钛及钛合金金相图谱下

β型钛合金中又分为稳定β合金、亚稳定β合金、近β合金。

稳定β合金含有大量β稳定元素，退火后全部为β相。其室温强度较低，冷成形性好，在还原性介质中耐蚀性较好；典型合金有Ti40。

亚稳定β合金含有临界浓度以上的β稳定元素，少量的Al（一般不大于3%）和中性元素，从β相区固溶处理(水淬或空冷)后，几乎全部为亚稳定β相，这类合金冷加工性好，时效强度高。

近β合金含有临界浓度左右的β稳定元素，和一定量的中性元素及铝，从β相区固溶处理后有大量亚稳定β相及其他亚稳定相(α或ω相)，时效后，主要是α相和β相，这类合金适合加工成锻件产品，具有优良的强韧性匹配。

Ti40合金是90年代中期由西北有色金属院研制的一种Ti-Cr-V系阻燃钛合金，属于稳定β型钛合金，合金相变点约℃。应用于高性能航空发动机机匣等部位。Ti40合金典型力学性能如表3-1表3-2所示。图3-1~图3-9为Ti40合金常见的微观组织。

表3-1Ti40合金室温力学性能

表3-2Ti40合金高温蠕变性能

图3-1Ti40合金热加工态组织：弯曲状β晶界

图3-2Ti40合金℃退火组织：弯曲状β晶界+少量加工流线

图3-3Ti40合金℃退火组织：等轴β组织

图3-4Ti40合金℃退火组织：等轴β组织（β晶界平直化）

图3-5Ti40合金固溶组织：等轴β组织

图3-6Ti40合金℃/MPa/h蠕变后组织：等轴β组织

图3-7Ti40合金℃/MPa/h蠕变后组织：等轴β组织及变形引起的孪晶

图3-8Ti40合金蠕变后形成的位错形貌(TEM)

图3-9Ti40合金蠕变后形成的位错形貌(TEM)

典型合金有TB2、TB3、Ti-15-3(TBS)、Ti26等。

TB3合金名义成分Ti3.5Al10Mo8V1Fe，是一种亚稳定β型钛合金，相变点~℃，该合金由西北有色金属研究院于20世纪80年代研制（原称Ti22合金），具有良好的冷加工性能（冷变形率大于90%），可加工制备成板、棒、管、丝、箔等多种类型半成品。其丝材的典型性能如表3-3所示。

表3-3TB3合金Φ3mm丝材的典型性能

TB3合金的棒、丝材适合于制备各种紧固件，已应用于Y-7、JH-7等型号。图3-10~图3-16为TB3合金不同状态对应的微观组织。

图3-10TB3合金板材℃/30min空冷处理：等轴β晶粒

图3-11TB3合金板材℃/30min空冷+℃/15min空冷：

β基体内部开始有次生α相（黑斑点）析出

图3-12TB3合金板材℃/30min空冷+℃/min空冷：

随时效时间增加，β晶粒内次生α相（黑斑点）析出增多

图3-13TB3合金板材℃/30min空冷+℃/8h空冷：

β晶粒内部次生α相充分析出

图3-14TB3合金板材℃/30min空冷+℃/8h空冷：

β晶粒内部次生α相充分析出

图3-15TB3合金板材℃/30min空冷+℃/16h空冷：

β晶粒内部次生α相充分析出

图3-16TB3合金板材加工态：拉长的β晶粒

Ti-15-3合金名义成分Ti15V3Al3Cr3Sn（国标牌号TB5），是一种亚稳定β型钛合金，相变点~℃，该合金是美国20世纪70年代研制，具有良好的冷加工性能（冷变形率大于90%），可加工制备成板、棒、管、丝、箔等多种类型半成品。其板材及管材的典型力学性能如表3-4所示。Ti-15-3合金常见的微观组织如图3-17~图4-29所示。

表3-4Ti-15-3合金板材及管材的典型性能

图3-17Ti-15-3合金板材℃/20min空冷：等轴β晶粒

图3-18Ti-15-3合金板材℃/20min炉冷：

由于缓慢炉冷使β晶粒内部及晶界开始有次生α相（黑斑点）析出

图3-19Ti-15-3合金板材℃/1h水淬：等轴β晶粒

图3-20Ti-15-3合金板材冷变形6%：

塑性变形使等轴β晶粒内产生孪晶（平直条纹）

图3-21Ti-15-3合金板材冷变形40%：

形变使等轴β晶粒内产生孪晶（平直条纹）

图3-22Ti-15-3合金板材℃/20min空冷+℃/8h空冷：

β晶粒内部次生α相充分析出

图3-23Ti-15-3合金板材℃/20min空冷+℃/8h空冷：

β晶粒内部次生α相充分析出

图3-24Ti-15-3合金板材℃/20min空冷+℃/8h空冷：

β晶粒内部次生α相充分析出

图3-25Ti-15-3合金板材电子束焊接焊缝：粗大β晶粒

图3-26Ti-15-3合金管材冷轧加工后℃/8h直接时效：

在拉长的β晶粒基体上有次生α相析出

图3-27Ti-15-3合金管材冷轧加工后℃/8h直接时效：

在拉长的β晶粒基体上有次生α相析出

图3-28Ti-15-3合金板材抗弹试验弹坑处（靶试前板材经℃/30min空冷处理）：

高速冲击变形使β晶粒内形成的大量孪晶

Ti26合金是一种亚稳定β型钛合金(Ti-V-Cr-Al-Sn-Zr-Nb-Ta系)，由西北有色金属研究院于20世纪90年代在美国Ti-15-3合金基础上改进而成，相变点~℃，具有良好的冷加工性能（冷变形率大于90%墩制比≥4），可加工制备成板、棒、管、丝、箔等多种类型半成品。其小规格棒材的典型力学性能如表3-5所示。

表3-5Ti26合金小规格棒材的典型力学性能

Ti26合金的棒、丝材适合于制备各种紧固件。表3-6列出了采用Ti26合金制备的几种螺栓的拉伸及剪切性能。

表3-6采用Ti26合金制备的几种螺栓的拉伸性能及剪切性能

经测试MJ5螺栓的疲劳性能在最大载荷Pmax=0.4σb条件下，单件最小寿命Nmin≥40次，平均寿命N平均≥60次。图3-29~图3-38为Ti26合金常见的微观组织。

图3-29Ti26合金冷加工态组织：纤维状变形组织

图3-30Ti26合金热加工态组织：等轴β晶粒（β晶界呈弯曲状）

图3-31Ti26合金热挤压态组织：纤维状变形组织

图3-32Ti26合金板（℃/30min空冷）：等轴β晶粒

图3-33Ti26合金棒材（℃/30min空冷）：等轴β晶粒

图3-34Ti26合金棒材（℃/30min空冷+℃/8h空冷）：

次生α相在β基体上充分析出

图3-35Ti26合金固溶+时效组织（扫描电镜）：针状次生α相在β基体上析出

图3-36Ti26合金镦制螺栓的加工流线

图3-37Ti26合金螺栓螺纹的加工流线

图3-38Ti26合金螺栓处的加工流线

典型合金有Ti(TB6)、Ti、Ti等合金。

Ti合金（名义成分:Ti10V2Fe3Al）是美国上世纪70年代研制的一种近β型钛合金（中国国标牌号TB6），相变点~℃，特点是强度高、淬透性好，主要应用于航空锻件制品。但是由于其成分中含有2%的Fe，因此在熔炼、加工过程中易产生偏析，形成β斑缺陷。表3-7为Ti合金Φmm棒材对应的性能，图3-39~图3-44为Ti合金常见微观组织。

表3-7Ti合金棒材室温力学性能

注：从棒材1/2R处切取试样进行℃/2h水淬+℃/8h空冷处理

图3-39Ti合金β相区固溶+时效处理：

针状次生α（亮条）在β基体上析出

图3-40Ti合金℃/2h水淬+℃/8h空冷：

初生α（亮）及在β基体上析出次生α（暗）

图3-41Ti合金大规格棒材(Φmm)低倍组织

图3-42Ti合金两相区锻造(℃，ε=80%)：β基体+初生α

图3-43Ti合金β相区锻造(℃，ε=40%)：

β基体上分布着弯曲β晶界与针状次生α

图3-44Ti合金β斑缺陷形貌：经时效处理后，具有均匀析出的正常组织（照片下沿处），内部无析出或很少析出的白色及灰色块是β斑缺陷

Ti合金是西北有色院近年来开发的高强高韧近β型钛合金(Ti-Al-Mo-V-Cr系，相变点℃)，其特点是：淬透性好、强化效应高、强韧性匹配良好，综合性能优于Ti钛合金。其大规格棒材满足波音公司BMS7-H标准对Ti合金性能的要求，适合应用于航空结构件；小规格棒丝材适合应用于紧固件及弹簧。典型力学性能如表3-8、表3-9所示。Ti合金常见组织如图3-45~图3-50所示。

表3-8Ti合金小规格棒材典型力学性能

表3-9Ti合金大规格棒材典型力学性能

图3-45Ti合金锻造加工态：变形β组织

图3-46Ti合金β相区固溶处理：等轴β晶粒

图3-47Ti合金β相区固溶+时效处理：针状次生α相在β基体上析出

图3-48Ti合金两相区固溶+时效组织(SEM)：

等轴初生α及针状次生α在β基体上析出

图3-49Ti合金β相区固溶+时效组织：针状次生α（亮条）在β基体上析出

图3-50Ti合金两相区固溶时效(SEM)：针状次生α及条状α在β基体上析出

Ti3Al(α2相)是一种金属间化合物，具有六方晶格。与常规钛合金相比具有更高的使用温度，但是室温塑性较低。Ti3Al合金力学性能见表4-1，显微组织如图4-1~图4-3所示。

表4-1Ti3Al合金力学性能

图4-1Ti3Al合金℃/1h空冷+℃/4h空冷

图4-2Ti3Al合金℃/1.5h空冷

α2相（初生+次生）（白）+残余β相（暗）

图4-3Ti3Al合金℃/1h炉冷

α2片（白）+晶界残余β相（暗）

TiAl（γ相）是一种金属间化合物，具有四方结构。与常规钛合金相比具有更高的使用温度，但是其热加工工艺性差、室温塑性很低。

Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金Ta=℃，其力学性能如表4-2所示，显微组织如图4-4~图4-11所示。

表4-2Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金力学性能

图4-4Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金的铸态片层组织α2+γ

图4-5Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金变形的片层组织α2+γ

图4-6Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金变形后形成的等轴组织α2（白）+γ（灰）

图4-7Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金0℃/1h空冷，α2（白）+γ（灰）

图4-8Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金1℃/1h水淬α有序转变为α2（白）

图4-9Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金℃/2h空冷，

等轴α2（白）及γ（灰）+片层γ与α2

图4-10Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金℃/2h空冷+℃/4h空冷，

等轴α2（白）及γ（灰）+片层γ与α2

图4-11Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金1℃/1h炉冷，片层γ与α2

TiNi合金具有超弹性及形状记忆等特殊性能，因而在航空航天、原子能、海洋工程、仪器仪表和医疗器械等领域有广泛的应用前景。

图4-12Ti44Ni47Nb9铸态组织初生树枝晶（亮）+共晶体（灰）

图4-13Ti44Ni47Ta9铸态组织初生α(TiNi)树枝晶

（包含大量细弥散粒子NiTa2）（亮）+共晶体（灰）

图4-14Ti44Ni47Nb9Al1铸态组织初生树枝晶（亮）+共晶体（灰）

图4-15Ti44Ni47Nb9合金轧制加工态，为拉长的条状组织

图4-16Ni47Ti44Ta9合金轧制加工态，为拉长的条状组织

图4-17Ni47Ti44Nb9Al1合金轧制加工态，为拉长的条状组织

Ti75合金具有良好的铸造性能，经常用于泵、阀壳体的铸造。

Ti75合金力学性能见表5-1，显微组织如图5-1~图5-2所示。

表5-1Ti75合金铸造管坯力学性能

图5-1Ti75合金管坯铸件组织，粗大原始β晶粒，基体为片状β转变组织

图5-2Ti75合金管坯铸件经40%旋压变形，片状β转变组织呈弯曲状

Ti高温钛合金也具有良好的铸造性能，经热等静压后可获得优异的室温、高温力学性能。

Ti合金力学性能见表5-2，显微组织如图5-3~5-6所示。

表5-2Ti高温钛合金铸态及经热等静压处理后的室温、高温性能

图5-3Ti合金小型铸件组织，原始β晶界呈弯曲状，基体为片状β转变组织

图5-4Ti合金小型铸件组织，原始β晶界呈弯曲状，基体为片状β转变组织

图5-5Ti合金铸件经℃/MPa/2h热等静压处理后组织，为全片层β转变组织

图5-6Ti合金铸件经℃/MPa/2h热等静压处理后，部分区域的α片被球化

补充：

α+β钛合金

TC20

图1℃/1h退火，空冷

腐蚀介质HF+HNO3+水(1:6:)

图2退火

出自《钛及钛合金金相图谱》

作者：赵永庆洪权葛鹏

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