钛及钛合金 金相图谱（2）
β型钛合金
β型钛合金中又分为稳定β合金、亚稳定β合金、近β合金。
稳定β合金含有大量β稳定元素，退火后全部为β相。其室温强度较低，冷成形性好，在还原性介质中耐蚀性较好；典型合金有Ti40。
亚稳定β合金含有临界浓度以上的β稳定元素，少量的Al（一般不大于3%）和中性元素，从β相区固溶处理(水淬或空冷)后，几乎全部为亚稳定β相，这类合金冷加工性好，时效强度高。
近β合金含有临界浓度左右的β稳定元素，和一定量的中性元素及铝，从β相区固溶处理后有大量亚稳定β相及其他亚稳定相(α或ω相)，时效后，主要是α相和β相，这类合金适合加工成锻件产品，具有优良的强韧性匹配。
Ti40合金是90年代中期由西北有色金属院研制的一种Ti-Cr-V系阻燃钛合金，属于稳定β型钛合金，合金相变点约400℃。应用于高性能航空发动机机匣等部位。Ti40合金典型力学性能如表3-1表3-2所示。图3-1~图3-9为Ti40合金常见的微观组织。
表3-1 Ti40合金室温力学性能
表3-2 Ti40合金高温蠕变性能
图3-1 Ti40合金热加工态组织：弯曲状β晶界
图3-2 Ti40合金600℃退火组织：弯曲状β晶界+少量加工流线
图3-3 Ti40合金700℃退火组织：等轴β组织
图3-4 Ti40合金800℃退火组织：等轴β组织（β晶界平直化）
图3-5 Ti40合金固溶组织：等轴β组织
图3-6 Ti40合金520℃/250MPa/100h蠕变后组织：等轴β组织
图3-7 Ti40合金535℃/250MPa/100h蠕变后组织：等轴β组织及变形引起的孪晶
图3-8 Ti40合金蠕变后形成的位错形貌(TEM)
图3-9 Ti40合金蠕变后形成的位错形貌(TEM)
典型合金有TB2、TB3、Ti-15-3(TBS)、Ti26等。
TB3合金名义成分Ti3.5Al10Mo8V1Fe，是一种亚稳定β型钛合金，相变点730~750℃，该合金由西北有色金属研究院于20世纪80年代研制（原称Ti22合金），具有良好的冷加工性能（冷变形率大于90%），可加工制备成板、棒、管、丝、箔等多种类型半成品。其丝材的典型性能如表3-3所示。
表3-3 TB3合金Φ3mm丝材的典型性能
TB3合金的棒、丝材适合于制备各种紧固件，已应用于Y-7、JH-7等型号。图3-10~图3-16为TB3合金不同状态对应的微观组织。
图3-10 TB3合金板材800℃/30min空冷处理：等轴β晶粒
图3-11 TB3合金板材800℃/30min空冷+700℃/15min空冷：
β基体内部开始有次生α相（黑斑点）析出
图3-12 TB3合金板材800℃/30min空冷+700℃/120min空冷：
随时效时间增加，β晶粒内次生α相（黑斑点）析出增多
图3-13 TB3合金板材800℃/30min空冷+500℃/8h空冷：
β晶粒内部次生α相充分析出
图3-14 TB3合金板材800℃/30min空冷+500℃/8h空冷：
β晶粒内部次生α相充分析出
图3-15 TB3合金板材800℃/30min空冷+550℃/16h空冷：
β晶粒内部次生α相充分析出
图3-16 TB3合金板材加工态：拉长的β晶粒
Ti-15-3合金名义成分Ti15V3Al3Cr3Sn（国标牌号TB5），是一种亚稳定β型钛合金，相变点740~760℃，该合金是美国20世纪70年代研制，具有良好的冷加工性能（冷变形率大于90%），可加工制备成板、棒、管、丝、箔等多种类型半成品。其板材及管材的典型力学性能如表3-4所示。Ti-15-3合金常见的微观组织如图3-17~图4-29所示。
表3-4 Ti-15-3合金板材及管材的典型性能
图3-17 Ti-15-3合金板材800℃/20min空冷：等轴β晶粒
图3-18 Ti-15-3合金板材800℃/20min炉冷：
由于缓慢炉冷使β晶粒内部及晶界开始有次生α相（黑斑点）析出
图3-19 Ti-15-3合金板材800℃/1h水淬：等轴β晶粒
图3-20 Ti-15-3合金板材冷变形6%：
塑性变形使等轴β晶粒内产生孪晶（平直条纹）
图3-21 Ti-15-3合金板材冷变形40%：
形变使等轴β晶粒内产生孪晶（平直条纹）
图3-22 Ti-15-3合金板材800℃/20min空冷+540℃/8h空冷：
β晶粒内部次生α相充分析出
图3-23 Ti-15-3合金板材800℃/20min空冷+600℃/8h空冷：
β晶粒内部次生α相充分析出
图3-24 Ti-15-3合金板材800℃/20min空冷+630℃/8h空冷：
β晶粒内部次生α相充分析出
图3-25 Ti-15-3合金板材电子束焊接焊缝：粗大β晶粒
图3-26 Ti-15-3合金管材冷轧加工后550℃/8h直接时效：
在拉长的β晶粒基体上有次生α相析出
图3-27 Ti-15-3合金管材冷轧加工后600℃/8h直接时效：
在拉长的β晶粒基体上有次生α相析出
图3-28 Ti-15-3合金板材抗弹试验弹坑处（靶试前板材经810℃/30min空冷处理）：
高速冲击变形使β晶粒内形成的大量孪晶
Ti26合金是一种亚稳定β型钛合金(Ti-V-Cr-Al-Sn-Zr-Nb-Ta系)，由西北有色金属研究院于20世纪90年代在美国Ti-15-3合金基础上改进而成，相变点730~750℃，具有良好的冷加工性能（冷变形率大于90%墩制比≥4），可加工制备成板、棒、管、丝、箔等多种类型半成品。其小规格棒材的典型力学性能如表3-5所示。
表3-5 Ti26合金小规格棒材的典型力学性能
Ti26合金的棒、丝材适合于制备各种紧固件。表3-6列出了采用Ti26合金制备的几种螺栓的拉伸及剪切性能。
表3-6 采用Ti26合金制备的几种螺栓的拉伸性能及剪切性能
经测试MJ5螺栓的疲劳性能在最大载荷Pmax=0.4σb条件下，单件最小寿命Nmin≥45000次，平均寿命N平均≥65000次。图3-29~图3-38为Ti26合金常见的微观组织。
图3-29 Ti26合金冷加工态组织：纤维状变形组织
图3-30 Ti26合金热加工态组织：等轴β晶粒（β晶界呈弯曲状）
图3-31 Ti26合金热挤压态组织：纤维状变形组织
图3-32 Ti26合金板（800℃/30min空冷）：等轴β晶粒
图3-33 Ti26合金棒材（800℃/30min空冷）：等轴β晶粒
图3-34 Ti26合金棒材（800℃/30min空冷+550℃/8h空冷）：
次生α相在β基体上充分析出
图3-35 Ti26合金固溶+时效组织（扫描电镜）：针状次生α相在β基体上析出
图3-36 Ti26合金镦制螺栓的加工流线
图3-37 Ti26合金螺栓螺纹的加工流线
图3-38 Ti26合金螺栓处的加工流线
典型合金有Ti1023(TB6)、Ti5553、Ti1300等合金。
Ti1023合金（名义成分:Ti10V2Fe3Al）是美国上世纪70年代研制的一种近β型钛合金（中国国标牌号TB6），相变点780~800℃，特点是强度高、淬透性好，主要应用于航空锻件制品。但是由于其成分中含有2%的Fe，因此在熔炼、加工过程中易产生偏析，形成β斑缺陷。表3-7为Ti1023合金Φ180mm棒材对应的性能，图3-39~图3-44为Ti1023合金常见微观组织。
表3-7 Ti1023合金棒材室温力学性能
注：从棒材1/2R处切取试样进行760℃/2h水淬+525℃/8h空冷处理
图3-39 Ti1023合金β相区固溶+时效处理：
针状次生α（亮条）在β基体上析出
图3-40 Ti1023合金760℃/2h水淬+525℃/8h空冷：
初生α（亮）及在β基体上析出次生α（暗）
图3-41 Ti1023合金大规格棒材(Φ180mm)低倍组织
图3-42 Ti1023合金两相区锻造(770℃，ε=80%)：β基体+初生α
图3-43 Ti1023合金β相区锻造(835℃，ε=40%)：
β基体上分布着弯曲β晶界与针状次生α
图3-44 Ti1023合金β斑缺陷形貌：经时效处理后，具有均匀析出的正常组织（照片下沿处），内部无析出或很少析出的白色及灰色块是β斑缺陷
Ti130合金是西北有色院近年来开发的高强高韧近β型钛合金(Ti-Al-Mo-V-Cr系，相变点830℃)，其特点是：淬透性好、强化效应高、强韧性匹配良好，综合性能优于Ti1023钛合金。其大规格棒材满足波音公司BMS7-360H标准对Ti5553合金性能的要求，适合应用于航空结构件；小规格棒丝材适合应用于紧固件及弹簧。典型力学性能如表3-8、表3-9所示。Ti1300合金常见组织如图3-45 ~图3-50所示。
表3-8 Ti1300合金小规格棒材典型力学性能
表3-9 Ti1300合金大规格棒材典型力学性能
图3-45 Ti1300合金锻造加工态：变形β组织
图3-46 Ti1300合金β相区固溶处理：等轴β晶粒
图3-47 Ti1300合金β相区固溶+时效处理：针状次生α相在β基体上析出
图3-48 Ti1300合金两相区固溶+时效组织(SEM)：
等轴初生α及针状次生α在β基体上析出
图3-49 Ti1300合金β相区固溶+时效组织：针状次生α（亮条）在β基体上析出
图3-50 Ti1300合金两相区固溶时效(SEM)：针状次生α及条状α在β基体上析出
Ti3Al(α2相)是一种金属间化合物，具有六方晶格。与常规钛合金相比具有更高的使用温度，但是室温塑性较低。Ti3Al合金力学性能见表4-1，显微组织如图4-1~图4-3所示。
表4-1 Ti3Al合金力学性能
图4-1 Ti3Al合金1040℃/1h空冷+950℃/4h空冷
图4-2 Ti3Al合金950℃/1.5h空冷
α2相（初生+次生）（白）+残余β相（暗）
图4-3 Ti3Al合金1150℃/1h炉冷
α2片（白）+晶界残余β相（暗）
TiAl（γ相）是一种金属间化合物，具有四方结构。与常规钛合金相比具有更高的使用温度，但是其热加工工艺性差、室温塑性很低。
Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金Ta=1318℃，其力学性能如表4-2所示，显微组织如图4-4~图4-11所示。
表4-2 Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金力学性能
图4-4 Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金的铸态片层组织α2+γ
图4-5 Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金变形的片层组织α2+γ
图4-6 Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金变形后形成的等轴组织α2（白）+γ（灰）
图4-7 Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金1000℃/1h空冷，α2（白）+γ（灰）
图4-8 Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金1400℃/1h水淬α有序转变为α2（白）
图4-9 Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金1300℃/2h空冷，
等轴α2（白）及γ（灰）+片层γ与α2
图4-10 Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金1350℃/2h空冷+1050℃/4h空冷，
等轴α2（白）及γ（灰）+片层γ与α2
图4-11 Ti47Al5(Cr+V+Mo+Nb)合金1400℃/1h炉冷，片层γ与α2
TiNi合金具有超弹性及形状记忆等特殊性能，因而在航空航天、原子能、海洋工程、仪器仪表和医疗器械等领域有广泛的应用前景。
图4-12 Ti44Ni47Nb9铸态组织初生树枝晶（亮）+共晶体（灰）
图4-13 Ti44Ni47Ta9铸态组织初生α(TiNi)树枝晶
（包含大量细弥散粒子NiTa2）（亮）+共晶体（灰）
图4-14 Ti44Ni47Nb9Al1铸态组织初生树枝晶（亮）+共晶体（灰）
图4-15 Ti44Ni47Nb9合金轧制加工态，为拉长的条状组织
图4-16 Ni47Ti44Ta9合金轧制加工态，为拉长的条状组织
图4-17 Ni47Ti44Nb9Al1合金轧制加工态，为拉长的条状组织
Ti75合金具有良好的铸造性能，经常用于泵、阀壳体的铸造。
Ti75合金力学性能见表5-1，显微组织如图5-1~图5-2所示。
表5-1 Ti75合金铸造管坯力学性能
图5-1 Ti75合金管坯铸件组织，粗大原始β晶粒，基体为片状β转变组织
图5-2 Ti75合金管坯铸件经40%旋压变形，片状β转变组织呈弯曲状
Ti600高温钛合金也具有良好的铸造性能，经热等静压后可获得优异的室温、高温力学性能。
Ti600合金力学性能见表5-2，显微组织如图5-3~5-6所示。
表5-2 Ti600高温钛合金铸态及经热等静压处理后的室温、高温性能
图5-3 Ti600合金小型铸件组织，原始β晶界呈弯曲状，基体为片状β转变组织
图5-4 Ti600合金小型铸件组织，原始β晶界呈弯曲状，基体为片状β转变组织
图5-5 Ti600合金铸件经900℃/103MPa/2h热等静压处理后组织，为全片层β转变组织
图5-6 Ti600合金铸件经900℃/103MPa/2h热等静压处理后，部分区域的α片被球化
补充：
α+β钛合金
TC20
图1 700℃/1h退火，空冷
腐蚀介质HF+HNO3+水(1:6:193)
图2 退火
