钛合金（TA、TC、TB）铸造性能阐述
钛及钛合金铸件铸造生产工艺钛及钛合金具有密度低，比强度高，耐腐蚀，线胀系数小，生物相溶性好等优异性能，在航空、航天、远洋运输、化工、冶金、医疗卫生等行业中都是不可缺少的结构材料。工业上最初应用的钛及钛合金制件都是变形件，随着其用量的增多和应用范围的扩大，变形反映出机械加工量大，材料利用率低，生产成本高等弊端，于是铸造技术由此发展起来。钛铸造是比较经济且又容易实现的近成形工艺。钛及钛合金在熔融状态下具有高化学活性，要与常用的各种耐火材料发生化学反应，熔炼和铸造成形难度很大，必须有其专用的造型材料和造型工艺以及专用的熔炼与铸造设备。一）熔炼工艺：我国的钛铸造90% 以上熔炼与铸造设备都采用真空自耗电极电弧凝壳炉加离心铸造。坩埚采用水冷铜坩埚，钛液的最大浇注量为500 kg。自耗电极电弧熔炼法是以钛或钛合金制成的自耗电极为阴极，以水冷铜坩埚为阳极；大电流熔炼，钛电极的熔化速度远远大于钛的凝结速度，熔化了的电极以液滴形式进入坩埚，形成熔池；熔池表面被电弧加热，始终呈液态，底部和坩埚接触的四周受到循环水强制冷却，产生自下而上的结晶。这种方法具有结构简单、维持费用低、大型化容易等优点，缺点是浇注温度难以调节和控制，一停弧后，金属液必须在3~5秒内全部从坩埚倒出，否则温度急剧下降，金属液过热度不高，使得液体流动性和补缩能力较差。自耗电极电弧熔炼对电极的质量要求很高，要求电极内部组织致密。熔炼过程中危险性较大，稍微操作不慎将会出现电弧损坏坩埚，造成坩埚外壁强制冷却的循环水进入坩埚，污染钛液，水蒸气损坏真空泵系统。二）铸造型腔工艺： 钛合金铸造的造型工艺主要有金属型、机加工石墨型、金属面层陶瓷型壳、氧化物陶瓷型壳。1）金属型金属型在钛合金铸造领域中，用作铸型的金属材料主要有铜、钢、铸铁、钨、钼等，与石墨加工型一起统称为硬模系统。由于存在着工艺上的分型等难点，这种方法很难制造出复杂形状的钛铸件，而大多只在特定的铸件上使用。2）石墨型机加工石墨型强度高，退让性不好，对液态钛要产生激冷，常使铸件表面产生裂纹和冷隔，生产成本高、生产周期长。石墨孔隙较大，容易吸潮，所以机加工石墨型使用前必须进行除油、除气处理，否则铸件表面氧化现象严重。铸件尺寸比较大，壁比较厚（≥5mm），形状简单，所需数量只有一件或几件。选择机加工石墨型。 3）陶瓷型 （1）金属面层陶瓷型壳采用难熔金属钨粉作为耐火材料，金属钨的熔点高，与钛液接触时化学稳定性好，但是钨粉应具有较高的纯度，杂质含量不能超过规定标准，否则将影响钛铸件的品质。钨面层熔模型壳必需采用溶剂脱蜡，而且在特制的脱蜡槽中进行，对人体健康有很大的伤害，同时也污染环境。钨面层型壳高温焙烧必须在还原性气氛下进行，脱蜡后沉积在型壳外貌上的模料灰分很难烧化，在浇注时很容易与液钛反应，在铸件外貌形成气孔。涂料浆工艺性能不好，悬浮性差，涂料浆寿命短，保存困难，价格昂贵。 （2）氧化物陶瓷型壳是将惰性氧化物做为面层型壳耐火材料。各种氧化物材料按其对熔融钛合金的化学稳定性由低到高排列的顺序如下：SiO2、MgO、Al2O3、CaO、ZrO2、Y2O3、ThO2。ThO2由于具有放射性已基本不用。CaO容易吸潮，所以阻碍了它的应用。现在，用作熔模铸造型壳面层和邻面层的材料主要是Y2O3、ZrO2。 未经稳定化处理的ZrO2不能做为铸钛的造型材料，因为它会发生同素异形体转变，常温下为单斜晶体，高温下为四方晶体，温度更高则转变为立方晶体，单斜晶体转变为四方晶体时，伴随着9%左右的体积变化，使型壳发生开裂。通常采取向ZrO2 中加入4%~8%的CaO，经高温电熔或煅烧后就可以得到稳定的ZrO2 固溶体（也有用Y2O3稳定），工业上大多采用电熔ZrO2。Y2O3 同ZrO2 一样，必须经过高温稳定化处理后才能用作钛合金造型材料。Y2O3 陶瓷型壳具有热导率低、强度高等优点，浇注出的铸件表面质量好，但Y2O3价格比较昂贵，来源困难。我国的铸钛工业发展比较快，近几年来新增加了一些铸钛生产厂。目前，全国的铸钛生产厂、研究所已经将近20 个，新增的钛铸造厂也都将产品定位在钛熔模精密铸件上，陕西锦瀚稀贵金属有限公司常年与哈尔滨工业大学、西安交通大学、西北工业大学进行技术交流合作，致力于钛、镍、锆及其合金的精密铸件生产，形成以精密铸造为主、机加工石墨型为辅的生产模式。随着钛及钛合金铸造技术的发展和日益成熟，加上热等静压（HIP）技术的诞生和在钛合金铸件方面的成功应用，较好的解决了铸件的质量问题，提高了铸件的可靠性。从20世纪80年代以后，钛及钛合金铸件在航空、航天及其他方面的应用每年以20%的速度递增。铸造工艺方面，目前已经由单件铸造发展到几件或几十件零件组合成的大型整体铸件。应用范围已经从早期的受力不大的非关键静止结构件发展到成为航空发动机中的构件组成部分，完全取代了一些变形钛合金、铝合金、钢件。随着航空发动机对推重比和刚度要求的提高，要求其中的一些关键钛合金构件做成大型复杂薄壁的整件精铸件。一些先进的航空大型涡轮发动机风扇机匣、中介机匣、前机匣、压缩机机匣等都开始使用钛合金精铸件。大型客机的导风管、隔热屏、支架、框架、耳轴、支撑架、刹车壳体、等也都以钛合金精铸件替代原来的构件。军用飞机方面，钛合金铸件的使用也逐步在增加，如：支座、框架、支架、制动勾、机翼上受力物件、方向舵转动装置支架、变速装置壳件、吊架支撑附件等，实践证实了钛合金铸件在飞机上的应用是成功、可靠的。不仅如此，在生产成本上，由于使用了钛合金铸件，使飞机的某些机构的设计、加工、紧固、装配等都变得比原来未使用钛合金铸件时的机构简化了，从而大大降低了飞机的制造成本。钛合金铸件在航天领域中主要用于导弹、航天飞机飞船、人造卫星。其应用部位主要为：导弹壳体、尾翼、舵翼及连接座等，航天飞机和飞船支架、框架、支座、附件、壳体等，由于钛合金铸件具有高的刚性、轻的重量和光学玻璃相当的热膨胀系数，也应用于人造卫星及其他光学仪器的托框、基座、连结架以及壳体等。钛及钛合金铸件在日常工业生产方面也有着广泛的应用领域。由于钛及钛合金具有良好的耐腐蚀性能，是化工及其他耐腐蚀工业的不可替代的材料。广泛应用于化工、造纸、石油、制碱、冶金、农药等工业。主要应用产品是以工业纯钛和钛—钯合金为材质的铸造钛泵、钛风机，各种不同类型的阀门，如：截止阀、球阀、旋塞阀、闸阀、蝶阀、止回阀等。随着人们生活水平的提高和对健康质量要求的提升，钛合金以其高的疲劳强度，和人体超强的亲和力等诸多优点，也被越来越多的用在医疗卫生领域。如：铸造钛合金髋关节修复件、膝关节修复件、人体假肢、口腔修复等等。运动器械领域钛合金精密铸件的用量非常巨大，如：自行车配件，高尔夫球头。尤其是钛合金高尔夫球头市场容量最为巨大，但铸造工艺比较复杂。目前，钛及钛合金铸件的使用范围还在扩展，更多的应用领域也在相继研究，但还存在着一些问题：1.合金品种少、牌号少，基本上常用的钛合金都是工业纯钛铸件和TC4合金铸件。2.铸件应用范围小，大部分铸件都用在了石油化工行业（工业纯钛铸件），航空、航天领域应用很少，致使我国钛铸造工业的工艺和技术水平难以提高。3.造型工艺普遍落后，大部分厂家都是用石墨型造型工艺（机加工石墨型和捣实石墨型），而熔模精密铸造应用很少。铸造出的铸件表面比较粗糙。4.熔炼设备基本上都为真空自耗电极电弧凝壳炉，熔炼过程危险性较高，熔化金属液过热度不高，造成铸件表面易产生流痕、冷隔等缺陷，薄壁零件成形困难。为改善我国钛铸造工业生产的落后状态，提高我国铸钛工业的整体工艺和技术水平，还需进行以下几方面的研究：1.改进现有的造型工艺，研究新的粘结剂和造型材料，简化工艺，缩短生产周期，降低生产成本。2.研究和发展新的熔炼和铸造设备及其技术，提高金属液的过热度，改善和提高铸造钛液的流动性和充型补缩能力，为研制大型复杂薄壁整体精铸件创造有利条件。3.进一步扩大计算机模拟凝固技术在钛合金铸造中的应用，以提高铸件质量，减小铸件的废品率。4.研究和发展钛合金铸件的各种热处理工艺和热化学处理技术，以改善钛合金铸件的微观组织结构，提高铸件的力学性能。5.熔模铸造只能生产中小型铸件，应寻求一种生产更大型、更净形、更高效铸件的造型工艺，提高钛合金铸件的生产能力。
钛合金的牌号、品种很多，超过100种。工业上可利用的用40-50种，最常用的也就十多种。其中包括各种不同品味工业纯钛和被精选出的钛合金，如Ti-6AL-4V，Ti-5AL-2.5Sn，Ti-2AL-1.5Mn，Ti-3AL-2.5V,Ti-6AL-2Sn-4Zr-2Mo,Ti-6AL-2Sn-4Zr-6Mo,Ti-8AL-1Mo-1V，Ti-13V-11Cr-3AL，Ti-15V—3Cr-3AL-Sn和Ti-10V-2Fe-3AL以及Ti-0.20Pd、Ti-0.3Mo-0.8Ni等。然而对大多数国家来说，前两个重要合金（Ti-6Al-4V；Ti-5Al-2.5Sn）是为最典型的，也是世界各国公认的。一、按组织分类 钛合金一般是按其组织来命名的，即α钛合金（含近α钛合金）、β钛合金及（α+β）钛合金。中国国家标准中分别用TA、TB、TC作为字头表示钛合金的类型，然后跟着一个数字代表合金序号，如TA代表α型钛合金，TA7钛合金为Ti5Al-2.5Sn合金；TB代表β钛合金，TB2为Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al合金；TC代表α+β型合金，如TC4钛合金为Ti-6Al-4V合金。 α钛合金，主要含有α稳定元素，在室温稳定状态下，基本为α相的钛合金，如工业纯钛（TA0、TA1、TA2、TA3）和TA7（Ti-5Al-5Sn）。α钛合金主要应用于化工、石化和加工工业，在这些工业中首要考虑的是合金的耐腐蚀性能和可加工变形能力，工业纯钛（TA0-TA3四种），TA9钛合金含钯合金（TA9钛钯合金）和含少量的钼和镍合金（TA10钛钼镍合金）为首选。 近α钛合金，这类钛合金中加入少量β稳定元素，在室温稳定状态下，退火组织中包含少量β相或金属间化合物，一般不超过10%，如TA11（Ti-8Al-1Mo-1V），这是美国开发的钛合金，用于高温状态下使用，但铝含量高会导致热盐效应力腐蚀问题；TA15（Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr）是俄罗斯开发的BT20合金。TA11钛合金与TA15钛合金为相类似合金，后者降低了铝含量增加了锆，这样就保持耐热性并改善了热盐效应力腐蚀。α+化合物合金TA13（Ti-2.5CU）是英国开发的IMI230合金。 α+β钛合金，含有较多的β稳定元素，在室温稳定状态下，由α及β相所组成的钛合金。β含量一般为10%-50%。α+β钛合金有中等强度，并可热处理强化，但焊接性能较差。根据钼当量不同，此类合金又可分成马氏体型和过渡型。其中典型合金Ti-6Al-4V，该合金是美国水城兵工厂与1954年研制成的，广泛用于宇航工业，该合金产品占钛合金产量的55%-65%，可用于生产各种大规格航空锻件和零件，Ti-6Al-4V合金由于他具有优良的综合性能，研究的最为深入，使用的时间最长，应用的领域最广泛，所以该合金诞生半个世纪以来一直保持旺盛的生命力。中国牌号为TC4，美国钛金属公司所属Timet分部牌号为Ti-6Al-4V，美国活性金属公司为RMI6Al4V，英国钛金属公司为IMI318，俄罗斯为BT6，日本住友为ST-Al40，法国为TA6V，德国为LT31. 二、按强度分类 钛合金添加元素，利用钼当量[Mo1]ep和铝当量[Al]ep来表达：α与近α钛合金[Mo1]ep为12-13，[Al]ep为5-8；α+β钛合金[Mo1]ep为5-12，[Al]ep为6-30；β钛合金（亚稳合金）[Mo1]ep为12-25，[Al]ep为5-8。更适合设计者需要是按强度分类，可分为低强度、普通强度、中等强度、高强度、最高强度分类。 三、按用途分类 1、工业纯钛 工业纯钛是钛含量不低于99%，并含有少量铁、氧、碳、氮、氢等杂质的致密金属钛。杂质对纯钛的力学性能影响最明显的是氧、氮和铁，尤其是氧。氢与钛的反应是可逆的，氢对钛的性能影响主要表现为“氢脆”，通常规定氢含量不得超过0.03%-0.05%氢。工业纯钛在常温虽是密排六方晶格（α），但其轴比小（c/a=1.587），有较好的可加工性。纯钛的成型性能和焊接性能好，对热处理不敏感。 工业纯钛作为外科植入物金属材料已经列入ISO5832-2-1999国际标准，满足长期植入物的材料应有下列基本要求：抗腐蚀、生物相容、优越的抗拉强度、耐疲劳和有良好的韧性、弹性磨具、抗磨损以及令人满意的价格。 2、耐腐蚀钛合金 耐腐蚀钛合金适合于在强腐蚀性介质中应用，主要为低强合金。在非宇航领域中主要是利用耐腐蚀性能好这一优点。耐蚀钛合金提高了工业纯钛在还原性介质中（如盐酸、硫酸、磷酸、草酸和甲酸）的耐腐蚀能力，目前成熟的钛钼、钛钯、钛钼镍、钛镍、钛钽等合金。 钛钼合金是研究最早（1952年）的，他在还原性的盐酸中具有优异的耐腐蚀性，Ti-30Mo合金在沸腾的5%碳酸、沸腾的5%硫酸、沸腾10%磷酸、沸腾的10%醋酸和沸腾50%甲酸中，一般最大的腐蚀率为0.0254-0.0508mm/a.而纯钛在93.3℃的10%硫酸溶液中腐蚀率达到38.1-50.8mm/a；Ti-30Mo合金在氧化性介质中耐腐蚀性较差。由于加入高密度的钼铪合金的熔炼、加工和焊接带来一定的空难。由钛钼合金又派生除出了钛钼铌、钛钼锆、钛钼钯等耐腐蚀钛合金。 TA9钛钯合金在氧化性介质中具有优良的耐腐蚀性。对还原性介质也有一定的耐腐蚀能力，尤其能改善其在高氯离子浓度介质中的抗缝隙腐蚀能力。TA9钛合金含0.2%钯，TA9钛钯合金在5%沸腾硫酸中，可以使腐蚀率从48.26mm/a（工业纯钛）降低到0.508mm/a，耐腐蚀能力提高约95倍。该合金具有良好的加工、成型和焊接性能，但含有贵金属钯，成本高。 β钛合金，这类钛合金中含有足够多的β稳定元素，在适当冷却速度下室温组织全部为β相，通常又可分为可热处理β钛合金（亚稳定β钛合金）和稳定β钛合金。可热处理β钛合金，在淬火状况下有非常好的工艺塑性，可以进行板材冷成型，并能通过时效处理获得高达1300-1400MPa的室温抗拉强度。 TA10钛钼镍合金名义成分为Ti-0.3Mo-0.8Ni，是20实际70年代中期美国研究开发的Ti-12合金，是一种抗缝隙腐蚀的钛合金，该合金在300℃的抗拉强度比纯钛高一倍，抗还原性介质的腐蚀能力明显提高，在150-200℃的氯化物中不发生缝隙腐蚀。 钛镍合金（Ti-2Ni）在高温脱盐装置中的使用温度可达到200℃左右。 钛钽合金（Ti-5Ta）是俄罗斯以4204合金牌号、日本神户制钢以KS50Ta牌号生产的抗硝酸腐蚀的α型钛合金。该合金具有良好的工艺性能和焊接性能，在100-200℃流动的硝酸中腐蚀率低于0.1mm/a。已在硝酸回收装置和核燃料后处理工序得到了应用。 3、结构钛合金 按强度分类的低强度钛合金主要用于耐蚀环境，其他钛合金用于结构件，称结构钛合金。普通强度钛合金（约500MPa），主要包括工业纯钛、Ti-2Al-1.5Mn（TC1）、和Ti-3Al-2.5V（TA18)，获得了广泛的应用。由于加工成型性能和可焊接性能好，合金用于制作各种航空板材零件和液压管等，以及自行车民用产品。中等强度钛合金（约900MPa）的典型合金是Ti-6Al-4V（TC4），广泛用于宇航钛合金工业。板材高强度钛合金是室温抗拉强度在1100MPa以上，由近β钛合金和亚稳定β钛合金组成，主要用来代替飞机结构中常用的高强度结构钢，其典型合金有了Ti-13V-11Cr-3Al、Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn和Ti-10V-2Fe-3Al合金等。 4、耐热钛合金 耐热钛合金是适合于在较高温度下长期工作的钛合金。它在整个工作温度范围内具有较高的瞬时个持久强度。室温下有较好的塑性、较好的蠕变抗力和良好的热稳定性。在室温与高温下均有好的抗疲劳性能。主要用来制造压压气机中的盘、叶片、进气机匣以及飞机构件。已得到应用的耐热钛合金固溶强化α+β型和近α型钛合金。能在500℃以下长期工作的α+β型耐热钛合金，他们都含有较多的α稳定元素，铝当量都在6以上。加入适当的β稳定元素，使合金在高温下不仅显示高的瞬时强度，而且具有足够的塑性，典型的合金有TC4（Ti-6Al-4V），TC6（Ti-6Al-2.5Mo-2Cr-0.5Fe-0.3Si）和TC11（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si）。在500℃以下长期工作的α型耐热钛合金，它们都含有少量α稳定元素。铝当量几乎都在7以上，在平衡状态下合金有更多的α相，因此这些合金在500℃以上具有更高的蠕变抗力和更好的抗疲劳性和断裂韧度。由于近α型合金具有这些优良的综合性能，而使其成为耐热合金的主要体系。典型的合金有Ti-8Al-1Mo-1V（美国Ti-811）、Ti6Al-2Zr-1Mo-1V（俄罗斯BT20）、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（美国Ti-6242）和Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si（英国IMI-829）。 5、低温钛合金 低温钛合金是适合于低温下使用的α和α+β钛合金。该类合金随温度的降低而增加、韧性随温度的降低而很少下降，可作低温结构件。低温钛合金发展趋势是将氧含量由0.2%（普通级）降至0.12%，形成极低间隙级钛合金（ELI）。能在超低温（＜77K）下使用。典型的合金有Ti-5Al-2.5Sn（ELI）。美国上世纪60年代初研制的Ti-5Al-2.5Sn（ELI为美军标的MIL-9047)，中国上世纪70年代末仿制成功该合金，称TA7钛合金，Ti-5Al-2.5Sn（ELI）合金特别适用于在-255℃的低温下工作的液体燃料储存容器。 钛的热处理方法
一.钛的基本热处理:
工业纯钛是单相α 型组织，虽然在890℃以上有α-β 的多型体转变，但由于
相变特点决定了它的强化效应比较弱，所以不能用调质等热处理提高工业纯钛的
机械强度。工业纯钛唯一的热处理就是退火。它的主要退火方法有三种：1 再结
晶退火 2 消应力退火 3 真空退火。前两种的目的都是消除应力和加工硬化效应，
以恢复塑性和成型能力。
工业纯钛在材料生产过程中加工硬度效应很大。图2-26 所示为经不同冷加
工后，TA2 屈服强度的升高，因此在钛材生产过程中，经冷、热加工后，为了恢
复塑性，得到稳定的细晶粒组织和均匀的机械性能，应进行再结晶退火。工业纯
钛的再结晶温度为550-650℃，因此再结晶退火温度应高于再结晶温度，但低于
α-β 相的转变温度。在650-700℃退火可获得最高的综合机械性能（因高于700℃
的退火将引起晶粒粗大，导致机械性能下降）。退火材料的冷加工硬化一般经
10-20 分钟退火就能消除。这种热处理一般在钛材生产单位进行。为了减少高温
热处理的气体污染并进一步脱除钛材在热加工过程中所吸收的氢气，目前一般钛
材生产厂家都要求真空气氛下的退火处理。
为了消除钛材在加工过程（如焊接、爆炸复合、制造过程中的轻度冷变形）
中的残余应力，应进行消应力热处理。
消应力退火一般不需要在真空或氩气气氛中进行，只要保持炉内气氛为微氧
化性即可。
二.钛及钛合金的热处理:
为了便于进行机械工业加并得到具有一定性能的钛和钛合金，以满足各种
产品对材料性能的要求，需要对钛及钛合金进行热处理。
1．工业纯钛（TA1、TA2、TA3）的热处理
α-钛合金从高温冷却到室温时，金相组织几乎全是α 相，不能起强化作用，
因此，目前对α-钛只需要进行消应力退火、再结晶退火和真空退火处理。前
两种是在微氧化炉中进行，而后者则应在真空炉中进行。
（一）消应力退火
为了消除钛和钛合金在熔铸、冷加工、机械加工及焊接等工艺过程中所产生
的内应力，以便于以后加工，并避免在使用过程中由于内应力存在而引起开裂破
坏，对α-钛应进行消除应力退火处理。消除应力退火温度不能过高、过低，因为
过高引起晶粒粗化，产生不必要的相变而影响机械性能，过低又会使应力得不到
消除，所以，一般是选在再结晶温度以下。对于工业纯钛来说，消除应力退火的
加热温度为500-600℃。加热时间应根据工件的厚度及保温时间来确定。为了提
高经济效果并防止不必要的氧化，应选择能消除大部分内应力的最短时间。工业
纯钛消除应力退火的保温时间为15-60 分钟，冷却方式一般采用空冷。
（二）再结晶退火（完全退火）
α-钛大部分在退火状态下使用，退火可降低强度、提高塑性，得到较好的综
合性能。为了尽可能减少在热处理过程中气体对钛材表面污染，热处理温度尽可
能选得低些。工业纯钛的退火温度高于再结晶温度，但低于α 向β 相转变的温度
120-200℃，这时所得到的是细晶粒组织。加热时间视工件厚度而定，冷却方式
一般采用空冷。对于工业纯钛来说，再结晶退火的加热温度为680-700℃，保温
时间为30-120 分钟。规范的选取要根据实际情况来定，通常加热温度高时，保
温时间要短些。
需要指出的是，退火温度高于700℃时，而且保温时间长时，将引起晶粒粗
化，导致机械性能下降，同时，晶粒一旦粗化，用现有的任何热处理方法都难以
使之细化。为了避免晶粒粗化，可采取下列两种措施：
1）尽可能将退火温度选在700℃以下。
2） 退火温度如果在700℃以上时，保温时间尽可能短些，但在一般情况下，
每mm 厚度不得少于3 分钟，对于所有工件来讲，不能小于15 分钟。
（三）真空退火
钛中的氢虽无强化作用，但危害性很大，能引起氢脆。氢在α-钛中的溶解
度很小，主要呈TiH2 化合物状态存在，而TiH2 只在300℃以下才稳定。如将α-
钛在真空中进行加热，就能将氢降低至0.1%以下。当钛中含氢量过多时需要除
氢，为了除氢或防止氧化，必须进行真空退火。真空退火的加热温度与保温时间，
与再结晶退火基本相同。冷却方式为在炉中缓冷却到适当的温度，然后才能开炉，
真空度不能低于5×10-4mmHg。
二．TC4（Ti-6Al-4V）的热处理
在钛合金中，TC4 是应用比较广泛的一种钛合金，通常它是在退火状态下
使用。对TC4 可进行消除应力退火、再结晶退火和固溶时效处理，退火后的组织
是α 和β 两相共存，但β 相含量较少，约占有10%。TC4 再结晶温度为750℃。
再结晶退火温度一般选在再结晶温度以上80~100℃（但在实际应用中，可视具
体情况而定，如表5-26），再结晶退火后TC4 的组织是等轴α 相+β 相，综合性
能良好。但对TC4 的退火处理只是一种相稳定化处理，为了充分民掘其优良性
能的潜力，则应进行强化处理。TC4 合金的α+β/β 相转变温度为980~990℃，固
溶处理温度一般选在α+β/β 转变温度以下40~100℃（视具体情况而定，如表5-26
所示），因为在β 相区固溶处理所得到的粗大魏氏体组织虽具有持久强度高和断
裂韧性高的优点，但拉伸塑性和疲劳强度均很低，而在α+β 相区固溶处理则无此
缺点。
规 范
类 型
温 度（℃） 时间（min） 冷 却 方 式
消除应力退火 550~650 30~240 空 冷
再结晶退火 750~800 60~120 空冷或随炉冷却至590℃后空冷
真空退火 790~815
固溶处理 850~950 30~60 水 淬
时效处理 480~560 4~8h 空 冷
时效处理是将固溶处理后的TC4 加热到中等温度，保持一定时间，随后空冷。
时效处理的目的是消除固溶处理所产生的对综合性能不利的α’相。固溶处理所产
生的淬火马氏体α’，在时效过程中发生迅速分解（相变相当复杂），使强度升高，
对此有两种看法：
1。认为由于α’分解出α+β，分解产物的弥散强化作用使TC4 强度升高。
2.认为在时效过程中，β 相分解形成ω 相，造成TC4 强化。
随着时效的进行，强度降低，对此现象也有两种不同的观点：
1．β 相的聚集使强度降低（与上述1 对应）。
2．ω 相的分解为一软化过程（与上述2 对应）。
时效温度和时间的选择要以获得最好的综合性能为准。在推荐的固溶及时效
范围内，最好通过时效硬化曲线来确定最佳工艺（如图5-28 所示。此曲线为TC4
经850℃固溶处理后，在不同温度下的时效硬化曲线）。低温时效（480-560℃）
要比大于700℃的高温时效好。因为在高温时的拉伸强度、持久和蠕变强度、断
裂韧性以及缺口拉伸性能等各方面，低温时效都比高温时效的好。
经固溶处理的TC4 综合性能比750-800℃ 退火处理后的综合性能要好。
需要指出的是，TC4 合金的加工态原始组织对热处理后的显微组织和力学性
能有较大的影响。对于高于相变温度，经过不同变形而形成的网兰状组织来说，
是不能被热处理所改变，在750~800℃退火后，基本保持原来的组织状态；对于
在相变温度以下进行加工而得到的α 及β 相组织，在750-800℃退火后，则能得
到等轴初生α相及转变的β相。前者的拉伸延性和断面收缩率都较后者低；但耐
高温性能和断裂韧性、抗热盐应力腐蚀都较高。
四．Ti-32Mo-2.5Nb 的热处理
Ti-32Mo-2.5Nb 是稳定β 型单相固溶合金，只需进行消除应力退火处理，
退火温度为750~800℃，保温一小时，冷却方式采用空冷、炉冷均可。
五．热处理中的几个问题
（一）污染问题
钛有极高的化学活性，几乎能与所有的元素作用。在室温下能与空气中的氧
起反应，生成一层极薄的氧化膜，氧化速率很小。但在高的温度下，除了氧化速
率加快并向金属晶格内扩散外，钛还与空气中的氢、氮、碳等起激烈的反应，也
能与气体化合物CO、CO2、H2O、NH4 及许多挥发性有机物反应。热处理金属元
素与工件表面的钛发生反应，使钛表面的化学成分发生变化，其中一些间隙元素
还能透过金属点阵，形成间隙固溶体。况且除氢以外，其他元素与钛的反应是不
可逆的。即使是氢，也不允许在最终热处理后，进行高温去除。间隙元素不仅影
响钛和钛合金的力学性能，而且还影响α+β/β 转变温度和一些相变过程，因此，
对于间隙元素，尤其是气体杂质元素对钛和钛合金的污染问题，在热处理中必须
引起重视。
（二）加热炉的选择
为在加热过程中防止污染，必须对不同要求的工件采取不同的措施。若在最
后经磨削或其他机械加工能将工件表面的污染层去除时，可在任何类型的加热炉
中进行加热，炉内气氛呈中性或微氧化性。为防止吸氢，炉内应绝对避免呈还原
性气氛。当工件的最后加工工序为热处理时，一定要采用真空炉（真空度要求在
1×10-4mmHg）或氩气气氛（氩气纯度在99.99%以上并且干燥）的加热炉中进行
加热。热处理完毕后，必要时用30%的硝酸加3%的氢氟酸其余为水，在50℃温
度下对工件进行酸洗，或轻微磨削，以除去表面污染层。
（四）加热方法
在热处理进行以前，首先要对加热炉炉膛进行清理，炉内不应有其他金属或
氧化皮；对于工件，则要求表面没有油污、水和氧化皮。
用真空炉对钛工件进行加热是防止污染的一种有效方法，但由于目前条件所
限，许多工厂还是采用一般加热炉。在一般加热炉中加热，根据需求的不同采用
不同的措施防止污染，比如：
1．根据工件的大小，可装在封闭的低碳钢容器中，抽真空后进行加热。若无真
空泵可通入惰性气体（氩气或氦气）进行保护，保护气体要多次反复通入、
排出，把空气完全排净。
2．使用涂层也是热处理中保护钛免遭污染的措施之一，在国外已取得一定的经
验。国内一些工厂也在采用高温漆和玻璃涂料作涂层。有人认为，目前对钛
所用的各种保护涂层，只能减少污染的深度，并不能完全免除污染。对每种
热处理，必须考虑允许的污染深度，选择合适有效的涂层，其中也包括热处
理后的剥离。
3．若用火焰加热，在加热过程中切忌火焰直接喷射在钛工件上，煤气火焰是钛
吸氢的主要根源之一。而用燃油加热，如若不慎将会引起钛工件过分氧化或
增碳。
（五） 冷却
钛和钛合金热处理的冷却方式主要是空冷或炉冷，也有采用油冷或风扇冷却
的。淬火介质可用低粘度油或含3%NaOH 的水溶液，但通常使用最广泛的淬火
介质是水。
只要能满足钛和钛合金对冷却速度的要求。一般钢的热处理所采用的冷却装
置对钛都适用。
二、钛合金的热处理原理
热处理是改善钛合金的组织和性能的重要手段。钛合金的热处理强化的基本原理，既与铝合金相似，属于淬火时效强化类型；又与钢的热处理相似，也有马氏体相变。因此，钛合金的热处理相变有许多特点。
1.钛合金淬火后得到的介稳定相
钛合金淬火后能不能得到介稳定相，是判断钛合金能否热处理强化的先决条件。一般只含单一的α稳定元素或中性元素的钛合金，尽管加热到β相区淬火，但得不到介稳定相。因此，这类钛合金不能热处理强化，通常只进行退火处理。
但是，钛与β稳定元素如钼、钨、钒、铌、钽和铬、铁、锰等组成的合金，加热到β相区淬火后，可以得到不同的介稳定相，如α′、α〞、ω和过冷的β′相。在这类钛合金中，由于这些介稳定相的形成导致合金的力学性能发生变化。因此，这类钛合金可以进行热处理强化。
钛合金淬火时的相变比钢和铝合金都复杂。它在淬火时，因合金成分与淬火温度的不同，可形成不同的介稳定相。
α′相是钛合金自β相区淬火时，发生无扩散型相变形成的一种合金元素在六方点阵的α钛中的过饱和固溶体的针状组织，其硬度略比平衡的α相高些。这种转变与钢中的马氏体转变相似，故β→α′的转变称为钛合金的马氏体相变。
钛合金的马氏体转变类似于钢中奥氏体转变为马氏体，亦有一定的马氏体开始转变温度Ms点。随着合金元素含量的增加，Ms点降低，其中铁、锰、铬、和钼是强烈降低马氏体点的元素。当合金元素含量达到某一含量时，Ms点降低至室温下，马氏体转变完全被抑制，淬火后得到的组织是过冷的β固溶体，它是一个介稳定相，用β′表示。
但是，钛合金中的淬火马氏体与钢中的淬火马氏体有很大差别。因为钢中的马氏体是间隙型的过饱和固溶体，有显著的强化效果；而钛合金中的马氏体，目前所发现的都是置换型过饱和固溶体，其硬度较低，而塑性很好，对钛合金的强化作用不大，因此实用价值不大。
α〞相是钛合金淬火时，由立方点阵的β固溶体以无扩散型相变改组为六方点阵的过程中，原子的位移较形成α′相时小而形成的，在显微镜下其形态与α′相似，亦呈针状，也是一种马氏体相。但是α〞相具有斜方点阵，硬度比α′相更低。α〞相目前只在含有原子半径与钛相近的过渡族元素（W、Mo、V、Nb、Ta等）的钛合金中发现。
ω相是钛合金中在介稳定的β′相转变为α相的过程中形成的一种中间过渡相。在含过渡族元素的许多钛合金中，在淬火、回火以及在压缩应力作用下，都能形成这种相。在淬火时，β→ω的相变与马氏体相变一样，亦是无扩散型相变，但淬火后在较低温度回火时，过冷的β′相转变为ω相则是属于扩散型相变，只是由于转变温度较低，原子扩散困难，β′相不能直接转变为稳定的α相，而是先形成过渡相ω，然后再转变为α相。
ω相具有畸变的体心立方点阵或伪立方的结构，并与残留的β′相保持共格关系，具有很高的硬度和脆性。因此，ω相被称为特殊形式的马氏体相。ω相很细小，在一般光学显微下无法辨认，只有电镜下才能观察到。当合金中出现ω相时，硬度和脆性急剧增加，实际上，ω相不能加以利用，因此，在生产中应从合金成分和热处理工艺上设法避免和消除ω相的出现。
β′相是含有一定量β稳定元素的钛合金从β或α+β相区淬火时，被保留下来的过饱和固溶体，称为介稳定β相或者称为过冷β相。β′相是一个极不稳定的相，在一定条件下会发生分解，在分解过程的不同阶段将析出α′、α〞、ω相和稳定的α相，引起合金性能的变化。β′相具有很好的塑性，但强度、硬度低。
2.钛合金过冷β相的等温转变
同钢中的过冷奥氏体等温分解相似，钛合金的过冷β相的分解过程亦可以用等温转变图即C曲线来表示，如图6-21为Ti-5Cr-3Al钛合金的C曲线。像钢的过冷奥氏体一样，任何钛合金的过冷β相的等温转变曲线都有转变速度最快的温度即C曲线的鼻部。钛合金的C曲线的形状和位置取决于β稳定元素的种类和含量。合金元素对钛合金C曲线位置的影响是，随着加入的β稳定元素的数量和稳定β相的能力增大，C曲线向右下方移动。
图6-21 Ti-5Cr-3Al钛合金的C曲线
同钢相似，钛合金的C曲线亦可以近似地用于判断连续冷却的组织转变过程和最终得到的组织。
3.钛合金的时效
钛合金时效强化机理与铝合金时效不同之处，在于钛合金时效主要是依靠β´相在时效过程中分解析出弥散的α固溶体使合金强化，其时效过程中的相变是β´→α+β，此外α´→α+β也能产生一定的强化效果。而铝合金则主要是依靠时效过程中出现与母相共格的中间过渡相（如θ等）使合金强化。
钛合金的时效温度可参照C曲线选择，时效过程β´相的分解产物，亦可按C曲线判断。时效工艺应避免产生ω相和共析分解产物，否则将使合金的塑性急剧降低。
钛在高温下易于与空气中的O、H、N等元素及包埋料中的Si、Al、Mg等元素发生反应，在铸件表面形成表面污染层，使其优良的理化性能变差，硬度增加、塑性、弹性降低，脆性增加。
钛的密度小，故钛液流动时惯性小，熔钛流动性差致使铸流率低。铸造温度与铸型温差(300℃)较大，冷却快，铸造在保护性气氛中进行，钛铸件表面和内部难免有气孔等缺陷出现，对铸件的质量影响很大。
因此，钛铸件的表面处理与其它牙用合金相比显得更为重要，由于钛的独特的理化性能，如导热系数小、表面硬度、及弹性模量低，粘性大，电导率低、易氧化等，这对钛的表面处理带来了很大的难度，采用常规的表面处理方法很难达到理想的效果。必须采用特殊的加工方法和操作手段。
铸件的后期表面处理不仅是为了得到平滑光亮的表面，减少食物及菌斑等的积聚和粘附，维持患者的正常的口腔微生态的平衡，同时也增加了义齿的美感；更重要的是通过这些表面处理和改性过程，改善铸件的表面性状和适合性，提高义齿的耐磨、耐蚀和抗应力疲劳等理化特性。
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