5-3 钛合金及其热处理

钛被归类为轻质金属材料，因为它的密度约为铁的1/4，并且具有较高的比强度和优异的耐腐蚀性。因此，它用于机械工业和运输设备等要求轻质和高强度的结构件，以及化学工业和船舶等强调耐腐蚀性的设备。

钛的耐腐蚀性非常好，特别是在含有氯（Cl）离子的海水和硝酸等氧化性酸的环境中。但在硫酸、盐酸等非氧化性酸的环境下效果不是很好。这种优异的耐腐蚀性的原因是在表面形成了稳定的氧化膜（TiO和TiO2），这表明钛对氧具有极高的亲和力。

在JIS中，JIS H 4650有4种纯Ti（1～4种）、13种耐蚀Ti-Pd合金和Ti-Ru合金（11～23种）、1种Ti-Al合金（50种）种类）、种类），规定了 5 种 Ti-Al-V 合金（60 种、61 种、80 种）。纯Ti具有优良的耐海水性，Ti-Pd合金和Ti-Ru合金具有良好的耐缝隙腐蚀性能，Ti-Al-V合金具有高强度和优良的耐腐蚀性能。

如表1所示，钛及钛合金的主要种类，金相组织因合金成分而异。纯钛的金属组织为α相（致密六方晶），但根据合金成分的种类和数量，呈现β相（体心立方晶）或α相和β相的混合相。例如，添加作为合金元素的铝(Al)扩大了α相区域，对固溶强化有效。另外，钒(V)和钼(Mo)的添加扩大了β相区域，对强化析出有效。

表1 钛及钛合金棒材的种类及特性/用途

(1)α相合金：强度不能通过热处理提高，但通过轧制等塑性加工显着提高。它具有优异的耐腐蚀性，尤其是耐海水性。

(2)α相和β相混合合金：强度可以通过热处理来控制（固溶热处理→时效处理）。常用于要求高耐腐蚀性和高强度的产品和零件。

(3)β相合金：在钛合金中，通过热处理可以获得更高的强度。α相和α相与β相混合相合金在室温下很难进行塑性加工，而β相合金经过凝固热处理后易于塑性加工。

更常用的钛合金是Ti-Al-V合金，它是α相和β相的混合相合金。如表1所示，类型包括Ti-6Al-4V合金（60种）、Ti-3Al-2.5V合金（61种）和Ti-4Al-22V合金（80种），均经过退火处理。特点是凝固热处理后强度高。这些合金的强度可以通过凝固热处理后的时效处理进一步提高，强度的程度因热处理条件而异。

表 2 显示了热处理后 Ti-6Al-4V 合金的机械性能示例。可知通过热处理提高了强度，热处理条件的影响大。当钛在400℃或更高的温度下加热时，它很容易与大气中的氧和氮发生反应，在表面形成氧化物和氮化物。因此，在对钛合金进行热处理时，不仅要充分注意温度条件，还要注意加热气氛。例如，使用真空热处理炉进行光亮热处理时，即使加热压力为高真空，如果炉内残留氧气或氮气，也会在表面发生反应而变色。换言之，在对钛合金进行真空热处理时，必须将炉内置换为氩气或氦气等惰性气体。

表2 Ti-6Al-4V合金热处理及力学性能举例