本文主要介绍钛和钛合金的生产方法、特性、合金化方向、分类以及现阶段的研究。

1、生产方法

钛作为一种化学元素，是英国人维利雅姆•格列高尔在1791年发现的•钛作为一种结构金属，50年前才开始使用•钛在自然界中的分布相当广泛，金属中仅次于铝、铁、镁居第四位•

钛作为工业结构金属的开发，晚于其它金属，这是因为钛是一种难以熔化的、而在高温下化学活性很高的元素，从矿石中提取金属钛以及由金属钛生产制品，都存在很大的技术性困难．自从真空冶金方法和其它新 工艺方法出现以后，才克服了这些困难• 钛的特点之一，是能与空气中的氧和氮产生剧烈的相互作用，形成脆性的合金，即使钛中的氧、氮的含量只有百分之几，也足以使合金变脆•所以，金属钛真实的机械性能，直到不久前，也就是以碘化法制得高纯钛以后才得以确定•

由于钛对氧的化学亲和力高，由氧化物矿石提取纯金属的尝试，在经济技术指标方面没有得到令人满意的结果•用钛与卤素（氯、碘）的化合物作原料，可得到高纯金属•用于研究目的的高纯钛，可通过挥发性碘化钛的热解法来制得，即所谓的碘化法• 生产工业用途的工业纯钛，可用镁（镁热法）或钠（钠热法）还原四氯化钛的方法，其中镁热法应用最为广泛．

应该指出，电解法目前仅用于钛的除杂精炼（溶解阴极法) .由氧化物矿石作原料进行钛工业生产的许多电解实验，至今都是不成功的，这是因为其成本高于氯化钛的镁热还原法或钠热还原法•

用氢化钙还原纯氧化钛的方法〔第匹种方法），仅在制取特殊用途细钛粉方面有少量的应用，因为该方法既不能保证还原的充分性，也不能保证产品有需要的纯度水平．镁热制钛方法的优点，是金属镁价廉易

得，各工业发达国家都能生产，此外，可形成闭路的生产循环，而还原反应的副产品（氯化镁）还可用于制取生产过程所需要的两种原料一氯和金属镁，从而显著降低了生产成本•

镁热法的缺点，是其生产不连续•开发连续生产方法，将能进一步降低目前还相当高的钛生产成本，同时提高生产效率．

1995年全世界金属钛的总产量为5 • 54 万t.主要的产钛国和用钛国有美国、独联体国家、日本和中国•钛和铁、铝、镁、镍一样，是现代机器制造业最重要的材料之一。

2、特性

钛作为结构材料的优点，是众所周知的，钛的重量轻、在很宽的工作温度范围内有较高的持久强度，可广泛应用于航空、宇航和其它的机器制造部门•钛的耐腐蚀性高，可使用于化学机器制造业和其它部门• 钛可使用在由极端低温到500一600 ℃ 的温度范围内，纯钛和某些钛合金，甚至在液氦中也不变脆，而钛铝合金甚至可使用到 750一850 ℃．在从低温到高温的整个温度范围内，钛合金的比强度均超过其它结构材料•

钛与铁一样，是多晶型金属，因而钛合金具有各种各样的组织形态和相组成．钛的综合物理化学性能与铁族金属极不相同，所以将现代的研究方法应用到钛合金上也有一定的特点，甚至是制备显微组织与宏观组织磨片，都有一定的困难，因为钛有粘附切削工具的特性•钛及钛合金试片的机械加工，磨削和抛光，应采用特殊的工艺方法与操作规程•由于钛的氧化与渗氢，制备透射电子显微镜检查用的箔片存在不少困难•钛及钛合金在酸洗时，在渗氢性制剂和电解质中都会吸收大量的氢，结果使试样的相组成与原始值相去甚远•

尽管钛合金（不包括金属间化合物）中只有为数较少的相（愎、  ，但由于这些相的晶格取向对应关系接近，而使其x射线反射处于相近的、通常相互重叠的角度范围，这就给解释x射线组织分析的结果以及电子照相的分析结果造成困难•

合金的金相研究方法，通常广泛应用于半成品和成品的控制与调整．例如，研究宏观组织便可查因铸锭铸造工艺不完善而造成的化学成分不均匀性、晶粒不一致性以及材料的其它缺陷•显微分析可判断是否违反了不同的工艺加热规范，诸如压力加工前加热、退火、热处理强化等规范•为了评价断口的组织形态并研究在使用时发生破坏的原因，正越来越多地使用金相分析法及其相似方法•

金相学的重要组成部分，是二元系、 元系及多元复杂系的相平衡图•关于多元复杂系相平衡图的资料还很有限，在使用相平衡图时应该注意使其处于最接近相平衡状态的条件下，在工业条件下，由于冷却速度高，合金不会实现平衡状态，而其相组成则与理论值有相当大的差距．某些钛合金实现平衡非常缓慢：例如建立Ti-cr系相平衡图在实验方面存在很大的困难•而且根据相平衡图通常只能确定大致的相组成，并判断应该如何在合金状态接近平衡的条件下调整相的数量与组成•

根据相平衡图，可以预测合金性能与其化学成分及相组成之间的关系．H ℃ •库尔纳科夫曾提出假设，两相合金的性能是加和性的•而后，A • A •博奇瓦尔院士指出，如果两相二元合金化学成分的变化能显著改变单个的晶粒尺寸，则违反加和定率•札菲发现两相二元钛合金性能偏离加和定律•而后，B • H •莫依谢耶夫通过比较札菲的理论用其它方法，发展了两相钛合金遵守加和定律的论点• •A •科拉切夫对这些规律性进行了总结•

3、合金化

钛的合金化可使其强度提高1一2倍，在某些情况下还可提高耐腐蚀性•工业钛合金的主要合金化元素是铝•以Ti—Al系为基础，研制了一系列的可焊钛合金•除此而外，铝存在于几乎所有的钛基合金成分中．所以，Ti— Al系对钛合金的意义相当于 Fe—c系对铁基合金的意义•

重要的合金化添加剂还有钒和钼•高强钛合金的基础为Ti—Al-V三元系，而热强钛合金的基础则为Ti—Al—Mo三元系•例如Ti—6Al—4V合金（通常用6一4代号表示）是最常用的一种合金•哈森研制的这一合金，对于发展钛工业所起的作用，不小于维里姆硬铝对发展铝冶金工业所起的作用• 由于多组分合金化趋势的出现，许多现代钛合金同时含有铝、钒、钼•

除这三种金属以外，还有七种金属可作为工业钛合金的合金化组分：Cr、Mn、 Fe、Cu、sn、zr、w.有时也使用铌和钽•在某些实验合金的组分中，还可见到镓、锑、铋，但是这些合金都没有得到广泛的工业应用•将钯和铂加人纯钛，提高其在强腐蚀性介质中的稳定性，尤其是在无机酸中的稳定性•对钛合金而言，最有意义的非金属包括硅和硼，以及可形成间隙固溶体的元素一碳、氧、氮、氢，通常在钛合金中加硅，可提高热强性，加硼可起到改性作用•这些元素通常属于有害杂质，其含量应尽可能的小•而且，氧在已知的范围内可看作是合金化添加剂，在任意钛合金的炉料计算中，其强化作用都必须加以考虑•不同牌号工业纯钛强度的差异，正是由于氧和其它杂质含量的不同而造成的，其中氧含量是主要因素•在工业条件下，原料钛中杂质含 的多少按其对瞬时抗断强度的总和作用加以考虑•这样就没有必要对每种杂质的含量进行化学分析，还可避免因海绵钛中杂质分布不均匀而造成的分析误差．由于熔融金属超快凝固工艺的开发方面的最新发展，将一些新的合金化元素（因为其固态溶解度小，早先认为是没有前途的合金化元素）用作合金化组分也是有意义的•可用于钛的这类元素是稀土元素，采用超快凝固工艺时添加稀土元素可获得热稳定弥散强化型钛合金•

根据合金化元素影响钛多晶型转变温度的效果，合金化元素可分以下三类：

第一类元素为提高钛多晶型转变温度的 稳定剂•列人仪稳定剂的金属包括铝、镓、铟，非金属有碳、氮、氧•

第二类元素为降低钛多晶型转变温度的 稳定剂•含有第一类元素的钛合金在足够低的温度下发生相共析分解：=“  这种元素有Cr、Mn、Fe、Cu、Ni、Pb. Be、co,它们被称之为共析型稳定剂• 含有第二类元素的钛合金，在其含量足够高的情况下，固溶体可保持到室温而不发生共析分解•这种元素被称作同晶型稳定剂•这类元素有v、MO、Nb、Ta.第三类元素()u、Rh、Re、Os、(r)在富钛区与钛形成的相平衡图，相当于钛与同晶型稳定剂形成的相平衡图•在这类元素含量足够大的情况下，相在室温下是完全稳定的，只是在相对贫钛区出现新相和与其有关的无变量平衡•

钨与钛形成连续固溶体，然而当温度下降时相发生类偏晶转变

“ " •当温度低于类偏晶点时该系的平衡，类似于含有同晶型元素的钛系的相平衡，在两种情况下，仪和固溶体均处于平衡状太

所以，Ru、Rh、Re、Os、Ir、W元素属于近同晶型稳定剂•而且这些元素对淬火钛合金相组成的影响，类似于同晶型 稳定剂的影响•在淬火之后，当钛合金中这些元素的含量足够时•马氏体为 马氏体所取代，这与含有同晶型稳定剂 、MO、Ta、(b)的合金相类似•

第三类是指对钛多晶型转变温度影响较小的合金化元素•可列人这类元素的有 sn、zr、GC、Hf和，这些元素被称为中性强化剂•

钛中的合金化元素及杂质，还可分为置换元素和间隙元素•图1对钛中合金化元素与杂质的分类做了总结•

钛合金的基础是以钛的两种同质多晶型变体为基的固溶体一僕和它们可形成不同的显微组织•除固溶体之外，合金组织中还可以存在碳化物、氢化物以及其它的金属互化物，例如常见的少量硅化物•

目前，关于钛合金的相组成、组织与性能，主要按Ti-Mo类型相平衡图来判断，同时通过钼当量来考虑除钼以外的其余所有 的作用．在使用钼当量时，可将所有的合金化元素按其影响钛多晶型转变的程度做顺序排列．这种影响的特征是该元素在钛二元合金中淬火获得百分之百组织的最小需要浓度•把钼的相应浓度作为1.钛合金相组成的这种分析方法，类似于按系数评价铜合金相组成的方法•采用“钼当量'的原因多多少少是因为未能建立最重要的钛基多组分系相平衡图，未能确定复杂系成分一性能的普遍规律性•应该指出，早就需要更有效地使用三元系和三元以上复杂系，来描述钛合金的相组成以及热处理时在钛合金中发生的转变•

 4 分类

用一种或几种稳定剂合金化的“• 40。

组织的工业钛合金，很容易按合金成分接近临界值的程度进行分类•为此，可采用合金阝稳定化的所谓标准系数．系数取决于所研究二元合金中稳定剂含量与其在临界成分Ckp二元合金中含量（即区淬火可获得百分之百组织的最小合金化程度的合金）的比例•由此可见， K,= C/ Ckp,式中c一合金中稳定剂的含量•所以，亚临界成分合金的该系数小于 1，临界成分合金等于1，超临界成分合金大于1.例如，二元钛合金的钼临界浓度为 10％•所以含有4％MO的合金，：4 / 10一0 • 4，而含有16％M。的合金，一16 / 10一1 •6，依次类推•

用类似的方法不但可以评价二元合金的 稳定系数，还可评价含有几种稳定元素的复杂合金的稳定系数•在此情况下，需要作出一系列的假设•不考虑铝（在二元合金中铝是仪稳定剂）以及锡和锆（属中性强化剂）等元素对相稳定化的影响•不考虑稳定剂在仪钛中的溶解度，大多数元素的溶解度在0 • 2％一0 • 9％之间（不包括钒、铌、钽，这几种元素在。钛中的溶解度为几个百分点) .当提高稳定剂含量时，相的稳定性呈直线变化，一种合金中同时存在数种阝稳定剂的作用是加和性的，也就是说等于每种阝稳定剂稳定系数的简单总和•所以，复杂合金的稳定系数与其说是个质量特性，倒不如说是数量特性．而且，它可相当精确地预测多组分工业钛合金相组成及工艺加热特性•此外，它还是+组织钛合金合适的分类基础•

根据该分类体系，所有的工业钛合金可方便地分为五类（表1) :合金（不含阝稳定剂），近仪合金邙稳定系数不大于 0 • 25），两相“合金邙稳定系数0 • 3一 0 • 9），近合金稳定系数为1.4一2 • 4）和合金稳定剂含量大于相的平衡组成，> 2 • 5) . BT22合金与其余所有合金均有所不同，最好将其列人单独类型一过渡类型“合金•这些合金类型中的每个合金类型都各有各自的综合性能与特点•

5研究

钛合金可发生不同类型的相变，包括马氏体转变及不同亚稳定相分解的过程•尽管在该领域进行过大量的研究，不同钛合金的相变机制仍不很清楚，这是因为存在各种各样的中间相变阶段•而且针对热处理过程中的实际情况相当多地研究了相变的基本规律•建立了大多数工业钛合金加热到不同温度时的等温转变图，这就可以选择热处理规范，从而保证合金的规定相组成及其特性• 很遗憾，建立的非等温转变图则很少，这就很难预测在连续冷却时形成的合金相组成• 然而等温转变图及非等温转变图只能反映合金的相组成，并不能提供有关合金形态• 42 •

与尺寸及相组成方面的任何信息，而且，钛合金的机械性能对显微组织的类型与参数极为敏感•根据组织因数的不同，断裂韧性和疲劳强度等重要的使用性能，可相差几倍，而疲劳裂纹的长大速度则相差一个数量级• 组织类型对机械性能的影响是不同的•形成片状组织可提高断裂韧性、降低疲劳裂纹长大速度，但同时却降低钛合金塑性性能以及在循环负载下的抗断强度•所为了保证最佳的综合性能，必须严格限制钛半成品和成品的组织类型及其参数•

尽管钛合金主要用于退火状态，但却越来越多地使用到热处理强化，这样就可在保持塑性的情况下使强度性能提高30％一 60％•然而这会显著降低断裂韧性•而合理的强化处理则应该使合金得到比退火状态性能更好的综合使用性能•