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——淺析鈦與鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展.第二篇《鈦合金》

首先感謝大家的鼓勵(lì),。特別是嚴(yán)重感謝Zibao版主,，“該出手時(shí)就出手”，才讓俺這個(gè)系列文章從“與本版塊定位不符已被管理員刪除”的垃圾站中起死回生,，出來透了口氣兒,。多謝領(lǐng)導(dǎo)挽救！

近年來,，很多軍迷正在從簡單的“兵器對(duì)對(duì)碰”裝備比拼,，逐步走向動(dòng)力體系、氣動(dòng)設(shè)計(jì),、電子體制等諸多裝備要素的探討,，或者深入到材料、工藝,、生產(chǎn)裝備等基礎(chǔ)研究的專業(yè)領(lǐng)域,。這是好事，也是兵器迷行文的目的,。軍壇也似乎正在逐步從新聞表面的喧囂,，更多的擴(kuò)展到專業(yè)底層——那些因枯燥、苦澀,、沉重,、默不作聲而被忽視了很久的東西，那些骨灰級(jí)軍迷和深切的愛國者需要學(xué)習(xí)和培養(yǎng)的東西,。

第一篇對(duì)鈦的性質(zhì)和鈦材的生產(chǎn)做了介紹,。鈦雖然有很多優(yōu)良的性質(zhì)，但是,，事物總是兩面的——兵器迷經(jīng)?！暗恰焙竺孀鑫恼隆冣佉灿泻芏嗳觞c(diǎn):

首先，鈦在高溫時(shí)的化學(xué)活性比較高,。鈦本身耐熱,，在500℃以下相對(duì)穩(wěn)定,。不過，在大氣中,，鈦250℃開始吸收氫,，400℃開始吸收氧，600℃開始吸收氮,，甚至,，在鈦在500-600℃的純氧中可以自行燃燒。雜質(zhì)的增加,，會(huì)破壞鈦的強(qiáng)度和塑性,。這給鈦的使用與熱加工帶來了很大的麻煩。第三篇談時(shí),，我們會(huì)再涉及這個(gè)話題,。

再有，鈦的導(dǎo)熱性差,，只有鐵的1/3,鋁的1/5,摩擦系數(shù)大（0.42），抗磨性也不高,。因此容易使刀具和工件的溫度急劇升高,，造成粘刀，降低刀具壽命,，切削加工性差,。

最后，鈦的彈性模量低,，抗變形能力差,，只有鐵的55%，影響制件的剛度,，這也是為什么,，我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)中看到很難看到細(xì)長的鈦合金承力構(gòu)件的原因。

為了在應(yīng)用鈦的時(shí)候揚(yáng)長避短,，人們采用了合金的方式,。即將鈦與其他金屬，或類金屬元素固溶在一起,，大幅度改善鈦材性能的短板,，以便更好的發(fā)揮鈦的長處，這就是本篇的重點(diǎn)——鈦合金,。

這一篇的特點(diǎn),，是專業(yè)術(shù)語較多。我們盡量繞開簡要介紹一下,，但無法完全避開,。感興趣的朋友可以找專業(yè)論著研讀,，一起交流(兵器迷啃這些東西頭大啊)。不感興趣的朋友,，就當(dāng)看個(gè)熱鬧罷了,。

鈦有兩種同素異晶體，即α密集六方晶系,，和β體心立方晶系,。根據(jù)溫度不同，鈦組織共析分解發(fā)生變化,，這兩種晶系結(jié)構(gòu)就會(huì)相互轉(zhuǎn)換,。簡單的說，α鈦和β鈦在鈦組織中所占的比例,，會(huì)隨著溫度發(fā)生變化,。一般來說，溫度越高,，鈦組織中的β相越多,，反之，溫度越低,，鈦組織中的α相越多,。根據(jù)鈦的α和β二元系相圖，純鈦在882.5度時(shí),，鈦的α相將向β相轉(zhuǎn)換（見下圖）,。如果溫度更高，達(dá)到1000-1600度,，鈦組織將逐漸液化,。

圖1：鈦的α晶格和β晶格及相互轉(zhuǎn)換

抱歉，這樣晦澀的描述……“鈦”難了了,，飄過……

鈦合金按照合金退火組織中,，鈦的α和β這兩種主要晶型結(jié)構(gòu)的占比，可以分成以下三類：

一,、α合金：這種鈦合金中的鈦以α相為主,，高溫性能好，抗腐蝕,，組織穩(wěn)定性好,，焊接性好，工業(yè)純鈦也屬于這一種,。缺點(diǎn)是常溫強(qiáng)度低,，塑性變形能力低，強(qiáng)度不高,，熱加工性差,。

如果一種元素有助于擴(kuò)大和穩(wěn)定鈦合金的α相區(qū),，提高α到β相區(qū)的轉(zhuǎn)換溫度，則這種元素就是α穩(wěn)定元素,。一般的,，耐熱鈦合金以加入α穩(wěn)定元素為主。

α穩(wěn)定元素中比較典型的是鋁,。鋁（Al）具有顯著的固溶強(qiáng)化作用,，在室溫和高溫都能強(qiáng)化合金的強(qiáng)度，改善鈦合金的熱穩(wěn)定性和焊接性能,。Al對(duì)鈦合金的多重屬性的改善,，類似于碳在鋼中的作用，因此在幾乎所有的結(jié)構(gòu)鈦合金中,，都能看到Al的影子,。

此外，鎵,、鍺,、氧、氮,、碳等也是α穩(wěn)定元素,。

二、β合金：這種鈦合金中的鈦,，以β相為主。屬于高溫穩(wěn)定態(tài),，合金強(qiáng)度高,，塑性加工性能好。缺點(diǎn)是合金組織性能不穩(wěn)定,，冶煉復(fù)雜,。

如果一種元素有助于擴(kuò)大和穩(wěn)定鈦合金的β相區(qū)，降低α到β相區(qū)的溫度,，則這種元素就是β穩(wěn)定元素,，。一般的,，高強(qiáng)度合金以加入β穩(wěn)定元素為主,。

β穩(wěn)定元素中比較典型的是釩（V）。釩有顯著的強(qiáng)化固溶作用,，在β鈦中可以無限固溶,，并在提高合金強(qiáng)度的同時(shí)，有效提合金的高熱穩(wěn)定性,，維持良好的塑性,。

此外,，鉬、鈮,、錳,、鐵、鉻,、硅,、銅、鈷等也是β穩(wěn)定元素,。

三,、α+β合金：這種鈦合金中α和β相的鈦都不少。α+β兩相鈦合金往往兼具α鈦合金和β鈦合金的特點(diǎn),，常溫強(qiáng)度高,，中等溫度的耐熱性也不錯(cuò)，熱處理強(qiáng)化性能和焊接性能良好,。

大家可能猜到了,，這個(gè)結(jié)果的形成，是由于人們?cè)阝伜辖鹬型瑫r(shí)固溶了α和β兩種穩(wěn)定元素,。

事實(shí)上,，僅僅靠一種或一類元素，對(duì)鈦合金的性能改善是有很大局限的,。因此,，人們往往將不同種類的α穩(wěn)定元素和β穩(wěn)定元素，或者再加上介于二者之間的中性元素（如鋯,、鉿,、錫、鈰,、鑭,、鎂），精心調(diào)配其中的比例和固溶工藝,，加入鈦合金配方中,，形成具有綜合優(yōu)化性能的α+β合金，兼顧鈦合金的各種性能要求,。

比如：某鈦合金TiAl24Nb13Mo1.5Si0.5,，用到了α穩(wěn)定元素鋁Al, 也用到了β穩(wěn)定元素鈮Nb、鉬Mo和硅Si

有朋友問了,既然如此,，是不是應(yīng)該重點(diǎn)開發(fā)α+β合金呢,？

完全正確。目前，α+β合金的應(yīng)用范圍確實(shí)是最廣的,，α耐熱合金其次,，β強(qiáng)度合金的應(yīng)用最少。因?yàn)殡m然鈦可以通過強(qiáng)化達(dá)到1000-1200MPa的抗拉強(qiáng)度,部分型號(hào)甚至可以達(dá)到1800 -2000 MPa, 但僅僅從強(qiáng)度水平看,，鈦合金的優(yōu)勢(shì)并不比最高2400MPa的馬氏體時(shí)效合金鋼明顯,價(jià)格還貴得多,。因此，鈦合金目前的主要應(yīng)用場景是耐熱,、耐腐蝕和結(jié)構(gòu)減重,，并保持強(qiáng)度和塑性，而不是單純的追求常溫下的高強(qiáng)度,。

那么,，中國能夠制造什么樣的鈦合金，特別是,，能夠制造α+β合金嗎,？

讓我們欣慰的是，這三類合金,，中國都有系列化的產(chǎn)品了,。

四中國國標(biāo)鈦合金

在2007年11月頒布施行的國家標(biāo)準(zhǔn)：GBT3620.1中，中國公布了鈦及鈦合金的牌號(hào)和化學(xué)成分,，包括76種鈦合金

表1：中國國家標(biāo)準(zhǔn)鈦及鈦合金牌號(hào)

這里需要說明幾點(diǎn)：

1 中國的鈦合金品牌中,，既包括添加了穩(wěn)定元素的鈦合金產(chǎn)品，也包括了沒有添加合金元素的工業(yè)純鈦產(chǎn)品,。即：在TA合金中,，包括了9種工業(yè)純鈦TA1-TA4。這與目前鈦工業(yè)大國的做法是類似的,，他們是：

美國的ASTM標(biāo)準(zhǔn)：Ti35,Ti50,Ti65工業(yè)純鈦鈦合金

德國的BWB標(biāo)準(zhǔn)：LW3.7024,，LW.3.7034工業(yè)純鈦鈦合金

法國的NF標(biāo)準(zhǔn)：T35,T40工業(yè)純鈦鈦合金

日本的JIS標(biāo)準(zhǔn)：KS50，KS60,，KS85工業(yè)純鈦鈦合金

在這些國家的鈦合金標(biāo)準(zhǔn)中，純鈦也算鈦合金,。因此在很多新聞報(bào)道中,，你看到純鈦也被稱作鈦合金，或者倒過來明明是鈦合金,，卻被稱為鈦,，其中有一些就是這個(gè)道理。

2 我們同樣可以在很多報(bào)道中,，看到國標(biāo)之外的合金描述方式,，有些是2007年后尚未收錄國標(biāo)的新品種，只有代號(hào)（如：Ti679），高溫鈦合金的代號(hào)往往與溫度相關(guān)（如Ti55標(biāo)識(shí)550度的鈦合金使用溫度）,。有些是在名稱中加入了加工工藝縮寫（如：鑄造鈦合金ZTi3）,。有些干脆用合金成分來表示（如：TiAl24Nb15Mo1.5）。大家見多了,，自然見怪不怪,。

說到這里，三大類鈦合金介紹完了,。

可是等等,，沒完呢，還有第四種,。

那位鼻子氣歪了,，兵器迷出爾反爾，名副其實(shí)的“說三”卻“道四”,，這不是自己打自己嘴巴嗎,？

您稍安勿躁，待俺細(xì)細(xì)講來,。

五,、金屬間化物鈦合金

金屬間化物——沒辦法，專業(yè)詞匯太多,?？蔀榱税压适轮v下去，該拽還得拽啊,。

上述三大類鈦合金,，尤其是TC類合金，大體保障了鈦合金在600℃以下環(huán)境中的使用,。但溫度再高,，就會(huì)出現(xiàn)材料的蠕變抗力下降和強(qiáng)度下降的情況。（所謂蠕變,，就是合金在高溫環(huán)境下時(shí)受到小于工作正常標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力,，出現(xiàn)持續(xù)緩慢形變的情況。）而現(xiàn)代航空工業(yè),，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè),，對(duì)鈦合金提出了更高的耐溫要求，α+β鈦合金因此面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn),。

經(jīng)過人們的深入研究,，發(fā)現(xiàn)上述單純采用固溶強(qiáng)化的三類鈦合金，其鈦原子與穩(wěn)定元素的原子之間,，是相對(duì)無序的混雜排列,，是物理溶解關(guān)系。而如果能夠讓他們的原子間的排列，遵循某種高度有序化的規(guī)律,，甚至達(dá)到二者之間以共價(jià)鍵的化學(xué)關(guān)系,，形式化合物——這就是金屬間化物——將會(huì)使金屬合金的整體強(qiáng)度得到提高。特別是在一定溫度范圍內(nèi),，合金的強(qiáng)度反而隨溫度升高而增強(qiáng),！

為此，西方發(fā)達(dá)國家的冶金學(xué)家經(jīng)過長期的努力,，終于研究出有序強(qiáng)化的鈦-鋁系金屬間化合物,。它具有高比強(qiáng)度、比剛度,、高蠕變抗力,、優(yōu)異的抗氧化和阻燃性能，Ti3Al基合金長期工作溫度在650℃左右,，而TiAl基合金工作溫度可達(dá)760℃~800℃,，從而突破了長期困擾鈦合金發(fā)展的600℃瓶頸。

兵器迷之所以剛才沒有提到這類合金,，有兩個(gè)原因,。一是金屬間化物鈦合金目前只是開了個(gè)頭，并非鈦合金的主流應(yīng)用,。二是2007版國標(biāo)中,，只有α，β,，和α+β三大類,，未見收錄此類間化物合金（也許尚未有國產(chǎn)化的產(chǎn)品通過國家的正式評(píng)審檢驗(yàn)）。在此補(bǔ)充說明一下,，是為了介紹鈦合金的最新發(fā)展趨勢(shì),，并希望引起大家的后續(xù)關(guān)注。

有些失望,？呵呵,。

其實(shí)，中國科學(xué)家也在金屬間化物鈦合金領(lǐng)域堅(jiān)持不懈的做著艱苦努力,。近年來,，已經(jīng)在公開報(bào)道中隱約看到了一束希望的曙光。能夠觀察和推測到的是,，中國科技工作者,，似乎已經(jīng)把他們研究的某種金屬間化物鈦合金,，自行取了名字——排在TA,TB和TC合金之后,，就叫TD合金。

第四篇還有TD和其他國產(chǎn)鈦合金在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)介紹，您接著瞧,。

鈦合金作為金屬世界的奇葩,，其發(fā)展和進(jìn)步都帶有一絲神秘的色彩。這種神秘在一定程度上,，來自于它的復(fù)雜,。而這種復(fù)雜，更多的體現(xiàn)在鈦合金元素的配方和固熔工藝上,。為了達(dá)到一種理想的合金性能,，需要不知多少次試制、試驗(yàn)和分析比對(duì),，才能真正了解這樣的復(fù)雜性,。

比如前述國標(biāo)中的TC合金（也就是α+β合金）中的TC21，其化學(xué)成分是Ti-6Al-2Mo-1.5Cr-2Zr-2Sn-2Nb,。也就是說,，除了α+β相的鈦基以外，還要添加鋁,、鉬,、鉻、鋯,、錫,、鈮六種穩(wěn)定元素——好比中藥中的君臣佐使，各味藥材共同作用,，才能提供最佳的藥效和最小的副作用,。

兵器迷把鈦合金配方比作中藥，是有道理的,。大家知道,，中藥的配方是十分精道的，其中每一位藥的大致功效也是清楚的,。但是多位藥配合起來的藥方,，其藥理就并不十分精確。這種了解功效甚于了解藥理的情況,，在鈦合金行業(yè)是很常見的,。

比如：在鈦鋁合金Ti-Al中，人們?cè)趯?shí)踐中發(fā)現(xiàn),，當(dāng)Al的質(zhì)量在鈦合金中占7%以下時(shí),，Al越多，合金的強(qiáng)度越高,，而密度越低,。當(dāng)然,，這還需要鋁和其他合金元素如何達(dá)到最佳配合。為此,，冶金學(xué)家盧森伯格（Rosenberg）提出了一個(gè)著名的鈦合金成分鋁當(dāng)量經(jīng)驗(yàn)公式：

Al*=Al%+1/3Sn%+1/6Zr%+1/2Ga%+10[()]%<8%-9%

即鋁當(dāng)量的低于8-9%,，就不會(huì)出現(xiàn)不利的鈦α2相析出。這一公式對(duì)用途最為廣泛的鈦合金,，即Ti-Al合金的生產(chǎn)具有決定性的指導(dǎo)意義,。但這卻是建立在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的，其物理意義至今不明,。

所以,，老牌工業(yè)國家如英美德日，為什么功力深厚,，原因是很多的,。理論扎實(shí)是一方面，經(jīng)驗(yàn)積累又是一方面,。就后者來說,，很多東西，甚至不是諾貝爾獎(jiǎng),、專利,、著作這類明面上的東西能完全說得清、道的明的,。書上那些東西,，你能追，至少知道差在哪兒差多少,?？墒遣僮鹘?jīng)驗(yàn)、技術(shù)訣竅,，管理細(xì)節(jié),，是不知道的差距，因此很難快速和普遍掌握,。別說鈦合金了,，就說低端產(chǎn)業(yè)：國內(nèi)有個(gè)縫紉機(jī)廠家，資金雄厚,，收購了德國一家縫紉機(jī)廠,，工藝專利技術(shù)圖紙都買了。再做,，做到人家質(zhì)量的90%左右,，就再也上不去了，再上成本就爆了,。甚至就是成本爆了也做不上去,，而且,，還不知道為什么。

和中國改革一樣,，容易得的紅利都得了。下面的事情,，沒有教科書了,。

咋辦？

砸錢是一回事,。也許中國人不差錢了,。好吧，這個(gè)可以有,。

砸心思是另一回事,。日本人看了中國的象牙微雕說，我們做螺絲的心思就像你們做牙雕一樣,。所以你們中國人牙雕做的好,，我們?nèi)毡救寺萁z做得好——這不是在夸中國人。真心的,，不是,。

砸時(shí)間又是一回事。什么是積累,，什么是耐得住寂寞,，什么是失敗是成功之母。十年,、二十年失敗,，把能失敗的都失敗了，也就該成功了,。所以才說,，那些失敗，是成功的種子,。

砸錢,、砸心思，砸時(shí)間,，甚至要一代一代砸下去,。

過去的，一定會(huì)過去——象貿(mào)易違法了,，估計(jì)牙雕的手藝,，慢慢的，就失傳了,。

可是,，只要中國人把做牙雕的精神,，一代一代傳承下來，去做螺絲,，去做鈦合金,，去做單晶合金、去做發(fā)動(dòng)機(jī),，去扎扎實(shí)實(shí)做好每一件事,，中國人就一定能追上、甚至超過我們的對(duì)手

如此,，過去的依然會(huì)過去,，但中國人的手藝，就永遠(yuǎn),，也不會(huì)失傳了,。

欲知后事如何，且聽下回——《加工鈦合金的工藝》分解,。