低强度高塑性钛合金

   一般将抗拉强度在700 MPa以下的钛合金称为低强度钛合金，通常强度低，塑性比较好，因此也称为高塑性钛合金。这类钛合金包括工业纯钛系列及近α型钛合金，典型的如TC1钛棒,TC2钛棒,TA21钛棒,TA16钛棒,TA18钛棒等，其中TA16钛合金,TA18钛合金主要为管材类专用钛合金，因此放在管材部分讨论。本节内容以工业纯钛和TC1钛棒,TC2钛棒等为例介绍低强度高塑性钛合金。

    低强度高塑性钛合金的主要特点是工艺塑性特别好，能够成形各种复杂零件，如钣金件，并能进行各种方式的焊接和机加工，还可加工成管材和锻件等，主要制造各种非承力结构件。

工业纯钛

    工业纯钛是指具有不同杂质含量的未合金化钛。其主要杂质有Fe,Si,C,N,O,H。工业纯钛的强度水平主要取决于间隙元素0和N的含量。0和N在α钛中具有高的溶解度，通过固溶强化。α相，可显著提高强度，降低塑性。C在a钛中的溶解度很小，因此对强度的贡献不大。

    工业纯钛的强度在280MPa -720MPa范围内，具有较高的塑性和优良的成形工艺性能，并且具有优异的耐腐蚀性能。工业纯钛还可以用各种方式进行焊接，其接头强度和塑性几乎与基体金属一样。工业纯钛可以加工成各种半成品，包括钛板、钛箔、钛棒材、钛丝、钛管、钛锻件、钛铸件等。

    工业纯钛以其优良的综合性能应用于各种领域，包括航空、航天、船舶、化工、生物医学、建筑、交通运输等。工业纯钛的长期工作温度为300℃以下。

    工业纯钛主要包括TA1 ,TA2 ,TA3等。

一、材料简介

工业纯钛按工艺分为变形工业纯钛TA1 ,TA2 ,TA3及铸造工业纯钛ZTA1、ZTA2、ZTA3。对应国外相近牌号如下:TAl—BT1 -0(俄罗斯)和Ti _ 40(美国);TA2—— Ti一55(美国);TA3--Ti一70(美国)。

二、相变及组织

㈠相变

    纯钛在正常压力下有两种同素异晶体:密排六方α一Ti和体心立方结构β一Ti 。 882. 5℃以下为α一Ti，点阵常数α=2. 951 x10m,c/a=1. 587，比一般密排六方点阵的轴比1. 633略小。882. 5℃以上为β-Ti，点阵常数a=3.28x10 m , a--β转变的体积效应不大，约为0. 17%。工业纯钛的a-β转变温度为890℃一930℃。

㈡组织

    工业纯钛从β相区缓慢冷却后为单一。a相组织。当从β相区快速冷却(> 200℃ /s)时，发生马氏体转变，获得针状a相组织。冷却速度较小时，由于强烈的应力松弛现象，不出现马氏体针。如果从(a+β)区温度淬火，会形成初生a相和a'马氏体相不同比率的相组成。

三、应用技术

1.成形工艺

①锻造工艺

      铸锭开坯加热温度为1000℃一1050℃，每火变形量控制在40%一50%。毛坯锻造加热温度为900℃一950℃，每火变形量控制在30%一40%。模锻加热温度为900℃一950℃，终锻温度不应低于650℃，为了达到成品零件应有的尺寸，其后的重复加热温度不应超过815℃，或大约低于β转变温度95 ℃

②冷热成形工艺

      工业纯钛由于塑性较好，强度不高，常用来制作饭金件、管材、箔材等，成形方式主要是冷态轧制，对于厚度较大的也可550℃一700℃热成形，以下是典型工业纯钛的成形性能。

1、板材成形性能

2、弯曲性能

3、弯曲的最小弯曲半径

③焊接工艺与性能

       工业纯钛适合余各种焊接，焊接处具有极好的流动特性，并有与基本材料相当的强度、塑性和耐腐蚀性能。（氩弧焊、点焊、缝焊、焊后热处理）。

工业纯钛焊接构件一般不需要进行焊后热处理，但对具有复杂焊缝设计上要求消除焊接应力的构建，可进行以下热处理：400℃-450℃，6h-8h,空冷；或500℃-600℃，1h-2h，空冷。

2、热处理

①退火

板材、带材、箔材及管材：630℃-815℃,15min-120min，空冷或更慢冷。捧材、线材及锻件:630℃一81500，11，一2h，空冷或更慢冷。

②去应力退火

    480℃一5959(: , 15min一360min，空冷或炉冷。LTA1;600℃一75090 , 1 h-4h，炉冷

③真空除氢退火

真空炉内的真空工作压强应不大于6.7x10-2Pa，加热温度550℃一800℃，保温时间1h一3h;当截面厚度大于50mm时保温时间应大于3h.    

3，表面处理

    ①表面清理。材料在600℃以上成形或热处理时所形成的氧化皮需进行表面清理。对于这种氧化皮的清理，首先用机械喷砂(刚玉砂)清除表面氧化皮，随后在2% --5%氢氟酸与硝酸的水溶液中酸洗。为了防止吸氢，硝酸与氢氟酸之比应大于l0:1酸洗时其溶液温度应控制在40℃一60℃之间。酸洗的增氢量应严格控制，不能超过0. 002 %。对于材料在600℃以下成形或去应力退火所形成的氧化皮的清理，只需在所述的溶液中直接酸洗，即可获得清洁的表面。

    ②表面硬化。当用钛制造具有相对运动的零件时，为了提高零件的耐磨性，零件的表面可进行氮化处理。氮化处理的表面硬度能达到600 KHN o

4.机械加工

    ①锯切。工业纯钛的锯切，可采用高速摩擦锯，其锯切线速度为1200m/min一1400m/min。亦可采用弓锯和带锯，一般采用高速钢锯条，并采用慢的切削速度和大走刀量。如果工件表面带有氧化皮或污染层则会使锯条大量磨损。另外，还可采用棕色刚玉或碳化硅砂轮片锯切，切削速度为10m/s一30m/s。

    ②切削加工。工业纯钛的切削加工特性类似于奥氏体不锈钢:因此，钛是属于难切削加工的材料，但采用锋利的刀具、大走刀量、较低的切削速度和溶油性冷却液，以及刚性强的工卡是能够顺利地进行机加工的。

    ③磨削。零件精加工时才使用磨削，磨削应保持小的磨削量，一般使用碳化硅或刚玉砂轮。采用碳化硅砂轮，其磨削表面速度应保持在1000m/min-1500m/min，而采用刚玉砂轮时，磨削速度可稍微低些。经过磨削的表面将产生表面应力，可根据零件使用要求，进行表面残余应力的消除。

四、主要性能

   ㈠、物理性能

   （1）密度P=4. 50g/cm3.

㈡、熔化温度范围1640℃-1670℃

㈢、热导率

㈣、比热容

㈤、膨胀系数

㈥、电阻率

㈦、磁性能：无磁性

㈧、抗氧化性能

㈨、耐腐蚀性能

①化学腐蚀厂钛及其合金对大部分化学介质具有突出的耐腐蚀性能但4种无机酸—氢氟酸、盐酸、硫酸、正磷酸和4种热浓有机酸—草酸、甲酸、万几氯(代)乙酸和只氟(代)乙酸，以及腐蚀性极强的氯化铝，对钛及其合金都有严重的腐蚀作用在这些介质中，除氢氟酸外，在其溶液中加人氧化剂(如硝酸)，可使其腐蚀程度降低，甚至不起腐蚀作用。工业纯钛在有机酸、无机酸、有机化合物、碱溶液和盐溶液中的耐蚀性分为3个等级:

    优良—耐腐蚀，腐蚀速率在0. 127mm/a以下。

    良好—比较耐腐蚀，腐蚀速率在0. 127mm/。一1. 27mm/。之间

    差—不耐腐蚀，腐蚀速率在1.27mm/a以上。

    钛对一些无水化学试剂，如甲醇和四氧化氮的应力腐蚀断裂是敏感的;微量水在两种情况下均抑制反应进行，然而在N204,介质中，NO是起主要作用的，在受抑制的N=0,中含有0. 4 % - 0. 8%的NO。红色发烟硝酸中含有低于1.5%的水和10% -20%的NOZ，它能导致金属产生裂纹并发生十分剧烈的反应。

    钛及其合金在高温下，对干燥的氯化钠的应力腐蚀也是敏感的。这种现象在实验室里的230℃ ,260℃或更高温度的试验中曾大量出现，偶而在制造车间里也能观察到。推荐使用不含氯的溶剂清洗工作温度高于230℃的零件。

    ②电化学腐蚀。在与大多数金属构成的原电池系统中，钛及其合金的电位是属于高价的正电位，从而使其他金属或合金与其接触时被腐蚀。钛的电位仅低于镍基合金。

    ③氢脆。对于钛及其合金来说，氢脆是一个重要问题。钛极易从酸洗液、腐蚀液和热加工(热变形和热处理)的高温气氛中吸收氢。钛及其合金的氢脆可以为下面两种形式之一。对于工业纯钛和。合金，氢脆表现为塑性降低.而强度稍有增加，同时还发现在低于93℃时，合金的冲击韧性降低，以及脆一塑转变温度范围发生变化。第二种形式类似于钢的脆化，是在恒载荷下或持续载荷下，进行慢速试验时出现的一种脆化现象。这种试验方法通常采用缺口试样，施加高于某一强度水平的应力，观察其脆性发生的行为。通常规定在使用状态的

钛及其合金的成品零件的氢含量应小于0. 015%。

    2.力学性能

五、工业纯钛应用情况

    工业纯钛以其优良的综合性能应用于各个领域。工业纯钛在飞机上主要用于非承力构件，例如TAI和TA2制造隔热内蒙皮、隔热板、机尾罩、减速板等。工业纯钛在船舶和化学工业方面也有广泛应用。在生物医学工程方面，TA1和TA2用于制造前路颈椎钛板、脊柱钉棍系统，头颅钛板、领面钛板及关节系统等。