利泰金屬一站式解析工業用鈦合金常用牌號用途及分類

目前供工業上選用的鈦和鈦合金的牌號達30~40種之多。這些鈦和鈦合金按其結晶組織不同可分為α鈦合金、β鈦合金、α+β鈦合金、近α鈦合金和近β鈦合金等五類（詳見表0-1）。

但各國常用鈦合金也只有10種左右。例如，根據1979年美國消耗鈦材統計：其中 Ti-6Al-4V占全部用鈦量的52%；工業純鈦占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%；其他鈦合金占<1%。這些鈦合金制品中，板、帶軋材占24%；鍛件占39%；棒、絲材占22%；管材占14%；鑄制件占1%。日本工業用的鈦合金，工業純鈦占90%以上。

現將工業上常用的鈦合金按用途分述如下：

1、耐蝕鈦及鈦合金

1）工業純鈦  工業上大量的用作耐蝕材料的仍然是工業純鈦。這是因為工業純鈦對于海水、濕氯氣及氧化性、中性、弱還原性和加入緩蝕劑的還原性介質中具有良好的耐蝕性；而且綜合機械性能和加工工藝性能亦較優越；價格也較鈦合金為低。因此，只有在工業純鈦不能滿足耐蝕性能要求的情況下，才使用其他的耐蝕鈦合金。我國將工業純鈦分成三級，即TA1、TA2和TA3。這三種工業純鈦的間隙元素是逐漸增加的；而機械強度和硬度也隨著逐級增加。工業上常用的鈦合金是TA2。這種鈦合金的耐蝕性能和綜合機械性能適中。對耐磨和強度的要求較高時可采用TA3。對要求較好的成型性能時可采用TA1。各級工業純鈦有相似的耐蝕性能。在某些情況下，特別在強氧化性或還原性酸中，由于鈦中含有鐵元素雜質引起熱影響區的金相組織變化，使其耐蝕性能降低。在這種條件下，應考慮鈦中的鐵含量不超過0.05%。

2）Ti-(0.15~0.20)Pd合金  這種合金與工業純鈦相比，具有下列三個優點：

a. 既對氧化性介質具有優良的耐蝕性能；又對弱的還原性介質具有一定的耐蝕能力。如Ti-0.2Pb對硝酸的耐蝕性能和工業純鈦一樣好；但對稀鹽酸和稀硫酸的耐蝕性能卻比純鈦高500~1000倍。

b. 具有較好的耐縫隙腐蝕能力。工業純鈦對縫隙腐蝕比較敏感，往往由于鈦制設備中存在間隙，而導致此處加速腐蝕。如果在間隙處采用Ti-(0.15~0.20)Pd代替工業純鈦，則可消除縫隙腐蝕。

c. 吸氫能力小，不易產生氫脆。工業純鈦在高溫是能大量吸氫。特別是對于腐蝕時產生的原子氫更易吸收，導致氫脆。Ti-(0.15~0.20)Pd表面生成的氧化膜具有較高的抗氫滲透能力，故抗氫脆的能力比工業純鈦的能力要大很多。

但這種鈦合金對強還原性介質并不耐蝕；而且含有稀貴的鉑族金屬——鈀。它的物理、機械性能、加工工藝性能和工業純鈦相似。目前用這種合金制造的列管式換熱器，用于稀鹽酸和磷酸中；在紡織工業中用它制作噴絲頭；在乙醛和對苯二甲酸裝置中所有鈦設備的法蘭襯環和菱形墊片也均用這種合金，其使用效果良好。

3）Ti-0.3Mo-0.8Ni鈦合金  這種合金改善了工業純鈦在還原性介質中的耐蝕性能；而且它保持了工業純鈦耐硝酸、鉻酸等氧化性介質的耐蝕性能。例如，它在室溫的10%硫酸、10%鹽酸以及中等濃度的甲酸和檸檬酸中均具有較好的耐蝕性能；而工業純鈦在這些介質中則被活性溶解。并且它具有優良的耐縫隙腐蝕性能。它含有的合金元素較少；特別是不含有稀貴的鉑族元素（如鈀等）。因此，它的價格僅比工業純鈦高10%。它的加工工藝性能、焊接性能和工業純鈦接近；而在200~300℃的溫度下的強度較工業純鈦高1.5~2倍。由于這種合金具有這些優點，因此，它可能取代工業純鈦在高溫海水、鹽水、濕氯氣以及各種高溫、高濃度的氯化物中使用。

4）Ti-Mo合金  Ti-32Mo合金在沸騰的40%硫酸和20%鹽酸溶液中的耐蝕性能較工業純鈦有顯著提高，是目前最耐還原性介質腐蝕的鈦合金之一。但它在氧化性介質中的耐蝕性能卻很低；而且由于鉬含量過高，使合金變脆，加工工藝性能變差。為了克服這種合金由于高鉬含量所帶來的缺點，在鈦相合金的基礎上添加了鈮、釩、鋯和鈀。使這種合金既保持了鈦—鉬合金的優良的耐蝕性能；又改善了它們的加工工藝性能。例如，Ti-15Mo-5Zr合金，不僅避免了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藝性能和焊接性能；而且還改善了它的耐蝕性能。又如：Ti-15Mo-0.2Pd合金在氧化性和還原性介質中都有較好的耐蝕性能。這一合金由于含有大量的高熔點、高比重的鉬，要以工業規模生產無偏析雜質成分均勻的合金錠是比較困難的。故目前多用粉末冶金的方法來生產Ti-Mo合金制品。

6）Ti-2Ni合金  這種鈦合金作為脫鹽裝置的結構材料，使用溫度可高達200℃左右；而工業純鈦只能達到121℃左右。并且它的耐縫隙腐蝕性能較工業純鈦為優。但這種合金的適用范圍比Ti-Pd、Ti-Mo系合金窄很多。它只是在蟻酸、熱熔氯化鎂溶液中的耐蝕性較工業純鈦為優；但在鹽酸、硫酸中的耐蝕性比純鈦還差。所以Ti-2Ni合金一般只限于在中性或弱還原性的鹽液中使用。

7）Ti-6Al-4V（TC4）合金  這是一種廣泛使用的鈦合金。它的耐蝕性能比工業純鈦稍差，但對海水、許多酸、堿和其他腐蝕性介質仍具有令人滿意的耐蝕性能。它具有良好的綜合機械性能。直至400℃時，還有較好的強度。在-200℃時仍具有較好的延性和韌性。這種合金的加工工藝性能良好，可以冷、熱成型；在防止污染的情況下，其成行性類似于不銹鋼，易于熔焊和電阻焊，可進行各種機加工。并可進行熱處理，在經過固溶淬火后，可獲得較大的強化效果。所以，這種合金一般用在要求高強度或高疲勞性能的耐腐蝕場合；而且由于這種合金耐熱性能良好，可用作450℃以下使用的壓氣機葉片和盤。

8）Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo合金  這種合金對抵抗高流速海水的磨蝕和應力腐蝕破裂的性能良好；同時又具有較好的韌性和焊接性能，是一種較好的船用鈦合金。

2、熱強鈦合金

1）Ti-5Al-2.5Sn(TA7)  這種合金在退火狀態下具有中等強度水平（抗拉強度在80公斤·力/毫米2左右）和足夠的延性，焊接性能良好。它可作為500℃以下使用的結構材料。短時使用可達900℃。它的板材和棒材在350℃下的抗拉強度可達到50公斤·力/毫米2；經過100小時的持久強度可達到45公斤·力/毫米2。

2）Ti-5Al-2.5Sn-3Cu-1.5Zr(TA8)  這是一種沉淀硬化效應的α+化合物合金。它具有較高的室溫抗拉強度（抗拉強度在100公斤·力/毫米2以上）和較好的耐熱性能，可作為450℃溫度下工作的壓氣機葉片和盤的材料。在該溫度下，棒材的抗拉強度可達到72公斤·力/毫米2；經過100小時的持久強度可達到70公斤·力/毫米2，蠕變強度可達到公斤·力/毫米2。

3）Ti-6Al-0.6Cr-0.4Fe-0.4Si-0.01B(TC7)  這是一種彌散化合物析出的α+β合金。該合金在500℃下，其抗拉強度可達到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應用在500℃以下的飛機發動機構件上。

4）Ti-6.5Al-3.5Mo-2.5Sn-0.3Si(TC9)  這是目前國內在450~500℃下使用較好的耐熱鈦合金。它具有較高的強度水平；并具有較好的高溫力學性能和熱穩定性。在常溫的抗拉強度可達到110公斤·力/毫米2左右，在500℃下的抗拉強度保持在85公斤·力/毫米2左右和經100小時的持久強度可達到62公斤·力/毫米2。所以這種合金可在500℃下長期使用。

5）BT25合金  這是一種Ti-Al-Zr-Sn-Mo-W-Si系的變形熱強鈦合金，屬于馬氏體型α+β兩相鈦合金。該合金經過950~970℃，1小時，空冷+560℃，6小時，空冷的熱處理，所得的室溫機械性能和500℃、100小時的熱穩定性最好。室溫的抗拉強度為105公斤·力/毫米2；當溫度提高到550℃時抗拉強度約為80~85公斤·力/毫米2，600℃時為66~78公斤·力/毫米2。循環基數為2X107的疲勞極限：室溫下為50~52公斤·力/毫米2；500℃下為40~42公斤·力/毫米2。在450℃加熱到10000小時，在500℃加熱到6000小時，在550℃加熱到3000小時，都具有滿意的熱穩定性。所以這種合金可在550℃下使用。而且的焊接性能和工藝塑性良好，是制造壓氣機零件的理想材料。

3、 低溫用的鈦合金

1）Ti-13V-11Cr-3Al  這種鈦合金在-100℃以下，其延性才開始明顯降低，故可用作-100℃時的結構材料。在-100℃時，它的延伸率約為16%；拉伸強度約為130公斤·力/毫米2。

2）Ti-6Al-4V(ELI)  這種低間隙元素的鈦合金在-200℃時，其延伸率才開始明顯降低，故可用作在-200℃下使用的設備結構材料。但在-200℃時，這種合金的延伸率只有10%左右。這是在低溫下使用這種合金必須注意的。

3）Ti-5Al-2.5Sn(ELI)  這種低間隙元素的鈦合金在-250℃以下時，其延伸率尚無明顯的變化，仍保持在15%左右，而拉伸強度卻上升到140公斤·力/毫米2以上。為了保持這種合金的良好低溫性能，必須嚴格控制它的間隙元素含量。如鐵的含量應控制在0.25%以下；氧的含量應低于0.12%；其他間隙元素（氫、氮、碳）的含量也應低于普通合金的含量。

4）工業純鈦（TA1、TA2）  這兩種工業純鈦在鐵含量為0.095%，氧含量為0.08%；氫含量為0.0009%；氮含量為0.0062%時，在-269℃時的抗拉強度為65~80公斤·力/毫米2，約為室溫時抗拉強度的兩倍。其延伸率由室溫時的50%降至40%，但仍具有較高的延性。因此，這兩種工業純鈦可用作-253℃以下的低溫材料。

4、鈦基特殊功能材料

1）含50%鈦的鈮—鈦超導合金，在-4K時具有超導特性。這種超導合金已開始在工業上使用。

2）含50%鈦的鎳—鈦合金具有明顯的形狀記憶效應。這種合金已成功的應用在宇航自展天線、航空工業中自張開銷釘、油管接頭、記憶鉚釘以及醫療器械、熱機等裝置。

3）鈦—鐵合金具有貯氫特性，是很好的貯氫材料。這種合金的研制成功，解決了氫氣的貯存和運輸的困難。日本等國正在用鈦—鐵貯氫裝置裝置氫氣汽車。

如何正確的使用鈦

雖然鈦及其合金具有比強高、高溫和低溫性能好、耐腐蝕等優點；如果使用不當，未能揚長避短，仍會達不到預期的效果，反而造成不應有的損失。如何正確的使用鈦呢？在選用鈦材時應仔細的考慮下類問題：

1、腐蝕環境  

工業純鈦和其他鈦合金在中性、氧化性的環境中，具有優良的耐蝕性能。在弱的還原性環境中也保持著鈍態。在強的還原性酸中被腐蝕；但在與腐蝕防止劑共存的還原性環境中耐蝕性良好，即使對于王水也有良好的耐蝕性。在高溫鹽類、濕氯氣、硝酸、各種漂白劑等腐蝕環境中具有耐蝕性。鈦在數伏電壓之下作為陽極處于鈍性，所以被利用在陽極處理、電解和電鍍中。在海水中不產生點蝕和縫隙腐蝕。有較大的抵抗應力腐蝕破裂、接觸腐蝕和磨蝕的能力。對有機酸除蟻酸（不通氣）等以外都具有較好的耐蝕性能。焊接幾乎不降低鈦的耐蝕性。雖然鈦材在上述的腐蝕性介質中具有優良的耐蝕性能；但在選用鈦材作為耐蝕材料時，仍必須注意以下幾點：

1）工業純鈦在靜止的高溫、高溶度的硝酸溶液中的耐蝕性能較好；但在流動的硝酸溶液中往往由于缺少緩蝕作用的四價鈦離子而遭到腐蝕。故在這種環境中采用鈦時應選用Ti-5Ta合金。

2）鈦在海水和氯化物溶液中不發生點蝕；但在含有氯化鎂、氯化鋁、氯化銅、氯化鋅和氯化鈣的沸騰溶液中發生點蝕。工業純鈦在溫度高于90℃的海水中有發生縫隙腐蝕的可能性，故在這種環境中，推薦選用Ti-0.2Pb合金。

3）工業純鈦在碳氫化合物既含氯、氟的碳氫化合物中不發生腐蝕。但在有水的情況下，水解而產生鹽酸和氫氟酸，對鈦產生腐蝕。當碳氫化合物在高溫下分解而產生氫時，鈦可能吸收氫，而產生氫脆。

4）鈦不受潮濕氯氣（含1%以上的水分）以及二氧化硫、二氧化碳、硫化氫等氣體的腐蝕；但在干燥的氯氣中遭受腐蝕；并引起著火自燃。在-253~93℃溫度范圍內，鈦對氫和過氧化氮的耐蝕性優良；但在氣態氧、液態氧和某些氧分壓高的水溶液中，也可能引起鈦著火自燃。在這種環境中使用鈦時，必須慎重。

5）工業純鈦一般不發生應力腐蝕破裂；但在含有微量鹽酸的甲醇、乙醇為主的有機溶劑中和在發煙硝酸中易發生應力腐蝕破裂或著火自燃。

6）鈦與電位較低的金屬接觸，則低電位金屬發生腐蝕。腐蝕的程度取決于與鈦接觸的金屬表面積比例。

7）雖然鈦對于PH值大于9的堿也具有較好的耐蝕性能；但由于在較高的溫度下易產生氫脆，因此，鈦僅用在低溫下的堿液中。當堿液中含有游離氯時，則提高鈦對堿液的耐蝕性。反之，當堿液中含有氧和氨時，，則加劇堿液對鈦的腐蝕。

2、鈦的化學、物理、機械性能的特點

鈦和鈦合金與其他金屬一樣，在化學、物理和機械性能方面具有它獨自的特點。有些性能不同于碳鋼、不銹鋼等黑色金屬；也不同于常用的有色金屬——鋁、鉛等。因此，在使用鈦材時必須注意以下的這些特點：

1）鈦是一種化學性質非常活潑的金屬，在較高溫度下可與許多元素和化合物發生反應，特別是與空氣中的氮、氧、氫等氣體發生反應，使鈦的性能變壞。這是在鈦的熔煉、加工、制造和使用過程中必須認真考慮的一個問題。

2）鈦的線膨脹系數約為碳鋼的三分之二；相當于不銹鋼的一半。當用鈦制造碳鋼或不銹鋼容器的襯里時；或者用鈦制造管殼式熱交換器列管，而外殼用碳鋼或不銹鋼制造時，要認真考慮設備在升降溫過程中，襯里和列管承受的熱應力。

3）鈦的導熱系數比碳鋼小4.5倍，比不銹鋼稍低。因此，鈦制設備在高溫下使用時，在殼壁中易形成高的溫度梯度，導致產生較大的熱應力或熱疲勞應力。但此缺點為它的線膨脹系數較低而有所補償。因此，鈦的導熱系數雖低；但不影響傳熱效率。這是由于鈦具有較好的抗污染能力；不是氣體呈膜狀凝結而成滴狀凝結；能耐較高流速的沖刷腐蝕，能使設備壁或管壁做得很薄的高強度等特點。因此，鈦具有較好的傳熱性能。

4）鈦的熔點較高，通常為1668±4℃。比碳鋼約高130℃、比不銹鋼約高243℃。再加上它的導熱系數較低。因此，焊縫金屬在高溫區的停留時間稍長，宜造成晶粒粗大，塑性降低和焊接時易產生較大的殘余應力。這是在設計焊接結構是必須仔細考慮的。

5）鈦的導電性較差。若以銅的導電率為100%，則鈦僅為3.1%。但它的導電率接近于不銹鋼。這是在設計鈦電極時必須考慮的。

6）鈦的彈性模量較低，約為碳鋼或不銹鋼的二分之一左右。所以在設計抗彎曲的構件時，應給于特別的注意。

7）鈦具有顯著的回彈特性，其回彈能力是不銹鋼冷成形時的2~3倍。這是由于鈦的屈服限與彈性模量比值大和屈強比也較大，以致在成形時零件內部存在著較大的應力。所以鈦設備一般不適于冷態沖壓加工；而需要用熱成型或者冷沖壓熱矯形工藝。

8）鈦和不銹鋼一樣，容易發生粘連。因此，對于未經特殊處理的鈦不易制作承受摩擦的工件；否則，他們會因擦傷或咬死而迅速報廢。在不得不采用鈦作為運動元件時，必須選擇可以使鈦承受摩擦的材料（如塑料）制成摩擦副件；或者表面進行硬化處理；或者使用不同牌號的鈦合金制成摩擦副。在螺旋摩擦副中應采用間隙較大的螺旋配合或加潤滑劑。

9）鈦的抗拉強度隨著溫度的升高而降低。當溫度達到250℃時，其抗拉強度只有室溫下的一半。而且鈦的拉伸曲線沒有物理屈服極限，只有條件屈服極限。因此，在計算鈦設備的強度時，必須選用設計溫度下的強度限。

10）鈦的抗蠕變性能差，不僅在高溫，即使在常溫下也發生蠕變行為。它的蠕變極限通常先隨溫度增加而降低；但到120℃時，蠕變極限開始重新增加，在200℃時達最大值。此后，蠕變極限又隨溫度繼續增加而降低。通常在200~300℃的溫度范圍內遵循穩定的蠕變特性。因此，在計算鈦制設備強度時，不僅需要按設計溫度下的強度限計算；而且還需按蠕變限進行校核。

11）工業純鈦的塑性與溫度有特殊的關系。由室溫至200℃時，鈦的相對延伸率增加。在繼續升溫，則開始下降。在450~500℃時相對延伸率達到最小值，隨后又明顯上升。因此，它的使用溫度最好不超過350℃。

12）國產工業純鈦的沖擊強度較低，有的在室溫下僅8.0公斤·米/厘米2。但隨著溫度的上升而增加。當溫度超過200℃時，沖擊強度迅速增加。到550℃時，沖擊強度可達18公斤·米/厘米2左右。而且它的沖擊值隨著雜質含量增加而降低。所以在設計鈦制設備時，應盡量避免應力集中，防止產生過大的局部峰值應力。

13）鈦的硬度和強度隨著冷變形的程度增加而增加。如冷變形度為80%的試樣的強度極限比完全退火的試樣大1倍。隨著冷變形程度的提高，延伸率值迅速下降。當冷變形度超過50%時，延伸率降到10%以后，不再繼續下降。而且鈦的機械性能與變形速率有關。當拉伸速率由0.01分鐘提高到1.5分鐘時，它的強度限由36.5公斤·力/毫米2提高到42.5公斤·力/毫米2；延伸率明顯下降，隨后又上升。因此，鈦材在冷沖壓時，要嚴格控制變形程度和變形速率。

14）鈦具有較優良的抗疲勞性能；但對缺口的敏感性較高。在旋轉彎曲實驗中，其疲勞強度對拉伸強度的比值約為60%；而一般碳鋼僅是拉伸強度的45%左右。表面光潔度對疲勞強度也有較大的影響。高度拋光表面的試棒比機加工表面的試棒具有較高的疲勞強度。所以在設計鈦制設備時，應避免結構的不連續性和焊縫應盡可能平滑。

15）鈦不能與其他金屬熔焊。這是因為鈦的熔點比其他金屬高；而且已形成脆性的金屬間化合物，引起焊縫脆化。在容器內進行部分襯里時應特別注意結點的設計。在需要與其他金屬連接時，可采用粘接、釬焊、爆炸焊和螺栓連接。

16）鈦設備的焊接接頭設計和其他金屬采用的接頭形式相似；但由于熔融鈦具有更大的流動性。因此，它比其他金屬裝配的更緊密。在對接焊薄板時，對于等邊對接接頭通常不留鈍邊間隙。如果街頭裝配的滿意的話，這些焊縫可不加填充焊絲。當板厚超過1.5毫米時，為了保證焊透，采用留鈍邊間隙或單V型坡口。對于這些接頭要求增加焊絲。對于厚板或厚斷面采用單V型或雙V型坡口。在這些情況下，接頭應設計成需要最小的焊道和便于焊縫根部保護。

17）在設計鈦鑄件時，應該牢記鈦具有較窄的液相線——固相線的溫度區間。這種迅速凝固的傾向有利于鑄件的定向凝固；但往往導致在熱量集中的地方產生裂紋和縮孔。鈦鑄件的各相鄰部位應避免厚薄截面的急劇變化和尖角。在無法避免時，無論是厚度變化或是尖角部位，都應該有足夠半徑的圓角過渡。鑄件的界面應該是帶有錐度的均勻截面。在所有的垂直面上，都應該考慮較大的拔模斜度；并應考慮冒口位置和除去這些澆冒口后不需要精磨。

18）鈦的攻絲是比較難的工序。這是因為絲錐中有限切屑溝和鈦的嚴重粘著作用，均導致螺紋惡化。當切削終止時鈦易緊鎖在絲錐上，導致絲錐斷裂。因此，在設計鈦設備時應避免盲孔和過長的通孔；同時應適當放松配合等級公差。

19）國產鈦管的延伸率在28~40%的范圍內波動；而不銹鋼的延伸率在50~60%的范圍內。因此，鈦制管殼式換熱器的脹管間隙應比不銹鋼制的小；否則，在脹接時列管易出現裂紋。

20）鈦在切削過程中，由于產生塑性變形，和在高的切削溫度下，鈦很容易吸收大氣中的氧、氮形成硬而脆的外皮，而產生加工硬化現象。其結果不僅降低零件的疲勞強度；而且會加劇刀具的磨損和給以后的加工帶來困難。因此，在切削鈦材時一般選用較低的切削速度、較大的切削深度和進給量。并且采用合適的冷卻潤滑液，進行高壓冷卻。來降低切削溫度，提高加工表面質量和刀具的耐用度。

21）鈦板料具有各向異性。通常垂直于軋制方向彎曲比平行于軋制方向彎曲性能好。

3、鈦的經濟性

目前鈦的價格較貴。因此，在設計中必須注意鈦材僅用在有腐蝕的部位，而不用作不接觸腐蝕介質的支承構件。只要有可能，與容器結構有關的全部應力，應該用碳鋼或其他類似的廉價金屬來承擔，鈦材僅起耐腐蝕的作用。鈦制品在加工過程中應盡量減少廢屑的產生，提高鈦材的利用率。因此，盡可能采用精密鑄造、粉末冶金、模鍛、超塑性和等溫鍛造成型、旋壓、擴散焊接以及爆炸復合等先進工藝生產鈦制品。