淺析鈦與鈦合金的應用與發展
近年來，很多軍迷正在從簡單的“兵器對對碰”裝備比拼，逐步走向動力體系、氣動設計、電子體制等諸多裝備要素的探討，或者深入到材料、工藝、生產裝備等基礎研究的專業領域。這是好事，也是兵器迷行文的目的。軍壇也似乎正在逐步從新聞表面的喧囂，更多的擴充套件到專業底層——那些因枯燥、苦澀、沉重、默不作聲而被忽視了很久的東西，那些骨灰級軍迷和深切的愛國者需要學習和培養的東西。
第一篇對鈦的性質和鈦材的生產做了介紹。
鈦雖然有很多優良的性質，但是，事物總是兩面的——兵器迷經常“但是”後面做文章——純鈦也有很多弱點：
首先，鈦在高溫時的化學活性比較高。鈦本身耐熱，在500℃以下相對穩定。不過，在大氣中，鈦250℃開始吸收氫，400℃開始吸收氧，600℃開始吸收氮，甚至，在鈦在500-600℃的純氧中可以自行燃燒。雜質的增加，會破壞鈦的強度和塑性。這給鈦的使用與熱加工帶來了很大的麻煩。第三篇談時，我們會再涉及這個話題。
再有，鈦的導熱性差，只有鐵的1/3，鋁的1/5，摩擦係數大（0。42），抗磨性也不高。因此容易使刀具和工件的溫度急劇升高，造成粘刀，降低刀具壽命，切削加工性差。
最後，鈦的彈性模量低，抗變形能力差，只有鐵的55%，影響製件的剛度，這也是為什麼，我們在現實中看到很難看到細長的鈦合金承力構件的原因。
為了在應用鈦的時候揚長避短，人們採用了合金的方式。即將鈦與其他金屬，或類金屬元素固溶在一起，大幅度改善鈦材效能的短板，以便更好的發揮鈦的長處，這就是本篇的重點——鈦合金。
這一篇的特點，是專業術語較多。我們儘量繞開簡要介紹一下，但無法完全避開。感興趣的朋友可以找專業論著研讀，一起交流（兵器迷啃這些東西頭大啊）。不感興趣的朋友，就當看個熱鬧罷了。
鈦有兩種同素異晶體，即α密集六方晶系，和β體心立方晶系。根據溫度不同，鈦組織共析分解發生變化，這兩種晶系結構就會相互轉換。簡單的說，α鈦和β鈦在鈦組織中所佔的比例，會隨著溫度發生變化。一般來說，溫度越高，鈦組織中的β相越多，反之，溫度越低，鈦組織中的α相越多。根據鈦的α和β二元系相圖，純鈦在882。5度時，鈦的α相將向β相轉換。如果溫度更高，達到1000-1600度，鈦組織將逐漸液化。
鈦合金按照合金退火組織中，鈦的α和β這兩種主要晶型結構的佔比，可以分成以下三類：
一、α合金：這種鈦合金中的鈦以α相為主，高溫效能好，抗腐蝕，組織穩定性好，焊接性好，工業純鈦也屬於這一種。
缺點是常溫強度低，塑性變形能力低，強度不高，熱加工性差。
如果一種元素有助於擴大和穩定鈦合金的α相區，提高α到β相區的轉換溫度，則這種元素就是α穩定元素。一般的，耐熱鈦合金以加入α穩定元素為主。
α穩定元素中比較典型的是鋁。鋁（Al）具有顯著的固溶強化作用，在室溫和高溫都能強化合金的強度，改善鈦合金的熱穩定性和焊接效能。Al對鈦合金的多重屬性的改善，類似於碳在鋼中的作用，因此在幾乎所有的結構鈦合金中，都能看到Al的影子。
此外，鎵、鍺、氧、氮、碳等也是α穩定元素。
二、β合金：這種鈦合金中的鈦，以β相為主。
屬於高溫穩定態，合金強度高，塑性加工效能好。缺點是合金組織效能不穩定，冶煉複雜。
如果一種元素有助於擴大和穩定鈦合金的β相區，降低α到β相區的溫度，則這種元素就是β穩定元素，。一般的，高強度合金以加入β穩定元素為主。
β穩定元素中比較典型的是釩（V）。釩有顯著的強化固溶作用，在β鈦中可以無限固溶，並在提高合金強度的同時，有效提合金的高熱穩定性，維持良好的塑性。
此外，鉬、鈮、錳、鐵、鉻、矽、銅、鈷等也是β穩定元素。
三、α+β合金：這種鈦合金中α和β相的鈦都不少。
α+β兩相鈦合金往往兼具α鈦合金和β鈦合金的特點，常溫強度高，中等溫度的耐熱性也不錯，熱處理強化效能和焊接效能良好。
大家可能猜到了，這個結果的形成，是由於人們在鈦合金中同時固溶了α和β兩種穩定元素。
事實上，僅僅靠一種或一類元素，對鈦合金的效能改善是有很大侷限的。因此，人們往往將不同種類的α穩定元素和β穩定元素，或者再加上介於二者之間的中性元素（如鋯、鉿、錫、鈰、鑭、鎂），精心調配其中的比例和固溶工藝，加入鈦合金配方中，形成具有綜合最佳化效能的α+β合金，兼顧鈦合金的各種效能要求。
比如：某鈦合金TiAl24Nb13Mo1。5Si0。5，用到了α穩定元素鋁Al， 也用到了β穩定元素鈮Nb、鉬Mo和矽Si
有朋友問了，既然如此，是不是應該重點開發α+β合金呢？
完全正確。目前，α+β合金的應用範圍確實是最廣的，α耐熱合金其次，β強度合金的應用最少。因為雖然鈦可以透過強化達到1000-1200MPa的抗拉強度，部分型號甚至可以達到1800 -2000 MPa， 但僅僅從強度水平看，鈦合金的優勢並不比最高2400MPa的馬氏體時效合金鋼明顯，價格還貴得多。因此，鈦合金目前的主要應用場景是耐熱、耐腐蝕和結構減重，並保持強度和塑性，而不是單純的追求常溫下的高強度。
那麼，中國能夠製造什麼樣的鈦合金，特別是，能夠製造α+β合金嗎？
讓我們欣慰的是，這三類合金，中國都有系列化的產品了。
四、中國國標鈦合金
1中國的鈦合金品牌中，既包括添加了穩定元素的鈦合金產品，也包括了沒有新增合金元素的工業純鈦產品。即：在TA合金中，包括了9種工業純鈦TA1-TA4。這與目前鈦工業大國的做法是類似的，他們是：
美國的ASTM標準：Ti35，Ti50，Ti65工業純鈦鈦合金
德國的BWB標準：LW3。7024，LW。3。7034工業純鈦鈦合金
法國的NF標準：T35，T40工業純鈦鈦合金
日本的JIS標準：KS50，KS60，KS85工業純鈦鈦合金
在這些國家的鈦合金標準中，純鈦也算鈦合金。因此在很多新聞報道中，你看到純鈦也被稱作鈦合金，或者倒過來明明是鈦合金，卻被稱為鈦，其中有一些就是這個道理。
說到這裡，三大類鈦合金介紹完了。
可是等等，沒完呢，還有第四種。
那位鼻子氣歪了，兵器迷出爾反爾，名副其實的“說三”卻“道四”，這不是自己打自己嘴巴嗎？
您稍安勿躁，待俺細細講來。
五、金屬間化物鈦合金
金屬間化物——沒辦法，專業詞彙太多。可為了把故事講下去，該拽還得拽啊。
上述三大類鈦合金，尤其是TC類合金，大體保障了鈦合金在600℃以下環境中的使用。但溫度再高，就會出現材料的蠕變抗力下降和強度下降的情況。（所謂蠕變，就是合金在高溫環境下時受到小於工作正常標準的應力，出現持續緩慢形變的情況。）而現代航空工業，特別是發動機行業，對鈦合金提出了更高的耐溫要求，α+β鈦合金因此面臨著嚴峻的考驗。
經過人們的深入研究，發現上述單純採用固溶強化的三類鈦合金，其鈦原子與穩定元素的原子之間，是相對無序的混雜排列，是物理溶解關係。而如果能夠讓他們的原子間的排列，遵循某種高度有序化的規律，甚至達到二者之間以共價鍵的化學關係，形式化合物——這就是金屬間化物——將會使金屬合金的整體強度得到提高。特別是在一定溫度範圍內，合金的強度反而隨溫度升高而增強！
為此，西方發達國家的冶金學家經過長期的努力，終於研究出有序強化的鈦-鋁系金屬間化合物。它具有高比強度、比剛度、高蠕變抗力、優異的抗氧化和阻燃效能，Ti3Al基合金長期工作溫度在650℃左右，而TiAl基合金工作溫度可達760℃~800℃，從而突破了長期困擾鈦合金發展的600℃瓶頸。
兵器迷之所以剛才沒有提到這類合金，有兩個原因。一是金屬間化物鈦合金目前只是開了個頭，並非鈦合金的主流應用。二是2007版國標中，只有α，β，和α+β三大類，未見收錄此類間化物合金（也許尚未有國產化的產品透過國家的正式評審檢驗）。在此補充說明一下，是為了介紹鈦合金的最新發展趨勢，並希望引起大家的後續關注。
其實，中國科學家也在金屬間化物鈦合金領域堅持不懈的做著艱苦努力。近年來，已經在公開報道中隱約看到了一束希望的曙光。能夠觀察和推測到的是，中國科技工作者，似乎已經把他們研究的某種金屬間化物鈦合金，自行取了名字——排在TA，TB和TC合金之後，就叫TD合金。
第四篇還有TD和其他國產鈦合金在航空航天領域應用的相關介紹，您接著瞧。
鈦合金作為金屬世界的奇葩，其發展和進步都帶有一絲神秘的色彩。這種神秘在一定程度上，來自於它的複雜。而這種複雜，更多的體現在鈦合金元素的配方和固熔工藝上。為了達到一種理想的合金效能，需要不知多少次試製、試驗和分析比對，才能真正瞭解這樣的複雜性。
比如前述國標中的TC合金（也就是α+β合金）中的TC21，其化學成分是Ti-6Al-2Mo-1。5Cr-2Zr-2Sn-2Nb。也就是說，除了α+β相的鈦基以外，還要新增鋁、鉬、鉻、鋯、錫、鈮六種穩定元素——好比中藥中的君臣佐使，各味藥材共同作用，才能提供最佳的藥效和最小的副作用。
兵器迷把鈦合金配方比作中藥，是有道理的。大家知道，中藥的配方是十分精道的，其中每一位藥的大致功效也是清楚的。但是多位藥配合起來的藥方，其藥理就並不十分精確。這種瞭解功效甚於瞭解藥理的情況，在鈦合金行業是很常見的。
比如：在鈦鋁合金Ti-Al中，人們在實踐中發現，當Al的質量在鈦合金中佔7%以下時，Al越多，合金的強度越高，而密度越低。當然，這還需要鋁和其他合金元素如何達到最佳配合。為此，冶金學家盧森伯格（Rosenberg）提出了一個著名的鈦合金成分鋁當量經驗公式：
Al*=Al%+1/3Sn%+1/6Zr%+1/2Ga%+10［（）］%<8%-9%
即鋁當量的低於8-9%，就不會出現不利的鈦α2相析出。這一公式對用途最為廣泛的鈦合金，即Ti-Al合金的生產具有決定性的指導意義。但這卻是建立在經驗基礎之上的，其物理意義至今不明。
所以，老牌工業國家如英美德日，為什麼功力深厚，原因是很多的。理論紮實是一方面，經驗積累又是一方面。就後者來說，很多東西，甚至不是諾貝爾獎、專利、著作這類明面上的東西能完全說得清、道的明的。書上那些東西，你能追，至少知道差在哪兒差多少。可是操作經驗、技術訣竅，管理細節，是不知道的差距，因此很難快速和普遍掌握。別說鈦合金了，就說低端產業：國內有個縫紉機廠家，資金雄厚，收購了德國一家縫紉機廠，工藝專利技術圖紙都買了。再做，做到人家質量的90%左右，就再也上不去了，再上成本就爆了。甚至就是成本爆了也做不上去，而且，還不知道為什麼。
和中國改革一樣，容易得的紅利都得了。下面的事情，沒有教科書了。咋辦？
砸錢是一回事。也許中國人不差錢了。好吧，這個可以有。
砸心思是另一回事。日本人看了中國的象牙微雕說，我們做螺絲的心思就像你們做牙雕一樣。所以你們中國人牙雕做的好，我們日本人螺絲做得好——這不是在誇中國人。真心的，不是。
砸時間又是一回事。什麼是積累，什麼是耐得住寂寞，什麼是失敗是成功之母。十年、二十年失敗，把能失敗的都失敗了，也就該成功了。所以才說，那些失敗，是成功的種子。
砸錢、砸心思，砸時間，甚至要一代一代砸下去。
過去的，一定會過去——象貿易違法了，估計牙雕的手藝，慢慢的，就失傳了。
可是，只要中國人把做牙雕的精神，一代一代傳承下來，去做螺絲，去做鈦合金，去做單晶合金、去做發動機，去紮紮實實做好每一件事，中國人就一定能追上、甚至超過我們的對手
如此，過去的依然會過去，但中國人的手藝，就永遠，也不會失傳了。