1。2 钛合金简介

英国的矿物学家和化学家William Gregor于1791年发现了钛元素的存在，四年后德国化学家Martin Heinri ch Klaproth 因其难以提取而引用神话中人物的名字“Titans”将其命名为“Titanium”[7]。二十世纪中旬出现有商业用钛的生产。直到今天，钛和钛合金的主要应用领域仍是在航空航天领域，而在其它各个领域如医药工程、建筑工程、化学工业、海洋、能源、休闲体育等领域的应用程度与此同时在日渐增大。

即使钛在地壳中含量很丰富，在元素含量排名中排名第九位，在结构金属的含量中排名第四，仅次与铝、铁、镁，但是高含钛量的矿源却非常少见，而且获取金属钛的难度很大，所以钛的价格非常高并被归类为稀有金属。

钛的密度是4。51g/cm3，是轻金属中最重的（轻金属和重金属以密度5 g/cm3为分界点），其密度虽为铝的两倍，但只有铁或镍的一半左右。钛合金有两点优异的性能：一是比强度高，二是抗蚀性优异。这些优点使得钛合金在航空航天技术、化工生产、生物工程的应用中占有很大优势。同时，钛在高温（600℃以下）下仍然能保持比较高强度比，碳纤维增强的塑料在低于300℃的时候比强度才会比钛合金高。钛的氧化是影响高温比强度的重要原因。因为钛铝化合物可以一种程度上能减少钛的高温氧化，所以钛铝合金一直是各国研发的热点。一般的高温钛合金的使用温度在500℃左右，而钛铝基合金可以与发展成熟的高温钢和镍基超合金相媲美[7]。

图1。2。1 几种结构材料的比强度-使用温度关系比较

1。3 钛合金的相变及热处理

和许多其他金属相同，钛的结晶在不同温度下会有不一样的晶体结构。在温度较低时，纯钛以及大部分的钛合金结晶形成接近理想状态的密排六方结构（hcp），即α-Ti；在温度较高时，钛和钛合金的结晶容易形成体心立方结构（bbc），即β-Ti，纯钛的β相变的温度是（882±2）℃[8]。

通常，不同的合金化元素对钛的结晶影响不同，根据该元素与钛合金化之后对其α相区和β相区的影响，一般将其分类成中性元素、α相稳定化元素和β相稳定化元素。

图1。3。1 合金化元素对钛合金相图的影响

一般来说，根据其晶体结构的不同，钛合金有三大类型：α合金、α+β合金和β合金，再详细区分有近α合金和亚稳β合金[9]。这种分类方式的依据是退火后合金的组织构成。α合金是退火后以α-Ti为基体的单相固溶体的一类合金，其合金化元素一般是中性或α稳定化型元素。α+β合金的退火后组织为α+β相，同时加入α稳定元素和β稳定元素，此类合金具有较好的综合力学性能。近α合金是在α+β合金基础上减低了β相的含量，因为β相中原子扩散快，所以这类合金提高了抗蠕变能力，同时少量的β相减低了α相的脆性。β合金加入多于17%的β稳定元素，得到的是β相组织，具有良好的加工性能。

钛合金这两种相的组合形式、含量比例以及各自的特性决定了钛合金的性能。hcp结构的α-Ti比bbc结构的β-Ti相比较，其堆积密度更高以及晶格结构是各向异性的。相比于β相，α相具有以下几点特征：（1）更高的抵抗塑性变形能力；（2）较低的塑性；（3）力学和物理性能更强；（4）扩散速率至少低两个数量级；（5）更高的抗蠕变性能。