航空用钛合金的的分类、牌号和性能特点

钛合金由于其比强度高、耐腐蚀性好等优点被广泛应用于航空航天领域。本文介绍了近年来主要钛合金的显微组织和力学性能特点，包括高强高韧型钛合金（β型或亚稳β型，Ti-1023、Ti-15-3、β21S和BT-22）、高温钛合金（500℃以上，近α型， IMI834、Ti-1100、BT36和Ti-60）、损伤容限钛合金（α+β型，TC21和TC4-DT）和阻燃钛合金（Alloy C、BTT-l和BTT-3）四个方面。

根据对β转变温度的影响，钛的合金化元素可分为中性元素、α相稳定元素和β相稳定元素。α相稳定元素将α相区扩展到更高的温度范围，而β相稳定元素则使β相区向较低温度移动，中性元素对β转变温度影响很小。

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（来源：SmarTech）

Al是最重要的α相稳定元素，间隙元素O、N和C也属于这一类。β相稳定元素可细分为β同晶型和β共析型元素两类，Mo、V和Ta属于β同晶型元素，在β钛中溶解度很高且非常重要；Fe、Mn、Cr、Co、Ni、Cu、Si等属于共析型元素，易与Ti形成金属间化合物；Sn和Zr是中性元素，但可以显著强化α相。

随着钛合金研究与应用的发展，特别是热处理强化钛合金，经常遇到非平衡态组织，因此按亚稳定状态的相组成进行钛合金的分类更为可取。根据钛合金从β相区淬火后的相组成与β稳定元素含量关系，可以将钛合金划分成α型、近α型、α+β型、亚稳β型、稳定β型等几种类型。

钛合金淬火后的相组成与β稳定元素含量关系

各类钛合金的主要性能，以Ti-6Al-4V为准，向右侧，随着β稳定元素的增加，合金的加工能力、应变速率敏感性、热处理强化效果和室温强度不断提高；向左侧，随着β稳定元素的减少，合金的β转变温度、流动应力，可焊性和高温强度有所增加。

各类钛合金的主要性能特征

传统的钛合金显微组织是α相和β相两个基本相（即以α钛为基的α固溶体和以β钛为基的β固溶体）的尺寸及其排列方式来描述的。钛合金的性能主要取决于α和β两相的排列方式、体积分数和各自的性能。与体心立方的β相相比，密排六方的α相具有更高的堆积密度和各向异性的晶格构型，因此α相的塑性较差、扩散速率低和抗蠕变性能高。因此，不同类型钛合金的物理、力学和工艺性能的主要差别如下表所示：

不同钛合金类型与主要物理、化学性能的关系

α钛合金一般为单相合金，具有中等强度；而α+β两相和亚稳β钛合金可以分别强化到较高和很高的强度水平。亚稳β钛合金以低塑性为代价获得很高的强度，如果不进行时效强化，亚稳β合金具有类似α和α+β相对较好的塑性。

由于钛合金的断裂韧性与显微组织和时效条件密切相关，所以钛合金的成分与断裂韧性之间不存在明确的关系，但粗大层片组织的断裂韧性要高于细小的等轴状组织。这是因为层状组织可以使扩展裂纹沿不同取向的板条束发生偏斜，导致裂纹前沿钝化，从而吸收额外的裂纹扩展能量。

密排六方晶体的原子扩散能力和变形能力相对较低，这导致了α相具有优异的抗蠕变性能。钛与氧原子的亲和力很高，这意味着在室温大气中钛合金表面也能形成一层非常薄的致密氧化层(TiO2)，这也是钛合金抗蚀性优异的原因。α钛合金的变形能力极为有限，且加工硬化能力很强，这意味着α和α+β合金只能在高温下加工。