钛及钛合金

钛及钛合金是一种新型的结构材料，具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀以及低温韧性良好等优点。目前，钛及钛合金的冶炼和使用已居金属材料的第三位，在航空航天、化工、导弹、舰艇等方面得到广泛的应用。

纯钛

纯钛是银白色金属 （图8-36），具有同素异构转变，在882℃以下为密排六方晶格的α-Ti，882℃以上为体心立方晶格的β-Ti。钛的密度为4.507g／cm3，熔点为1670℃，塑性好，强度低，易于冷变形加工，可制成细丝和薄片。钛的化学性质极为活泼，但其表面能生成一层致密的氧化膜，因而具有良好的耐蚀性。纯钛主要用于350℃以下工作、强度不高的零件，如石油化工用的热交换器、反应器，海水净化装置、船舰零部件、日常生活及医疗器械等。

图8-36 纯钛

纯钛的牌号以 “TA”加顺序号表示，有TA1、TA2、TA3三种。顺序号越大，杂质量越多，强度越高，塑性越差。常用工业纯钛的牌号、力学性能及用途见表8-9。

表8-9 常用工业纯钛的牌号、力学性能及用途

钛合金

以钛为基体，加入铝、锡、铬、锰、钒、钼等元素就得到了钛合金。钛合金具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等优点，在航空、航天、造船、医疗等领域得到了广泛的应用。图8-37为钛合金轴承，图8-38为钛合金避震山地车，图8-39为钛合金人造骨。

根据使用状态的组织，钛合金可分为三类：α钛合金、β钛合金和α＋β钛合金。

1.α钛合金

α钛合金主要合金化元素有铝、锡、硼等。这类合金不能热处理强化，热处理只能进行退火，主要依靠固溶强化，强度低于其他两类钛合金，但在500℃～600℃高温条件下，具有更高的强度，并且组织稳定，抗氧化性和抗蠕变性好，焊接性能也很好。

图8-37 钛合金轴承

图8-38 钛合金避震山地车

图8-39 钛合金人造骨

2.β钛合金

β钛合金主要合金化元素有钼、铬、钒、铝等。经淬火加时效处理后，得到较稳定的β相组织。这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，应用受到限制。β钛合金主要用于350℃以下工作的结构件和紧固件，如飞机压气机叶片、轴、弹簧、轮盘等。

3.α＋β钛合金

α＋β钛合金主要合金化元素有铝、钒、钼、铬等。这类合金可进行热处理强化，兼具α钛合金和β钛合金的优点，用途广泛。其中Ti-6Al-4V合金 （TC4）在400℃以下使用时，具有较高的强度、良好的塑性及焊接性，并且组织稳定，占全部钛合金使用量的75％～85％。常用钛合金的牌号、力学性能和用途见表8-10。

表8-10 常用钛合金的牌号、力学性能及用途

视野拓展

钛合金人造骨

钛合金的弹性模量与人体骨骼相近，耐腐蚀性能非常强，并且在目前所有的金属材料中，钛是唯一无毒并且与人体组织相容性非常好的金属。第一个在医疗领域中广泛使用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金。20世纪80年代中期开始研制出无铝、无钒、具有生物相容性的钛合金，并将其用于矫形手术。日本、英国等国家也在这方面做了大量的研究工作，并取得一些新的进展。例如，日本已开发出一系列具有优良生物相容性的α＋β钛合金。在我国，据中国科技网报道，目前第四代3D打印机已引进国内一些医院，它能打出钛合金物件，有望直接用作骨科材料植入人体。而在前不久，白求恩国际和平医院神经外科有一名罕见肿瘤患者，因为脑壳受到肿瘤细胞包裹侵蚀，3／4的脑壳都被更换为钛合金的 “人工脑壳”。

练习与实践

一、填空题

1.根据钛合金在退火状态的相组成可分为__________、__________和、__________型钛合金，分别以__________、__________、__________表示。

2.金属钛具有同素异构现象，882℃以下为__________晶格，称为__________；882℃以上为__________晶格，称为__________。

二、简述与实践题

钛合金的应用主要集中在哪些领域？应用前景如何？