量已達4萬余噸,鈦合金牌號近30種。使用最廣泛的鈦合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工業(yè)純鈦（TA1、TA2和TA3）。

鈦合金主要用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件，其次為火箭、導彈和高速飛機的結構件。60年代中期，鈦及其合金已在一般工業(yè)中應用，用于制作電解工業(yè)的電極，發(fā)電站的冷凝器，石油精煉和海水淡化的加熱器以及環(huán)境污染控制裝置等。鈦及其合金已成為一種耐蝕結構材料。此外還用于生產貯氫材料和形狀記憶合金等。

中國于1956年開始鈦和鈦合金研究；60年代中期開始鈦材的工業(yè)化生產并研制成TB2合金。

鈦合金是航空航天工業(yè)中使用的一種新的重要結構材料，比重、強度和使用溫度介于鋁和鋼之間，但比鋁、鋼強度高并具有優(yōu)異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。1950年美國首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機上用作后機身隔熱板、導風罩、機尾罩等非承力構件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機身移向中機身、部分地代替結構鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構件。鈦合金在軍用飛機中的用量迅速增加，達到飛機結構重量的20%～25%。70年代起，民用機開始大量使用鈦合金，如波音747客機用鈦量達3640公斤以上。馬赫數(shù)大于 2.5的飛機用鈦主要是為了代替鋼，以減輕結構重量。又如，美國SR-71 高空高速偵察機(飛行馬赫數(shù)為3，飛行高度26212米)，鈦占飛機結構重量的93%，號稱“全鈦”飛機。當航空發(fā)動機的推重比從4～6提高到8～10，壓氣機出口溫度相應地從200～300°C增加到500～600°C時，原來用鋁制造的低壓壓氣機盤和葉片就必須改用鈦合金，或用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機盤和葉片，以減輕結構重量。70年代，鈦合金在航空發(fā)動機中的用量一般占結構總重量的20%～30%，主要用于制造壓氣機部件，如鍛造鈦風扇、壓氣機盤和葉片、鑄鈦壓氣機機匣、中介機匣、軸承殼體等。航天器主要利用鈦合金的高比強度，耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構架和火箭殼體。人造地球衛(wèi)星、登月艙、載人飛船和航天飛機 也都使用鈦合金板材焊接件。

存在問題

鈦合金具有質量輕、比強度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點，故被廣泛應用在汽車工業(yè)中，應用鈦合金最多的是汽車發(fā)動機系統(tǒng)。利用鈦合金制造發(fā)動機零件有很多好處。 

鈦合金的密度低，可以降低運動零件的慣性質量，同時鈦氣門彈簧可以增加自由振動，減弱車身的振顫，提高發(fā)動機的轉速及輸出功率。

減小運動零件的慣性質量，從而使摩擦力減小，提高發(fā)動機的燃油效率。選擇鈦合金可以減輕相關零件的負載應力，縮小零件的尺寸，從而使發(fā)動機及整車的質量減輕。零部件慣性質量的降低，使得振動和噪聲減弱，改善發(fā)動機的性能。 鈦合金在其他部件上的應用可提高人員的舒適度和汽車的美觀等。在汽車工業(yè)上的應用，鈦合金在節(jié)能降耗方面起到了不可估量的作用。

鈦合金零部件盡管具有如此優(yōu)越的性能，但距鈦及其合金普遍應用在汽車工業(yè)中還有很大的距離，原因包括價格昂貴、成形性不好及焊接性能差等問題。

阻礙鈦合金普遍應用于汽車工業(yè)的最主要原因還是成本過高。

無論是金屬最初的冶煉還是后續(xù)的加工，鈦合金的價格都遠遠高于其他金屬。汽車工業(yè)能夠接受的鈦制零件成本，用連桿鈦材8～13美元/kg，氣閥用鈦材13～20美元/kg，彈簧、發(fā)動機排氣系統(tǒng)及緊固件用鈦材希望在8美元/kg以下。是鋁板材的6～15倍，鋼板材的45～83倍。

熱處理

常用的熱處理方法有退火、固溶和時效處理。退火是為了消除內應力、提高塑性和組織穩(wěn)定性，以獲得較好的綜合性能。通常α合金和（α+β）合金退火溫度選在（α+β）─→β相轉變點以下120～200℃；固溶和時效處理是從高溫區(qū)快冷,以得到馬氏體α′相和亞穩(wěn)定的β相,然后在中溫區(qū)保溫使這些亞穩(wěn)定相分解，得到α相或化合物等細小彌散的第二相質點，達到使合金強化的目的。通常(α+β)合金的淬火在(α+β)─→β相轉變點以下40～100℃進行，亞穩(wěn)定β合金淬火在(α+β)─→β相轉變點以上40～80℃進行。時效處理溫度一般為450～550℃。

總結，鈦合金的熱處理工藝可以歸納為：

（1）消除應力退火：目的是為消除或減少加工過程中產生的殘余應力。防止在一些腐蝕環(huán)境中的化學侵蝕和減少變形。

（2）完全退火：目的是為了獲得好的韌性，改善加工性能，有利于再加工以及提高尺寸和組織的穩(wěn)定性。

（3）固溶處理和時效：目的是為了提高其強度，α鈦合金和穩(wěn)定的β鈦合金不能進行強化熱處理，在生產中只進行退火。α+β鈦合金和含有少量α相的亞穩(wěn)β鈦合金可以通過固溶處理和時效使合金進一步強化。

此外，為了滿足工件的特殊要求，工業(yè)上還采用雙重退火、等溫退火、β熱處理、形變熱處理等金屬熱處理工藝。

切削特點

鈦合金的硬度大于HB350時切削加工特別困難，小于HB300時則容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，也難于切削。但鈦合金的硬度只是難于切削加工的一個方面，關鍵在于鈦合金本身化學、物理、力學性能間的綜合對其切削加工性的影響。鈦合金有如下切削特點：

(1)變形系數(shù)小：這是鈦合金切削加工的顯著特點，變形系數(shù)小于或接近于1。切屑在前刀面上滑動摩擦的路程大大增大，加速刀具磨損。

(2)切削溫度高：由于鈦合金的導熱系數(shù)很小(只相當于45號鋼的1/5～1/7)，切屑與前刀面的接觸長度極短，切削時產生的熱不易傳出，集中在切削區(qū)和切削刃附近的較小范圍內，切削溫度很高。在相同的切削條件下，切削溫度可比切削45號鋼時高出一倍以上。

(3)單位面積上的切削力大：主切削力比切鋼時約小20%，由于切屑與前刀面的接觸長度極短，單位接觸面積上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同時，由于鈦合金的彈性模量小，加工時在徑向力作用下容易產生彎曲變形，引起振動，加大刀具磨損并影響零件的精度。因此，要求工藝系統(tǒng)應具有較好的剛性。

(4)冷硬現(xiàn)象嚴重：由于鈦的化學活性大，在高的切削溫度下，很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同時切削過程中的塑性變形也會造成表面硬化。冷硬現(xiàn)象不僅會降低零件的疲勞強度，而且能加劇刀具磨損，是切削鈦合金時的一個很重要特點。

(5)刀具易磨損：毛坯經(jīng)過沖壓、鍛造、熱軋等方法加工后，形成硬而脆的不均勻外皮，極易造成崩刃現(xiàn)象，使得切除硬皮成為鈦合金加工中最困難的工序。另外，由于鈦合金對刀具材料的化學親和性強，在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下，刀具很容易產生粘結磨損。車削鈦合金時，有時前刀面的磨損甚至比后刀面更為嚴重；進給量f<0.1 mm/r時，磨損主要發(fā)生在后刀面上；當f>0.2 mm/r時，前刀面將出現(xiàn)磨損；用硬質合金刀具精車和半精車時，后刀面的磨損以VBmax<0.4 mm較合適。

在銑削加工中，由于鈦合金材料的導熱系數(shù)低，而且切屑與前刀面的接觸長度極短，切削時產生的熱不易傳出，集中在切削變形區(qū)和切削刃附近的較小范圍內，加工時切削刃刃口處會產生極高的切削溫度，將大大縮短刀具壽命。對于鈦合金Ti6Al4V來說，在刀具強度和機床功率允許的條件下，切削溫度的高低是影響刀具壽命的關鍵因素，而并非切削力的大小。

刀具材料

切削加工鈦合金應從降低切削溫度和減少粘結兩方面出發(fā)，選用紅硬性好、抗彎強度高、導熱性能好、與鈦合金親和性差的刀具材料，YG類硬質合金比較合適。由于高速鋼的耐熱性差，因此應盡量采用硬質合金制作的刀具。常用的硬質合金刀具材料有YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643、YS2T和YD15等。

涂層刀片和YT類硬質合金會與鈦合金產生劇烈的親和作用，加劇刀具的粘結磨損，不宜用來切削鈦合金；對于復雜、多刃刀具，可選用高釩高速鋼(如W12Cr4V4Mo)、高鈷高速鋼(如W2Mo9Cr4VCo8)或鋁高速鋼(如W6Mo5Cr4V2Al、M10Mo4Cr4V3Al)等刀具材料，適于制作切削鈦合金的鉆頭、鉸刀、立銑刀、拉刀、絲錐等刀具。

采用金剛石和立方氮化硼作刀具切削鈦合金，可取得顯著效果。如用天然金剛石刀具在乳化液冷卻的條件下，切削速度可達200 m/min；若不用切削液，在同等磨損量時，允許的切削速度僅為100m/min。

注意事項

在切削鈦合金的過程中，應注意的事項有：

(1)由于鈦合金的彈性模量小，工件在加工中的夾緊變形和受力變形大，會降低工件的加工精度；工件安裝時夾緊力不宜過大，必要時可增加輔助支承。

(2)如果使用含氫的切削液，切削過程中在高溫下將分解釋放出氫氣，被鈦吸收引起氫脆；也可能引起鈦合金高溫應力腐蝕開裂。

(3)切削液中的氯化物使用時還可能分解或揮發(fā)有毒氣體，使用時宜采取安全防護措施，否則不應使用；切削后應及時用不含氯的清洗劑徹底清洗零件，清除含氯殘留物。

(4)禁止使用鉛或鋅基合金制作的工、夾具與鈦合金接觸，銅、錫、鎘及其合金也同樣禁止使用。

(5)與鈦合金接觸的所有工、夾具或其他裝置都必須潔凈；經(jīng)清洗過的鈦合金零件，要防止油脂或指印污染，否則以后可能造成鹽(氯化鈉)的應力腐蝕。

(6)一般情況下切削加工鈦合金時，沒有發(fā)火危險，只有在微量切削時，切下的細小切屑才有發(fā)火燃燒現(xiàn)象。為了避免火災，除大量澆注切削液之外，還應防止切屑在機床上堆積，刀具用鈍后立即進行更換，或降低切削速度，加大進給量以加大切屑厚度。若一旦著火，應采用滑石粉、石灰石粉末、干砂等滅火器材進行撲滅，嚴禁使用四氯化碳、二氧化碳滅火器，也不能澆水，因為水能加速燃燒，甚至導致氫爆炸。

缺點