钛与钛合金

钛 Titanium

钛是一种金属元素，化学符号Ti，原子序数22，外观呈现银白色金属光泽。钛的密度为4.51g/cm3，熔点为1668℃。

钛有两种同素异构体，α-Ti在882℃以下稳定，为密排六方晶格(hcp)结构；β-Ti在882℃与熔点之间稳定存在，具有体心立方晶格(bbc)结构。

钛在自然界中分布很广，约占地壳质量的6‰，是含量第十高的元素，在金属世界里排行第七。钛的矿物多达70多种，比较常见是钛铁矿Fe-TiO3、金红石TiO2及钒钛磁铁矿等。钛在海水中含量是1μg/L，在海底结核中也含有大量的钛。除此之外，钛还可以在陨石、煤灰、植物，甚至人体中找到。

钛的产品

钛的产品主要是两类：第一类是海绵钛，它可以进一步加工制备各类钛材；第二类是钛白粉，是一种白色颜料，广泛应用在涂料、油漆等化工行业中。

钛精矿经冶炼成海绵钛后，经过铸锭可制成工业纯钛和钛合金。

钛产品特性

工业纯钛和钛合金都有耐腐蚀、耐高温和高比强度的特点。钛合金因为添加了其他合金元素，比工业纯钛具有更多样的性质和更广泛的用途。

耐腐蚀

钛与钛合金在不同介质和不同温度条件下都有良好的耐腐蚀性能。尤其是在海水中的抗蚀性比铝合金、不锈钢和镍基合金都好。

钛的耐蚀性能来自于钝化。在大气或水溶液中，钛表面会立即形成一层保护很好的氧化膜（钝化膜）。这层氧化膜有非常好的愈合性，被机械破损后能很快地（<0.1s）弥合修复形成新膜。温度在315℃以下，钛的氧化膜始终保持这一特性。

耐高温

工业纯钛和钛合金都能在高温环境下保持良好的强度与性能。纯钛稍低，可在350℃以下稳定服役；钛合金的工作温度可达500℃甚至更高。

高比强度

工业纯钛和钛合金的比强度都很高。比强度指的是材料的强度与密度的比值。比强度高代表材料强度大而重量轻。这样的特性在航空航天领域很受欢迎。

飞机或航天器常用材料有不锈钢、镍基合金和铝合金等。与不锈钢和镍基合金相比，钛合金的密度差不多只有它们的一半，质量更轻；与铝合金只能在200℃以下工作相比，钛合金更耐高温。优势十分明显。

工业纯钛

工业纯钛（纯度达99.5%）实质上是一种低合金含量的钛合金，含有氮、碳及铁、硅等杂质元素。其退火组织为α组织。由于含有较多的杂质元素，其强度高于化学纯钛（纯度高达99.9%，也叫高纯钛），接近高强铝合金的水平，但和钛合金比，强度仍然较低。

工业纯钛的力学性能和化学性能与不锈钢较为相似。主要用作工作温度350℃以下，受力不大但要求高塑性的冲压件和耐蚀结构零件。

我国工业纯钛按其杂质含量的不同，分为TA0、TA1、TA2和TA3四个牌号。四种工业纯钛的间隙杂质元素是逐渐增加的，故其机械强度和硬度也随之逐级增加，但塑性、韧性相应下降。工业上常用的工业纯钛是TA2，因其耐蚀性能和综合力学性能适中。对耐磨和强度要求较高时可采用TA3。对要求较好的成型性能时可用TA1。

钛合金

钛合金是以钛元素为基础加入其它元素的合金。加入的合金元素有Al、Mo、Cr、Sn、Mn、V等。

世界上已研制出的钛合金有数百种，其中著名是美国1954年研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75%～85%。其他许多钛合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。

钛合金的比重、强度和使用温度介于铝和钢之间，但比铝、钢强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。钛合金广泛的应用是作为航空航天工业中重要结构材料。

钛合金分类

钛合金可按退火组织分为三类：α钛合金、β钛合金、α+β钛合金（还包括含有少量β相的近α合金）。α钛合金代号为TA，β钛合金代号为TB，α+β钛合金代号为TC。三种钛合金中常用的是α钛合金和α+β钛合金；α钛合金的切削加工性好，α+β钛合金次之，β钛合金差。

钛合金也可按用途分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金（钛-钼，钛-钯合金等）、低温合金以及特殊功能合金（钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金）等。

牌号及用途

α钛合金

性能：

室温强度低，高温强度高；良好的抗氧化性、耐蚀性和焊接性；不能热处理强化，退火态使用。

牌号：

TA4、TA5、TA6、TA7、TA8等。常用有TA5和TA7，以TA7为最常用。TA7还具有良好的低温性能。

用途：

可在500℃以下使用，如火箭飞船的低温高压容器，航空发动机的叶片和管道，导弹燃料缸等。TA5主要用于制造船舰零件。

β钛合金

性能：

可热处理强化，有较高的强度，焊接性能和压力加工性能良好；但性能不够稳定，熔炼工艺复杂，故应用不如α型、α+β型钛合金广泛。

牌号：

有TB1、TB2和TB3，实际应用的为TB2。TB2合金一般在固溶处理状态下交货，在固溶、时效后使用。

用途：

可在350℃以下工作，如压气机叶片、轮盘、轴类等重载荷旋转件，以及飞机的构件等。

α+β钛合金

性能：

具有α型和β型的优点，大部分可热处理强化，焊接性能不如α型。

牌号：

TC1~TC11，常用有TC3、TC4、TC6、TC9、TC10。TC4就是美国的Ti-6Al-4V，最为常用。TC10是在TC4基础上发展起来，有更高的强度和耐热性。

用途：

400℃以下工作的航空发动机压气机叶片，火箭发动机外壳，导弹液氢燃料箱部件，船舰耐压壳体。