鈦及鈦合金 金相圖譜（2）
β型鈦合金
β型鈦合金中又分為穩(wěn)定β合金、亞穩(wěn)定β合金、近β合金。
穩(wěn)定β合金含有大量β穩(wěn)定元素，退火后全部為β相。其室溫強(qiáng)度較低，冷成形性好，在還原性介質(zhì)中耐蝕性較好；典型合金有Ti40。
亞穩(wěn)定β合金含有臨界濃度以上的β穩(wěn)定元素，少量的Al（一般不大于3%）和中性元素，從β相區(qū)固溶處理(水淬或空冷)后，幾乎全部為亞穩(wěn)定β相，這類(lèi)合金冷加工性好，時(shí)效強(qiáng)度高。
近β合金含有臨界濃度左右的β穩(wěn)定元素，和一定量的中性元素及鋁，從β相區(qū)固溶處理后有大量亞穩(wěn)定β相及其他亞穩(wěn)定相(α或ω相)，時(shí)效后，主要是α相和β相，這類(lèi)合金適合加工成鍛件產(chǎn)品，具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性匹配。
Ti40合金是90年代中期由西北有色金屬院研制的一種Ti-Cr-V系阻燃鈦合金，屬于穩(wěn)定β型鈦合金，合金相變點(diǎn)約400℃。應(yīng)用于高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等部位。Ti40合金典型力學(xué)性能如表3-1表3-2所示。圖3-1~圖3-9為Ti40合金常見(jiàn)的微觀組織。
表3-1 Ti40合金室溫力學(xué)性能
表3-2 Ti40合金高溫蠕變性能
圖3-1 Ti40合金熱加工態(tài)組織：彎曲狀β晶界
圖3-2 Ti40合金600℃退火組織：彎曲狀β晶界+少量加工流線
圖3-3 Ti40合金700℃退火組織：等軸β組織
圖3-4 Ti40合金800℃退火組織：等軸β組織（β晶界平直化）
圖3-5 Ti40合金固溶組織：等軸β組織
圖3-6 Ti40合金520℃/250MPa/100h蠕變后組織：等軸β組織
圖3-7 Ti40合金535℃/250MPa/100h蠕變后組織：等軸β組織及變形引起的孿晶
圖3-8 Ti40合金蠕變后形成的位錯(cuò)形貌(TEM)
圖3-9 Ti40合金蠕變后形成的位錯(cuò)形貌(TEM)
典型合金有TB2、TB3、Ti-15-3(TBS)、Ti26等。
TB3合金名義成分Ti3.5Al10Mo8V1Fe，是一種亞穩(wěn)定β型鈦合金，相變點(diǎn)730~750℃，該合金由西北有色金屬研究院于20世紀(jì)80年代研制（原稱(chēng)Ti22合金），具有良好的冷加工性能（冷變形率大于90%），可加工制備成板、棒、管、絲、箔等多種類(lèi)型半成品。其絲材的典型性能如表3-3所示。
表3-3 TB3合金Φ3mm絲材的典型性能
TB3合金的棒、絲材適合于制備各種緊固件，已應(yīng)用于Y-7、JH-7等型號(hào)。圖3-10~圖3-16為TB3合金不同狀態(tài)對(duì)應(yīng)的微觀組織。
圖3-10 TB3合金板材800℃/30min空冷處理：等軸β晶粒
圖3-11 TB3合金板材800℃/30min空冷+700℃/15min空冷：
β基體內(nèi)部開(kāi)始有次生α相（黑斑點(diǎn)）析出
圖3-12 TB3合金板材800℃/30min空冷+700℃/120min空冷：
隨時(shí)效時(shí)間增加，β晶粒內(nèi)次生α相（黑斑點(diǎn)）析出增多
圖3-13 TB3合金板材800℃/30min空冷+500℃/8h空冷：
β晶粒內(nèi)部次生α相充分析出
圖3-14 TB3合金板材800℃/30min空冷+500℃/8h空冷：
β晶粒內(nèi)部次生α相充分析出
圖3-15 TB3合金板材800℃/30min空冷+550℃/16h空冷：
β晶粒內(nèi)部次生α相充分析出
圖3-16 TB3合金板材加工態(tài)：拉長(zhǎng)的β晶粒
Ti-15-3合金名義成分Ti15V3Al3Cr3Sn（國(guó)標(biāo)牌號(hào)TB5），是一種亞穩(wěn)定β型鈦合金，相變點(diǎn)740~760℃，該合金是美國(guó)20世紀(jì)70年代研制，具有良好的冷加工性能（冷變形率大于90%），可加工制備成板、棒、管、絲、箔等多種類(lèi)型半成品。其板材及管材的典型力學(xué)性能如表3-4所示。Ti-15-3合金常見(jiàn)的微觀組織如圖3-17~圖4-29所示。
表3-4 Ti-15-3合金板材及管材的典型性能
圖3-17 Ti-15-3合金板材800℃/20min空冷：等軸β晶粒
圖3-18 Ti-15-3合金板材800℃/20min爐冷：
由于緩慢爐冷使β晶粒內(nèi)部及晶界開(kāi)始有次生α相（黑斑點(diǎn)）析出
圖3-19 Ti-15-3合金板材800℃/1h水淬：等軸β晶粒
圖3-20 Ti-15-3合金板材冷變形6%：
塑性變形使等軸β晶粒內(nèi)產(chǎn)生孿晶（平直條紋）
圖3-21 Ti-15-3合金板材冷變形40%：
形變使等軸β晶粒內(nèi)產(chǎn)生孿晶（平直條紋）
圖3-22 Ti-15-3合金板材800℃/20min空冷+540℃/8h空冷：
β晶粒內(nèi)部次生α相充分析出
圖3-23 Ti-15-3合金板材800℃/20min空冷+600℃/8h空冷：
β晶粒內(nèi)部次生α相充分析出
圖3-24 Ti-15-3合金板材800℃/20min空冷+630℃/8h空冷：
β晶粒內(nèi)部次生α相充分析出
圖3-25 Ti-15-3合金板材電子束焊接焊縫：粗大β晶粒
圖3-26 Ti-15-3合金管材冷軋加工后550℃/8h直接時(shí)效：
在拉長(zhǎng)的β晶?；w上有次生α相析出
圖3-27 Ti-15-3合金管材冷軋加工后600℃/8h直接時(shí)效：
在拉長(zhǎng)的β晶?；w上有次生α相析出
圖3-28 Ti-15-3合金板材抗彈試驗(yàn)彈坑處（靶試前板材經(jīng)810℃/30min空冷處理）：
高速?zèng)_擊變形使β晶粒內(nèi)形成的大量孿晶
Ti26合金是一種亞穩(wěn)定β型鈦合金(Ti-V-Cr-Al-Sn-Zr-Nb-Ta系)，由西北有色金屬研究院于20世紀(jì)90年代在美國(guó)Ti-15-3合金基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，相變點(diǎn)730~750℃，具有良好的冷加工性能（冷變形率大于90%墩制比≥4），可加工制備成板、棒、管、絲、箔等多種類(lèi)型半成品。其小規(guī)格棒材的典型力學(xué)性能如表3-5所示。
表3-5 Ti26合金小規(guī)格棒材的典型力學(xué)性能
Ti26合金的棒、絲材適合于制備各種緊固件。表3-6列出了采用Ti26合金制備的幾種螺栓的拉伸及剪切性能。
表3-6 采用Ti26合金制備的幾種螺栓的拉伸性能及剪切性能
經(jīng)測(cè)試MJ5螺栓的疲勞性能在最大載荷Pmax=0.4σb條件下，單件最小壽命Nmin≥45000次，平均壽命N平均≥65000次。圖3-29~圖3-38為Ti26合金常見(jiàn)的微觀組織。
圖3-29 Ti26合金冷加工態(tài)組織：纖維狀變形組織
圖3-30 Ti26合金熱加工態(tài)組織：等軸β晶粒（β晶界呈彎曲狀）
圖3-31 Ti26合金熱擠壓態(tài)組織：纖維狀變形組織
圖3-32 Ti26合金板（800℃/30min空冷）：等軸β晶粒
圖3-33 Ti26合金棒材（800℃/30min空冷）：等軸β晶粒
圖3-34 Ti26合金棒材（800℃/30min空冷+550℃/8h空冷）：
次生α相在β基體上充分析出
圖3-35 Ti26合金固溶+時(shí)效組織（掃描電鏡）：針狀次生α相在β基體上析出
圖3-36 Ti26合金鐓制螺栓的加工流線
圖3-37 Ti26合金螺栓螺紋的加工流線
圖3-38 Ti26合金螺栓處的加工流線
典型合金有Ti1023(TB6)、Ti5553、Ti1300等合金。
Ti1023合金（名義成分:Ti10V2Fe3Al）是美國(guó)上世紀(jì)70年代研制的一種近β型鈦合金（中國(guó)國(guó)標(biāo)牌號(hào)TB6），相變點(diǎn)780~800℃，特點(diǎn)是強(qiáng)度高、淬透性好，主要應(yīng)用于航空鍛件制品。但是由于其成分中含有2%的Fe，因此在熔煉、加工過(guò)程中易產(chǎn)生偏析，形成β斑缺陷。表3-7為Ti1023合金Φ180mm棒材對(duì)應(yīng)的性能，圖3-39~圖3-44為Ti1023合金常見(jiàn)微觀組織。
表3-7 Ti1023合金棒材室溫力學(xué)性能
注：從棒材1/2R處切取試樣進(jìn)行760℃/2h水淬+525℃/8h空冷處理
圖3-39 Ti1023合金β相區(qū)固溶+時(shí)效處理：
針狀次生α（亮條）在β基體上析出
圖3-40 Ti1023合金760℃/2h水淬+525℃/8h空冷：
初生α（亮）及在β基體上析出次生α（暗）
圖3-41 Ti1023合金大規(guī)格棒材(Φ180mm)低倍組織
圖3-42 Ti1023合金兩相區(qū)鍛造(770℃，ε=80%)：β基體+初生α
圖3-43 Ti1023合金β相區(qū)鍛造(835℃，ε=40%)：
β基體上分布著彎曲β晶界與針狀次生α
圖3-44 Ti1023合金β斑缺陷形貌：經(jīng)時(shí)效處理后，具有均勻析出的正常組織（照片下沿處），內(nèi)部無(wú)析出或很少析出的白色及灰色塊是β斑缺陷
Ti130合金是西北有色院近年來(lái)開(kāi)發(fā)的高強(qiáng)高韌近β型鈦合金(Ti-Al-Mo-V-Cr系，相變點(diǎn)830℃)，其特點(diǎn)是：淬透性好、強(qiáng)化效應(yīng)高、強(qiáng)韌性匹配良好，綜合性能優(yōu)于Ti1023鈦合金。其大規(guī)格棒材滿足波音公司BMS7-360H標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Ti5553合金性能的要求，適合應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)件；小規(guī)格棒絲材適合應(yīng)用于緊固件及彈簧。典型力學(xué)性能如表3-8、表3-9所示。Ti1300合金常見(jiàn)組織如圖3-45 ~圖3-50所示。
表3-8 Ti1300合金小規(guī)格棒材典型力學(xué)性能
表3-9 Ti1300合金大規(guī)格棒材典型力學(xué)性能
圖3-45 Ti1300合金鍛造加工態(tài)：變形β組織
圖3-46 Ti1300合金β相區(qū)固溶處理：等軸β晶粒
圖3-47 Ti1300合金β相區(qū)固溶+時(shí)效處理：針狀次生α相在β基體上析出
圖3-48 Ti1300合金兩相區(qū)固溶+時(shí)效組織(SEM)：
等軸初生α及針狀次生α在β基體上析出
圖3-49 Ti1300合金β相區(qū)固溶+時(shí)效組織：針狀次生α（亮條）在β基體上析出
圖3-50 Ti1300合金兩相區(qū)固溶時(shí)效(SEM)：針狀次生α及條狀α在β基體上析出
Ti3Al(α2相)是一種金屬間化合物，具有六方晶格。與常規(guī)鈦合金相比具有更高的使用溫度，但是室溫塑性較低。Ti3Al合金力學(xué)性能見(jiàn)表4-1，顯微組織如圖4-1~圖4-3所示。
表4-1 Ti3Al合金力學(xué)性能
圖4-1 Ti3Al合金1040℃/1h空冷+950℃/4h空冷
圖4-2 Ti3Al合金950℃/1.5h空冷
α2相（初生+次生）（白）+殘余β相（暗）
圖4-3 Ti3Al合金1150℃/1h爐冷
α2片（白）+晶界殘余β相（暗）
TiAl（γ相）是一種金屬間化合物，具有四方結(jié)構(gòu)。與常規(guī)鈦合金相比具有更高的使用溫度，但是其熱加工工藝性差、室溫塑性很低。
Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金Ta=1318℃，其力學(xué)性能如表4-2所示，顯微組織如圖4-4~圖4-11所示。
表4-2 Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金力學(xué)性能
圖4-4 Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金的鑄態(tài)片層組織α2+γ
圖4-5 Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金變形的片層組織α2+γ
圖4-6 Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金變形后形成的等軸組織α2（白）+γ（灰）
圖4-7 Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金1000℃/1h空冷，α2（白）+γ（灰）
圖4-8 Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金1400℃/1h水淬α有序轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>α2（白）
圖4-9 Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金1300℃/2h空冷，
等軸α2（白）及γ（灰）+片層γ與α2
圖4-10 Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金1350℃/2h空冷+1050℃/4h空冷，
等軸α2（白）及γ（灰）+片層γ與α2
圖4-11 Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金1400℃/1h爐冷，片層γ與α2
TiNi合金具有超彈性及形狀記憶等特殊性能，因而在航空航天、原子能、海洋工程、儀器儀表和醫(yī)療器械等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
圖4-12 Ti44Ni47Nb9鑄態(tài)組織初生樹(shù)枝晶（亮）+共晶體（灰）
圖4-13 Ti44Ni47Ta9鑄態(tài)組織初生α(TiNi)樹(shù)枝晶
（包含大量細(xì)彌散粒子NiTa2）（亮）+共晶體（灰）
圖4-14 Ti44Ni47Nb9Al1鑄態(tài)組織初生樹(shù)枝晶（亮）+共晶體（灰）
圖4-15 Ti44Ni47Nb9合金軋制加工態(tài)，為拉長(zhǎng)的條狀組織
圖4-16 Ni47Ti44Ta9合金軋制加工態(tài)，為拉長(zhǎng)的條狀組織
圖4-17 Ni47Ti44Nb9Al1合金軋制加工態(tài)，為拉長(zhǎng)的條狀組織
Ti75合金具有良好的鑄造性能，經(jīng)常用于泵、閥殼體的鑄造。
Ti75合金力學(xué)性能見(jiàn)表5-1，顯微組織如圖5-1~圖5-2所示。
表5-1 Ti75合金鑄造管坯力學(xué)性能
圖5-1 Ti75合金管坯鑄件組織，粗大原始β晶粒，基體為片狀β轉(zhuǎn)變組織
圖5-2 Ti75合金管坯鑄件經(jīng)40%旋壓變形，片狀β轉(zhuǎn)變組織呈彎曲狀
Ti600高溫鈦合金也具有良好的鑄造性能，經(jīng)熱等靜壓后可獲得優(yōu)異的室溫、高溫力學(xué)性能。
Ti600合金力學(xué)性能見(jiàn)表5-2，顯微組織如圖5-3~5-6所示。
表5-2 Ti600高溫鈦合金鑄態(tài)及經(jīng)熱等靜壓處理后的室溫、高溫性能
圖5-3 Ti600合金小型鑄件組織，原始β晶界呈彎曲狀，基體為片狀β轉(zhuǎn)變組織
圖5-4 Ti600合金小型鑄件組織，原始β晶界呈彎曲狀，基體為片狀β轉(zhuǎn)變組織
圖5-5 Ti600合金鑄件經(jīng)900℃/103MPa/2h熱等靜壓處理后組織，為全片層β轉(zhuǎn)變組織
圖5-6 Ti600合金鑄件經(jīng)900℃/103MPa/2h熱等靜壓處理后，部分區(qū)域的α片被球化
補(bǔ)充：
α+β鈦合金
Motor20
圖1 700℃/1h退火，空冷
腐蝕介質(zhì)HF+HNO3+水(1:6:193)
圖2 退火
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