利泰金属一站式解析工业用钛合金常用牌号用途及分类

目前供工业上选用的钛和钛合金的牌号达30~40种之多。这些钛和钛合金按其结晶组织不同可分为α钛合金、β钛合金、α+β钛合金、近α钛合金和近β钛合金等五类（详见表0-1）。

但各国常用钛合金也只有10种左右。例如，根据1979年美国消耗钛材统计：其中 Ti-6Al-4V占全部用钛量的52%；工业纯钛占29%；Ti-5Al-2.5Sn占5%；Ti-6Al-6V-2Sn占6%；Ti-8Mn占<1%；Ti-13V-11Cr-3Al占<1%；Ti-8Al-1Mo-1V占3%；Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo占2%；Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo占1%；其他钛合金占<1%。这些钛合金制品中，板、带轧材占24%；锻件占39%；棒、丝材占22%；管材占14%；铸制件占1%。日本工业用的钛合金，工业纯钛占90%以上。

现将工业上常用的钛合金按用途分述如下：

1、耐蚀钛及钛合金

1）工业纯钛  工业上大量的用作耐蚀材料的仍然是工业纯钛。这是因为工业纯钛对于海水、湿氯气及氧化性、中性、弱还原性和加入缓蚀剂的还原性介质中具有良好的耐蚀性；而且综合机械性能和加工工艺性能亦较优越；价格也较钛合金为低。因此，只有在工业纯钛不能满足耐蚀性能要求的情况下，才使用其他的耐蚀钛合金。我国将工业纯钛分成三级，即TA1、TA2和TA3。这三种工业纯钛的间隙元素是逐渐增加的；而机械强度和硬度也随着逐级增加。工业上常用的钛合金是TA2。这种钛合金的耐蚀性能和综合机械性能适中。对耐磨和强度的要求较高时可采用TA3。对要求较好的成型性能时可采用TA1。各级工业纯钛有相似的耐蚀性能。在某些情况下，特别在强氧化性或还原性酸中，由于钛中含有铁元素杂质引起热影响区的金相组织变化，使其耐蚀性能降低。在这种条件下，应考虑钛中的铁含量不超过0.05%。

2）Ti-(0.15~0.20)Pd合金  这种合金与工业纯钛相比，具有下列三个优点：

a. 既对氧化性介质具有优良的耐蚀性能；又对弱的还原性介质具有一定的耐蚀能力。如Ti-0.2Pb对硝酸的耐蚀性能和工业纯钛一样好；但对稀盐酸和稀硫酸的耐蚀性能却比纯钛高500~1000倍。

b. 具有较好的耐缝隙腐蚀能力。工业纯钛对缝隙腐蚀比较敏感，往往由于钛制设备中存在间隙，而导致此处加速腐蚀。如果在间隙处采用Ti-(0.15~0.20)Pd代替工业纯钛，则可消除缝隙腐蚀。

c. 吸氢能力小，不易产生氢脆。工业纯钛在高温是能大量吸氢。特别是对于腐蚀时产生的原子氢更易吸收，导致氢脆。Ti-(0.15~0.20)Pd表面生成的氧化膜具有较高的抗氢渗透能力，故抗氢脆的能力比工业纯钛的能力要大很多。

但这种钛合金对强还原性介质并不耐蚀；而且含有稀贵的铂族金属——钯。它的物理、机械性能、加工工艺性能和工业纯钛相似。目前用这种合金制造的列管式换热器，用于稀盐酸和磷酸中；在纺织工业中用它制作喷丝头；在乙醛和对苯二甲酸装置中所有钛设备的法兰衬环和菱形垫片也均用这种合金，其使用效果良好。

3）Ti-0.3Mo-0.8Ni钛合金  这种合金改善了工业纯钛在还原性介质中的耐蚀性能；而且它保持了工业纯钛耐硝酸、铬酸等氧化性介质的耐蚀性能。例如，它在室温的10%硫酸、10%盐酸以及中等浓度的甲酸和柠檬酸中均具有较好的耐蚀性能；而工业纯钛在这些介质中则被活性溶解。并且它具有优良的耐缝隙腐蚀性能。它含有的合金元素较少；特别是不含有稀贵的铂族元素（如钯等）。因此，它的价格仅比工业纯钛高10%。它的加工工艺性能、焊接性能和工业纯钛接近；而在200~300℃的温度下的强度较工业纯钛高1.5~2倍。由于这种合金具有这些优点，因此，它可能取代工业纯钛在高温海水、盐水、湿氯气以及各种高温、高浓度的氯化物中使用。

4）Ti-Mo合金  Ti-32Mo合金在沸腾的40%硫酸和20%盐酸溶液中的耐蚀性能较工业纯钛有显著提高，是目前最耐还原性介质腐蚀的钛合金之一。但它在氧化性介质中的耐蚀性能却很低；而且由于钼含量过高，使合金变脆，加工工艺性能变差。为了克服这种合金由于高钼含量所带来的缺点，在钛相合金的基础上添加了铌、钒、锆和钯。使这种合金既保持了钛—钼合金的优良的耐蚀性能；又改善了它们的加工工艺性能。例如，Ti-15Mo-5Zr合金，不仅避免了Ti-15Mo合金中的w相析出而引起的合金脆化，改善了他的冷加工工艺性能和焊接性能；而且还改善了它的耐蚀性能。又如：Ti-15Mo-0.2Pd合金在氧化性和还原性介质中都有较好的耐蚀性能。这一合金由于含有大量的高熔点、高比重的钼，要以工业规模生产无偏析杂质成分均匀的合金锭是比较困难的。故目前多用粉末冶金的方法来生产Ti-Mo合金制品。

6）Ti-2Ni合金  这种钛合金作为脱盐装置的结构材料，使用温度可高达200℃左右；而工业纯钛只能达到121℃左右。并且它的耐缝隙腐蚀性能较工业纯钛为优。但这种合金的适用范围比Ti-Pd、Ti-Mo系合金窄很多。它只是在蚁酸、热熔氯化镁溶液中的耐蚀性较工业纯钛为优；但在盐酸、硫酸中的耐蚀性比纯钛还差。所以Ti-2Ni合金一般只限于在中性或弱还原性的盐液中使用。

7）Ti-6Al-4V（TC4）合金  这是一种广泛使用的钛合金。它的耐蚀性能比工业纯钛稍差，但对海水、许多酸、碱和其他腐蚀性介质仍具有令人满意的耐蚀性能。它具有良好的综合机械性能。直至400℃时，还有较好的强度。在-200℃时仍具有较好的延性和韧性。这种合金的加工工艺性能良好，可以冷、热成型；在防止污染的情况下，其成行性类似于不锈钢，易于熔焊和电阻焊，可进行各种机加工。并可进行热处理，在经过固溶淬火后，可获得较大的强化效果。所以，这种合金一般用在要求高强度或高疲劳性能的耐腐蚀场合；而且由于这种合金耐热性能良好，可用作450℃以下使用的压气机叶片和盘。

8）Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo合金  这种合金对抵抗高流速海水的磨蚀和应力腐蚀破裂的性能良好；同时又具有较好的韧性和焊接性能，是一种较好的船用钛合金。

2、热强钛合金

1）Ti-5Al-2.5Sn(TA7)  这种合金在退火状态下具有中等强度水平（抗拉强度在80公斤·力/毫米2左右）和足够的延性，焊接性能良好。它可作为500℃以下使用的结构材料。短时使用可达900℃。它的板材和棒材在350℃下的抗拉强度可达到50公斤·力/毫米2；经过100小时的持久强度可达到45公斤·力/毫米2。

2）Ti-5Al-2.5Sn-3Cu-1.5Zr(TA8)  这是一种沉淀硬化效应的α+化合物合金。它具有较高的室温抗拉强度（抗拉强度在100公斤·力/毫米2以上）和较好的耐热性能，可作为450℃温度下工作的压气机叶片和盘的材料。在该温度下，棒材的抗拉强度可达到72公斤·力/毫米2；经过100小时的持久强度可达到70公斤·力/毫米2，蠕变强度可达到公斤·力/毫米2。

3）Ti-6Al-0.6Cr-0.4Fe-0.4Si-0.01B(TC7)  这是一种弥散化合物析出的α+β合金。该合金在500℃下，其抗拉强度可达到60公斤·力/毫米2；而且焊接性能良好。它主要以板材和棒材形式应用在500℃以下的飞机发动机构件上。

4）Ti-6.5Al-3.5Mo-2.5Sn-0.3Si(TC9)  这是目前国内在450~500℃下使用较好的耐热钛合金。它具有较高的强度水平；并具有较好的高温力学性能和热稳定性。在常温的抗拉强度可达到110公斤·力/毫米2左右，在500℃下的抗拉强度保持在85公斤·力/毫米2左右和经100小时的持久强度可达到62公斤·力/毫米2。所以这种合金可在500℃下长期使用。

5）BT25合金  这是一种Ti-Al-Zr-Sn-Mo-W-Si系的变形热强钛合金，属于马氏体型α+β两相钛合金。该合金经过950~970℃，1小时，空冷+560℃，6小时，空冷的热处理，所得的室温机械性能和500℃、100小时的热稳定性最好。室温的抗拉强度为105公斤·力/毫米2；当温度提高到550℃时抗拉强度约为80~85公斤·力/毫米2，600℃时为66~78公斤·力/毫米2。循环基数为2X107的疲劳极限：室温下为50~52公斤·力/毫米2；500℃下为40~42公斤·力/毫米2。在450℃加热到10000小时，在500℃加热到6000小时，在550℃加热到3000小时，都具有满意的热稳定性。所以这种合金可在550℃下使用。而且的焊接性能和工艺塑性良好，是制造压气机零件的理想材料。

3、 低温用的钛合金

1）Ti-13V-11Cr-3Al  这种钛合金在-100℃以下，其延性才开始明显降低，故可用作-100℃时的结构材料。在-100℃时，它的延伸率约为16%；拉伸强度约为130公斤·力/毫米2。

2）Ti-6Al-4V(ELI)  这种低间隙元素的钛合金在-200℃时，其延伸率才开始明显降低，故可用作在-200℃下使用的设备结构材料。但在-200℃时，这种合金的延伸率只有10%左右。这是在低温下使用这种合金必须注意的。

3）Ti-5Al-2.5Sn(ELI)  这种低间隙元素的钛合金在-250℃以下时，其延伸率尚无明显的变化，仍保持在15%左右，而拉伸强度却上升到140公斤·力/毫米2以上。为了保持这种合金的良好低温性能，必须严格控制它的间隙元素含量。如铁的含量应控制在0.25%以下；氧的含量应低于0.12%；其他间隙元素（氢、氮、碳）的含量也应低于普通合金的含量。

4）工业纯钛（TA1、TA2）  这两种工业纯钛在铁含量为0.095%，氧含量为0.08%；氢含量为0.0009%；氮含量为0.0062%时，在-269℃时的抗拉强度为65~80公斤·力/毫米2，约为室温时抗拉强度的两倍。其延伸率由室温时的50%降至40%，但仍具有较高的延性。因此，这两种工业纯钛可用作-253℃以下的低温材料。

4、钛基特殊功能材料

1）含50%钛的铌—钛超导合金，在-4K时具有超导特性。这种超导合金已开始在工业上使用。

2）含50%钛的镍—钛合金具有明显的形状记忆效应。这种合金已成功的应用在宇航自展天线、航空工业中自张开销钉、油管接头、记忆铆钉以及医疗器械、热机等装置。

3）钛—铁合金具有贮氢特性，是很好的贮氢材料。这种合金的研制成功，解决了氢气的贮存和运输的困难。日本等国正在用钛—铁贮氢装置装置氢气汽车。

如何正确的使用钛

虽然钛及其合金具有比强高、高温和低温性能好、耐腐蚀等优点；如果使用不当，未能扬长避短，仍会达不到预期的效果，反而造成不应有的损失。如何正确的使用钛呢？在选用钛材时应仔细的考虑下类问题：

1、腐蚀环境  

工业纯钛和其他钛合金在中性、氧化性的环境中，具有优良的耐蚀性能。在弱的还原性环境中也保持着钝态。在强的还原性酸中被腐蚀；但在与腐蚀防止剂共存的还原性环境中耐蚀性良好，即使对于王水也有良好的耐蚀性。在高温盐类、湿氯气、硝酸、各种漂白剂等腐蚀环境中具有耐蚀性。钛在数伏电压之下作为阳极处于钝性，所以被利用在阳极处理、电解和电镀中。在海水中不产生点蚀和缝隙腐蚀。有较大的抵抗应力腐蚀破裂、接触腐蚀和磨蚀的能力。对有机酸除蚁酸（不通气）等以外都具有较好的耐蚀性能。焊接几乎不降低钛的耐蚀性。虽然钛材在上述的腐蚀性介质中具有优良的耐蚀性能；但在选用钛材作为耐蚀材料时，仍必须注意以下几点：

1）工业纯钛在静止的高温、高溶度的硝酸溶液中的耐蚀性能较好；但在流动的硝酸溶液中往往由于缺少缓蚀作用的四价钛离子而遭到腐蚀。故在这种环境中采用钛时应选用Ti-5Ta合金。

2）钛在海水和氯化物溶液中不发生点蚀；但在含有氯化镁、氯化铝、氯化铜、氯化锌和氯化钙的沸腾溶液中发生点蚀。工业纯钛在温度高于90℃的海水中有发生缝隙腐蚀的可能性，故在这种环境中，推荐选用Ti-0.2Pb合金。

3）工业纯钛在碳氢化合物既含氯、氟的碳氢化合物中不发生腐蚀。但在有水的情况下，水解而产生盐酸和氢氟酸，对钛产生腐蚀。当碳氢化合物在高温下分解而产生氢时，钛可能吸收氢，而产生氢脆。

4）钛不受潮湿氯气（含1%以上的水分）以及二氧化硫、二氧化碳、硫化氢等气体的腐蚀；但在干燥的氯气中遭受腐蚀；并引起着火自燃。在-253~93℃温度范围内，钛对氢和过氧化氮的耐蚀性优良；但在气态氧、液态氧和某些氧分压高的水溶液中，也可能引起钛着火自燃。在这种环境中使用钛时，必须慎重。

5）工业纯钛一般不发生应力腐蚀破裂；但在含有微量盐酸的甲醇、乙醇为主的有机溶剂中和在发烟硝酸中易发生应力腐蚀破裂或着火自燃。

6）钛与电位较低的金属接触，则低电位金属发生腐蚀。腐蚀的程度取决于与钛接触的金属表面积比例。

7）虽然钛对于PH值大于9的碱也具有较好的耐蚀性能；但由于在较高的温度下易产生氢脆，因此，钛仅用在低温下的碱液中。当碱液中含有游离氯时，则提高钛对碱液的耐蚀性。反之，当碱液中含有氧和氨时，，则加剧碱液对钛的腐蚀。

2、钛的化学、物理、机械性能的特点

钛和钛合金与其他金属一样，在化学、物理和机械性能方面具有它独自的特点。有些性能不同于碳钢、不锈钢等黑色金属；也不同于常用的有色金属——铝、铅等。因此，在使用钛材时必须注意以下的这些特点：

1）钛是一种化学性质非常活泼的金属，在较高温度下可与许多元素和化合物发生反应，特别是与空气中的氮、氧、氢等气体发生反应，使钛的性能变坏。这是在钛的熔炼、加工、制造和使用过程中必须认真考虑的一个问题。

2）钛的线膨胀系数约为碳钢的三分之二；相当于不锈钢的一半。当用钛制造碳钢或不锈钢容器的衬里时；或者用钛制造管壳式热交换器列管，而外壳用碳钢或不锈钢制造时，要认真考虑设备在升降温过程中，衬里和列管承受的热应力。

3）钛的导热系数比碳钢小4.5倍，比不锈钢稍低。因此，钛制设备在高温下使用时，在壳壁中易形成高的温度梯度，导致产生较大的热应力或热疲劳应力。但此缺点为它的线膨胀系数较低而有所补偿。因此，钛的导热系数虽低；但不影响传热效率。这是由于钛具有较好的抗污染能力；不是气体呈膜状凝结而成滴状凝结；能耐较高流速的冲刷腐蚀，能使设备壁或管壁做得很薄的高强度等特点。因此，钛具有较好的传热性能。

4）钛的熔点较高，通常为1668±4℃。比碳钢约高130℃、比不锈钢约高243℃。再加上它的导热系数较低。因此，焊缝金属在高温区的停留时间稍长，宜造成晶粒粗大，塑性降低和焊接时易产生较大的残余应力。这是在设计焊接结构是必须仔细考虑的。

5）钛的导电性较差。若以铜的导电率为100%，则钛仅为3.1%。但它的导电率接近于不锈钢。这是在设计钛电极时必须考虑的。

6）钛的弹性模量较低，约为碳钢或不锈钢的二分之一左右。所以在设计抗弯曲的构件时，应给于特别的注意。

7）钛具有显著的回弹特性，其回弹能力是不锈钢冷成形时的2~3倍。这是由于钛的屈服限与弹性模量比值大和屈强比也较大，以致在成形时零件内部存在着较大的应力。所以钛设备一般不适于冷态冲压加工；而需要用热成型或者冷冲压热矫形工艺。

8）钛和不锈钢一样，容易发生粘连。因此，对于未经特殊处理的钛不易制作承受摩擦的工件；否则，他们会因擦伤或咬死而迅速报废。在不得不采用钛作为运动元件时，必须选择可以使钛承受摩擦的材料（如塑料）制成摩擦副件；或者表面进行硬化处理；或者使用不同牌号的钛合金制成摩擦副。在螺旋摩擦副中应采用间隙较大的螺旋配合或加润滑剂。

9）钛的抗拉强度随着温度的升高而降低。当温度达到250℃时，其抗拉强度只有室温下的一半。而且钛的拉伸曲线没有物理屈服极限，只有条件屈服极限。因此，在计算钛设备的强度时，必须选用设计温度下的强度限。

10）钛的抗蠕变性能差，不仅在高温，即使在常温下也发生蠕变行为。它的蠕变极限通常先随温度增加而降低；但到120℃时，蠕变极限开始重新增加，在200℃时达最大值。此后，蠕变极限又随温度继续增加而降低。通常在200~300℃的温度范围内遵循稳定的蠕变特性。因此，在计算钛制设备强度时，不仅需要按设计温度下的强度限计算；而且还需按蠕变限进行校核。

11）工业纯钛的塑性与温度有特殊的关系。由室温至200℃时，钛的相对延伸率增加。在继续升温，则开始下降。在450~500℃时相对延伸率达到最小值，随后又明显上升。因此，它的使用温度最好不超过350℃。

12）国产工业纯钛的冲击强度较低，有的在室温下仅8.0公斤·米/厘米2。但随着温度的上升而增加。当温度超过200℃时，冲击强度迅速增加。到550℃时，冲击强度可达18公斤·米/厘米2左右。而且它的冲击值随着杂质含量增加而降低。所以在设计钛制设备时，应尽量避免应力集中，防止产生过大的局部峰值应力。

13）钛的硬度和强度随着冷变形的程度增加而增加。如冷变形度为80%的试样的强度极限比完全退火的试样大1倍。随着冷变形程度的提高，延伸率值迅速下降。当冷变形度超过50%时，延伸率降到10%以后，不再继续下降。而且钛的机械性能与变形速率有关。当拉伸速率由0.01分钟提高到1.5分钟时，它的强度限由36.5公斤·力/毫米2提高到42.5公斤·力/毫米2；延伸率明显下降，随后又上升。因此，钛材在冷冲压时，要严格控制变形程度和变形速率。

14）钛具有较优良的抗疲劳性能；但对缺口的敏感性较高。在旋转弯曲实验中，其疲劳强度对拉伸强度的比值约为60%；而一般碳钢仅是拉伸强度的45%左右。表面光洁度对疲劳强度也有较大的影响。高度抛光表面的试棒比机加工表面的试棒具有较高的疲劳强度。所以在设计钛制设备时，应避免结构的不连续性和焊缝应尽可能平滑。

15）钛不能与其他金属熔焊。这是因为钛的熔点比其他金属高；而且已形成脆性的金属间化合物，引起焊缝脆化。在容器内进行部分衬里时应特别注意结点的设计。在需要与其他金属连接时，可采用粘接、钎焊、爆炸焊和螺栓连接。

16）钛设备的焊接接头设计和其他金属采用的接头形式相似；但由于熔融钛具有更大的流动性。因此，它比其他金属装配的更紧密。在对接焊薄板时，对于等边对接接头通常不留钝边间隙。如果街头装配的满意的话，这些焊缝可不加填充焊丝。当板厚超过1.5毫米时，为了保证焊透，采用留钝边间隙或单V型坡口。对于这些接头要求增加焊丝。对于厚板或厚断面采用单V型或双V型坡口。在这些情况下，接头应设计成需要最小的焊道和便于焊缝根部保护。

17）在设计钛铸件时，应该牢记钛具有较窄的液相线——固相线的温度区间。这种迅速凝固的倾向有利于铸件的定向凝固；但往往导致在热量集中的地方产生裂纹和缩孔。钛铸件的各相邻部位应避免厚薄截面的急剧变化和尖角。在无法避免时，无论是厚度变化或是尖角部位，都应该有足够半径的圆角过渡。铸件的界面应该是带有锥度的均匀截面。在所有的垂直面上，都应该考虑较大的拔模斜度；并应考虑冒口位置和除去这些浇冒口后不需要精磨。

18）钛的攻丝是比较难的工序。这是因为丝锥中有限切屑沟和钛的严重粘着作用，均导致螺纹恶化。当切削终止时钛易紧锁在丝锥上，导致丝锥断裂。因此，在设计钛设备时应避免盲孔和过长的通孔；同时应适当放松配合等级公差。

19）国产钛管的延伸率在28~40%的范围内波动；而不锈钢的延伸率在50~60%的范围内。因此，钛制管壳式换热器的胀管间隙应比不锈钢制的小；否则，在胀接时列管易出现裂纹。

20）钛在切削过程中，由于产生塑性变形，和在高的切削温度下，钛很容易吸收大气中的氧、氮形成硬而脆的外皮，而产生加工硬化现象。其结果不仅降低零件的疲劳强度；而且会加剧刀具的磨损和给以后的加工带来困难。因此，在切削钛材时一般选用较低的切削速度、较大的切削深度和进给量。并且采用合适的冷却润滑液，进行高压冷却。来降低切削温度，提高加工表面质量和刀具的耐用度。

21）钛板料具有各向异性。通常垂直于轧制方向弯曲比平行于轧制方向弯曲性能好。

3、钛的经济性

目前钛的价格较贵。因此，在设计中必须注意钛材仅用在有腐蚀的部位，而不用作不接触腐蚀介质的支承构件。只要有可能，与容器结构有关的全部应力，应该用碳钢或其他类似的廉价金属来承担，钛材仅起耐腐蚀的作用。钛制品在加工过程中应尽量减少废屑的产生，提高钛材的利用率。因此，尽可能采用精密铸造、粉末冶金、模锻、超塑性和等温锻造成型、旋压、扩散焊接以及爆炸复合等先进工艺生产钛制品。