低強(qiáng)度高塑性鈦合金

   一般將抗拉強(qiáng)度在700 MPa以下的鈦合金稱為低強(qiáng)度鈦合金，通常強(qiáng)度低，塑性比較好，因此也稱為高塑性鈦合金。這類鈦合金包括工業(yè)純鈦系列及近α型鈦合金，典型的如TC1鈦棒,TC2鈦棒,TA21鈦棒,TA16鈦棒,TA18鈦棒等，其中TA16鈦合金,TA18鈦合金主要為管材類專用鈦合金，因此放在管材部分討論。本節(jié)內(nèi)容以工業(yè)純鈦和TC1鈦棒,TC2鈦棒等為例介紹低強(qiáng)度高塑性鈦合金。

    低強(qiáng)度高塑性鈦合金的主要特點是工藝塑性特別好，能夠成形各種復(fù)雜零件，如鈑金件，并能進(jìn)行各種方式的焊接和機(jī)加工，還可加工成管材和鍛件等，主要制造各種非承力結(jié)構(gòu)件。

工業(yè)純鈦

    工業(yè)純鈦是指具有不同雜質(zhì)含量的未合金化鈦。其主要雜質(zhì)有Fe,Si,C,N,O,H。工業(yè)純鈦的強(qiáng)度水平主要取決于間隙元素0和N的含量。0和N在α鈦中具有高的溶解度，通過固溶強(qiáng)化。α相，可顯著提高強(qiáng)度，降低塑性。C在a鈦中的溶解度很小，因此對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不大。

    工業(yè)純鈦的強(qiáng)度在280MPa -720MPa范圍內(nèi)，具有較高的塑性和優(yōu)良的成形工藝性能，并且具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。工業(yè)純鈦還可以用各種方式進(jìn)行焊接，其接頭強(qiáng)度和塑性幾乎與基體金屬一樣。工業(yè)純鈦可以加工成各種半成品，包括鈦板、鈦箔、鈦棒材、鈦絲、鈦管、鈦鍛件、鈦鑄件等。

    工業(yè)純鈦以其優(yōu)良的綜合性能應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括航空、航天、船舶、化工、生物醫(yī)學(xué)、建筑、交通運輸?shù)取９I(yè)純鈦的長期工作溫度為300℃以下。

    工業(yè)純鈦主要包括TA1 ,TA2 ,TA3等。

一、材料簡介

工業(yè)純鈦按工藝分為變形工業(yè)純鈦TA1 ,TA2 ,TA3及鑄造工業(yè)純鈦ZTA1、ZTA2、ZTA3。對應(yīng)國外相近牌號如下:TAl—BT1 -0(俄羅斯)和Ti _ 40(美國);TA2—— Ti一55(美國);TA3--Ti一70(美國)。

二、相變及組織

㈠相變

    純鈦在正常壓力下有兩種同素異晶體:密排六方α一Ti和體心立方結(jié)構(gòu)β一Ti 。 882. 5℃以下為α一Ti，點陣常數(shù)α=2. 951 x10m,c/a=1. 587，比一般密排六方點陣的軸比1. 633略小。882. 5℃以上為β-Ti，點陣常數(shù)a=3.28x10 m , a--β轉(zhuǎn)變的體積效應(yīng)不大，約為0. 17%。工業(yè)純鈦的a-β轉(zhuǎn)變溫度為890℃一930℃。

㈡組織

    工業(yè)純鈦從β相區(qū)緩慢冷卻后為單一。a相組織。當(dāng)從β相區(qū)快速冷卻(> 200℃ /s)時，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，獲得針狀a相組織。冷卻速度較小時，由于強(qiáng)烈的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，不出現(xiàn)馬氏體針。如果從(a+β)區(qū)溫度淬火，會形成初生a相和a'馬氏體相不同比率的相組成。

三、應(yīng)用技術(shù)

1.成形工藝

①鍛造工藝

      鑄錠開坯加熱溫度為1000℃一1050℃，每火變形量控制在40%一50%。毛坯鍛造加熱溫度為900℃一950℃，每火變形量控制在30%一40%。模鍛加熱溫度為900℃一950℃，終鍛溫度不應(yīng)低于650℃，為了達(dá)到成品零件應(yīng)有的尺寸，其后的重復(fù)加熱溫度不應(yīng)超過815℃，或大約低于β轉(zhuǎn)變溫度95 ℃

②冷熱成形工藝

      工業(yè)純鈦由于塑性較好，強(qiáng)度不高，常用來制作飯金件、管材、箔材等，成形方式主要是冷態(tài)軋制，對于厚度較大的也可550℃一700℃熱成形，以下是典型工業(yè)純鈦的成形性能。

1、板材成形性能

2、彎曲性能

3、彎曲的最小彎曲半徑

③焊接工藝與性能

       工業(yè)純鈦適合余各種焊接，焊接處具有極好的流動特性，并有與基本材料相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、塑性和耐腐蝕性能。（氬弧焊、點焊、縫焊、焊后熱處理）。

工業(yè)純鈦焊接構(gòu)件一般不需要進(jìn)行焊后熱處理，但對具有復(fù)雜焊縫設(shè)計上要求消除焊接應(yīng)力的構(gòu)建，可進(jìn)行以下熱處理：400℃-450℃，6h-8h,空冷；或500℃-600℃，1h-2h，空冷。

2、熱處理

①退火

板材、帶材、箔材及管材：630℃-815℃,15min-120min，空冷或更慢冷。捧材、線材及鍛件:630℃一81500，11，一2h，空冷或更慢冷。

②去應(yīng)力退火

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

③真空除氫退火

真空爐內(nèi)的真空工作壓強(qiáng)應(yīng)不大于6.7x10-2Pa，加熱溫度550℃一800℃，保溫時間1h一3h;當(dāng)截面厚度大于50mm時保溫時間應(yīng)大于3h.    

3，表面處理

    ①表面清理。材料在600℃以上成形或熱處理時所形成的氧化皮需進(jìn)行表面清理。對于這種氧化皮的清理，首先用機(jī)械噴砂(剛玉砂)清除表面氧化皮，隨后在2% --5%氫氟酸與硝酸的水溶液中酸洗。為了防止吸氫，硝酸與氫氟酸之比應(yīng)大于l0:1酸洗時其溶液溫度應(yīng)控制在40℃一60℃之間。酸洗的增氫量應(yīng)嚴(yán)格控制，不能超過0. 002 %。對于材料在600℃以下成形或去應(yīng)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，即可獲得清潔的表面。

    ②表面硬化。當(dāng)用鈦制造具有相對運動的零件時，為了提高零件的耐磨性，零件的表面可進(jìn)行氮化處理。氮化處理的表面硬度能達(dá)到600 KHN o

4.機(jī)械加工

    ①鋸切。工業(yè)純鈦的鋸切，可采用高速摩擦鋸，其鋸切線速度為1200m/min一1400m/min。亦可采用弓鋸和帶鋸，一般采用高速鋼鋸條，并采用慢的切削速度和大走刀量。如果工件表面帶有氧化皮或污染層則會使鋸條大量磨損。另外，還可采用棕色剛玉或碳化硅砂輪片鋸切，切削速度為10m/s一30m/s。

    ②切削加工。工業(yè)純鈦的切削加工特性類似于奧氏體不銹鋼:因此，鈦是屬于難切削加工的材料，但采用鋒利的刀具、大走刀量、較低的切削速度和溶油性冷卻液，以及剛性強(qiáng)的工卡是能夠順利地進(jìn)行機(jī)加工的。

    ③磨削。零件精加工時才使用磨削，磨削應(yīng)保持小的磨削量，一般使用碳化硅或剛玉砂輪。采用碳化硅砂輪，其磨削表面速度應(yīng)保持在1000m/min-1500m/min，而采用剛玉砂輪時，磨削速度可稍微低些。經(jīng)過磨削的表面將產(chǎn)生表面應(yīng)力，可根據(jù)零件使用要求，進(jìn)行表面殘余應(yīng)力的消除。

四、主要性能

   ㈠、物理性能

   （1）密度P=4. 50g/cm3.

㈡、熔化溫度范圍1640℃-1670℃

㈢、熱導(dǎo)率

㈣、比熱容

㈤、膨脹系數(shù)

㈥、電阻率

㈦、磁性能：無磁性

㈧、抗氧化性能

㈨、耐腐蝕性能

①化學(xué)腐蝕廠鈦及其合金對大部分化學(xué)介質(zhì)具有突出的耐腐蝕性能但4種無機(jī)酸—氫氟酸、鹽酸、硫酸、正磷酸和4種熱濃有機(jī)酸—草酸、甲酸、萬幾氯(代)乙酸和只氟(代)乙酸，以及腐蝕性極強(qiáng)的氯化鋁，對鈦及其合金都有嚴(yán)重的腐蝕作用在這些介質(zhì)中，除氫氟酸外，在其溶液中加人氧化劑(如硝酸)，可使其腐蝕程度降低，甚至不起腐蝕作用。工業(yè)純鈦在有機(jī)酸、無機(jī)酸、有機(jī)化合物、堿溶液和鹽溶液中的耐蝕性分為3個等級:

    優(yōu)良—耐腐蝕，腐蝕速率在0. 127mm/a以下。

    良好—比較耐腐蝕，腐蝕速率在0. 127mm/。一1. 27mm/。之間

    差—不耐腐蝕，腐蝕速率在1.27mm/a以上。

    鈦對一些無水化學(xué)試劑，如甲醇和四氧化氮的應(yīng)力腐蝕斷裂是敏感的;微量水在兩種情況下均抑制反應(yīng)進(jìn)行，然而在N204,介質(zhì)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。紅色發(fā)煙硝酸中含有低于1.5%的水和10% -20%的NOZ，它能導(dǎo)致金屬產(chǎn)生裂紋并發(fā)生十分劇烈的反應(yīng)。

    鈦及其合金在高溫下，對干燥的氯化鈉的應(yīng)力腐蝕也是敏感的。這種現(xiàn)象在實驗室里的230℃ ,260℃或更高溫度的試驗中曾大量出現(xiàn)，偶而在制造車間里也能觀察到。推薦使用不含氯的溶劑清洗工作溫度高于230℃的零件。

    ②電化學(xué)腐蝕。在與大多數(shù)金屬構(gòu)成的原電池系統(tǒng)中，鈦及其合金的電位是屬于高價的正電位，從而使其他金屬或合金與其接觸時被腐蝕。鈦的電位僅低于鎳基合金。

    ③氫脆。對于鈦及其合金來說，氫脆是一個重要問題。鈦極易從酸洗液、腐蝕液和熱加工(熱變形和熱處理)的高溫氣氛中吸收氫。鈦及其合金的氫脆可以為下面兩種形式之一。對于工業(yè)純鈦和。合金，氫脆表現(xiàn)為塑性降低.而強(qiáng)度稍有增加，同時還發(fā)現(xiàn)在低于93℃時，合金的沖擊韌性降低，以及脆一塑轉(zhuǎn)變溫度范圍發(fā)生變化。第二種形式類似于鋼的脆化，是在恒載荷下或持續(xù)載荷下，進(jìn)行慢速試驗時出現(xiàn)的一種脆化現(xiàn)象。這種試驗方法通常采用缺口試樣，施加高于某一強(qiáng)度水平的應(yīng)力，觀察其脆性發(fā)生的行為。通常規(guī)定在使用狀態(tài)的

鈦及其合金的成品零件的氫含量應(yīng)小于0. 015%。

    2.力學(xué)性能

五、工業(yè)純鈦應(yīng)用情況

    工業(yè)純鈦以其優(yōu)良的綜合性能應(yīng)用于各個領(lǐng)域。工業(yè)純鈦在飛機(jī)上主要用于非承力構(gòu)件，例如TAI和TA2制造隔熱內(nèi)蒙皮、隔熱板、機(jī)尾罩、減速板等。工業(yè)純鈦在船舶和化學(xué)工業(yè)方面也有廣泛應(yīng)用。在生物醫(yī)學(xué)工程方面，TA1和TA2用于制造前路頸椎鈦板、脊柱釘棍系統(tǒng)，頭顱鈦板、領(lǐng)面鈦板及關(guān)節(jié)系統(tǒng)等。