坚钢百炼寒霜剑，力钛千熔烈火魂
——浅析钛与钛合金的应用与发展.第二篇《钛合金》
有朋友问：兵器迷的文章，怎么越写越底层了？呵呵。
近年来，很多军迷正在从简单的“兵器对对碰”装备比拼，逐步走向动力体系、气动设计、电子体制等诸多装备要素的探讨，或者深入到材料、工艺、生产装备等基础研究的专业领域。这是好事，也是兵器迷行文的目的。军坛也似乎正在逐步从新闻表面的喧嚣，更多的扩展到专业底层——那些因枯燥、苦涩、沉重、默不作声而被忽视了很久的东西，那些骨灰级军迷和深切的爱国者需要学习和培养的东西。
第一篇对钛的性质和钛材的生产做了介绍。钛虽然有很多优良的性质，但是，事物总是两面的——兵器迷经常“但是”后面做文章——纯钛也有很多弱点:
首先，钛在高温时的化学活性比较高。钛本身耐热，在500℃以下相对稳定。不过，在大气中，钛250℃开始吸收氢，400℃开始吸收氧，600℃开始吸收氮，甚至，在钛在500-600℃的纯氧中可以自行燃烧。杂质的增加，会破坏钛的强度和塑性。这给钛的使用与热加工带来了很大的麻烦。第三篇谈时，我们会再涉及这个话题。
再有，钛的导热性差，只有铁的1/3,铝的1/5,摩擦系数大（0.42），抗磨性也不高。因此容易使刀具和工件的温度急剧升高，造成粘刀，降低刀具寿命，切削加工性差。
最后，钛的弹性模量低，抗变形能力差，只有铁的55%，影响制件的刚度，这也是为什么，我们在现实中看到很难看到细长的钛合金承力构件的原因。
为了在应用钛的时候扬长避短，人们采用了合金的方式。即将钛与其他金属，或类金属元素固溶在一起，大幅度改善钛材性能的短板，以便更好的发挥钛的长处，这就是本篇的重点——钛合金。
这一篇的特点，是专业术语较多。我们尽量绕开简要介绍一下，但无法完全避开。感兴趣的朋友可以找专业论著研读，一起交流(兵器迷啃这些东西头大啊)。不感兴趣的朋友，就当看个热闹罢了。
钛有两种同素异晶体，即α密集六方晶系，和β体心立方晶系。根据温度不同，钛组织共析分解发生变化，这两种晶系结构就会相互转换。简单的说，α钛和β钛在钛组织中所占的比例，会随着温度发生变化。一般来说，温度越高，钛组织中的β相越多，反之，温度越低，钛组织中的α相越多。根据钛的α和β二元系相图，纯钛在882.5度时，钛的α相将向β相转换（见下图）。如果温度更高，达到1000-1600度，钛组织将逐渐液化。
图1：钛的α晶格和β晶格及相互转换
抱歉，这样晦涩的描述……“钛”难了了，飘过……
钛合金按照合金退火组织中，钛的α和β这两种主要晶型结构的占比，可以分成以下三类：
一、α合金：这种钛合金中的钛以α相为主，高温性能好，抗腐蚀，组织稳定性好，焊接性好，工业纯钛也属于这一种。缺点是常温强度低，塑性变形能力低，强度不高，热加工性差。
如果一种元素有助于扩大和稳定钛合金的α相区，提高α到β相区的转换温度，则这种元素就是α稳定元素。一般的，耐热钛合金以加入α稳定元素为主。
α稳定元素中比较典型的是铝。铝（Al）具有显著的固溶强化作用，在室温和高温都能强化合金的强度，改善钛合金的热稳定性和焊接性能。Al对钛合金的多重属性的改善，类似于碳在钢中的作用，因此在几乎所有的结构钛合金中，都能看到Al的影子。
此外，镓、锗、氧、氮、碳等也是α稳定元素。
二、β合金：这种钛合金中的钛，以β相为主。属于高温稳定态，合金强度高，塑性加工性能好。缺点是合金组织性能不稳定，冶炼复杂。
如果一种元素有助于扩大和稳定钛合金的β相区，降低α到β相区的温度，则这种元素就是β稳定元素，。一般的，高强度合金以加入β稳定元素为主。
β稳定元素中比较典型的是钒（V）。钒有显著的强化固溶作用，在β钛中可以无限固溶，并在提高合金强度的同时，有效提合金的高热稳定性，维持良好的塑性。
此外，钼、铌、锰、铁、铬、硅、铜、钴等也是β稳定元素。
三、α+β合金：这种钛合金中α和β相的钛都不少。α+β两相钛合金往往兼具α钛合金和β钛合金的特点，常温强度高，中等温度的耐热性也不错，热处理强化性能和焊接性能良好。
大家可能猜到了，这个结果的形成，是由于人们在钛合金中同时固溶了α和β两种稳定元素。
事实上，仅仅靠一种或一类元素，对钛合金的性能改善是有很大局限的。因此，人们往往将不同种类的α稳定元素和β稳定元素，或者再加上介于二者之间的中性元素（如锆、铪、锡、铈、镧、镁），精心调配其中的比例和固溶工艺，加入钛合金配方中，形成具有综合优化性能的α+β合金，兼顾钛合金的各种性能要求。
比如：某钛合金TiAl24Nb13Mo1.5Si0.5，用到了α稳定元素铝Al,也用到了β稳定元素铌Nb、钼Mo和硅Si
有朋友问了,既然如此，是不是应该重点开发α+β合金呢？
完全正确。目前，α+β合金的应用范围确实是最广的，α耐热合金其次，β强度合金的应用最少。因为虽然钛可以通过强化达到1000-1200MPa的抗拉强度,部分型号甚至可以达到1800-2000 MPa, 但仅仅从强度水平看，钛合金的优势并不比最高2400MPa的马氏体时效合金钢明显,价格还贵得多。因此，钛合金目前的主要应用场景是耐热、耐腐蚀和结构减重，并保持强度和塑性，而不是单纯的追求常温下的高强度。
那么，中国能够制造什么样的钛合金，特别是，能够制造α+β合金吗？
让我们欣慰的是，这三类合金，中国都有系列化的产品了。
四 中国国标钛合金
在2007年11月颁布施行的国家标准：GBT3620.1中，中国公布了钛及钛合金的牌号和化学成分，包括76种钛合金
表1：中国国家标准钛及钛合金牌号
合金种类 | 牌号类别 | 合金品牌数量 | |||
α合金 | TA | 43种 | |||
TA1ELI | TA1 | TA1-1 | TA2ELI | TA2 | |
TA3ELI | TA3 | TA3EL2 | TA4 | TA5 | |
TA6 | TA7 | TA7ELI | TA8 | TA8-1 | |
TA9 | TA9-1 | TA10 | TA11 | TA12 | |
TA12-1 | TA13 | TA14 | TA15 | TA15-1 | |
TA15-2 | TA16 | TA17 | TA18 | TA19 | |
TA20 | TA21 | TA22 | TA22-1 | TA23 | |
TA23-1 | TA24 | TA24-1 | TA25 | TA26 | |
TA27 | TA27-1 | TA28 | | | |
β合金 | TB | 10种 | |||
TB2 | TB3 | TB4 | TB5 | TB6 | |
TB7 | TB8 | TB9 | TB10 | TB11 | |
α+β合金 | TC | 23种 | |||
TC1 | TC2 | TC3 | TC4 | TC4ELI | |
TC6 | TC8 | TC9 | TC10 | TC11 | |
TC12 | TC15 | TC16 | TC17 | TC18 | |
TC19 | TC20 | TC21 | TC22 | TC23 | |
TC24 | TC25 | TC26 | | | |
这里需要说明几点：
1 中国的钛合金品牌中，既包括添加了稳定元素的钛合金产品，也包括了没有添加合金元素的工业纯钛产品。即：在TA合金中，包括了9种工业纯钛TA1-TA4。这与目前钛工业大国的做法是类似的，他们是：
美国的ASTM标准：Ti35,Ti50,Ti65工业纯钛钛合金
德国的BWB标准：LW3.7024，LW.3.7034工业纯钛钛合金
法国的NF标准：T35,T40工业纯钛钛合金
日本的JIS标准：KS50，KS60，KS85工业纯钛钛合金
在这些国家的钛合金标准中，纯钛也算钛合金。因此在很多新闻报道中，你看到纯钛也被称作钛合金，或者倒过来明明是钛合金，却被称为钛，其中有一些就是这个道理。
2 我们同样可以在很多报道中，看到国标之外的合金描述方式，有些是2007年后尚未收录国标的新品种，只有代号（如：Ti679），高温钛合金的代号往往与温度相关（如Ti55标识550度的钛合金使用温度）。有些是在名称中加入了加工工艺缩写（如：铸造钛合金ZTi3）。有些干脆用合金成分来表示（如：TiAl24Nb15Mo1.5）。大家见多了，自然见怪不怪。
说道这里，三大类钛合金介绍完了。
可是等等，没完呢，还有第四种。
那位鼻子气歪了，兵器迷出尔反尔，名副其实的“说三”却“道四”，这不是自己打自己嘴巴吗？
您稍安勿躁，待俺细细讲来。
五、金属间化物钛合金
金属间化物——没办法，专业词汇太多。可为了把故事讲下去，该拽还得拽啊。
上述三大类钛合金，尤其是TC类合金，大体保障了钛合金在600℃以下环境中的使用。但温度再高，就会出现材料的蠕变抗力下降和强度下降的情况。（所谓蠕变，就是合金在高温环境下时受到小于工作正常标准的应力，出现持续缓慢形变的情况。）而现代航空工业，特别是发动机行业，对钛合金提出了更高的耐温要求，α+β钛合金因此面临着严峻的考验。
经过人们的深入研究，发现上述单纯采用固溶强化的三类钛合金，其钛原子与稳定元素的原子之间，是相对无序的混杂排列，是物理溶解关系。而如果能够让他们的原子间的排列，遵循某种高度有序化的规律，甚至达到二者之间以共价键的化学关系，形式化合物——这就是金属间化物——将会使金属合金的整体强度得到提高。特别是在一定温度范围内，合金的强度反而随温度升高而增强！
为此，西方发达国家的冶金学家经过长期的努力，终于研究出有序强化的钛-铝系金属间化合物。它具有高比强度、比刚度、高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，Ti3Al基合金长期工作温度在650℃左右，而TiAl基合金工作温度可达760℃~800℃，从而突破了长期困扰钛合金发展的600℃瓶颈。
兵器迷之所以刚才没有提到这类合金，有两个原因。一是金属间化物钛合金目前只是开了个头，并非钛合金的主流应用。二是2007版国标中，只有α，β，和α+β三大类，未见收录此类间化物合金（也许尚未有国产化的产品通过国家的正式评审检验）。在此补充说明一下，是为了介绍钛合金的最新发展趋势，并希望引起大家的后续关注。
有些失望？呵呵。
其实，中国科学家也在金属间化物钛合金领域坚持不懈的做着艰苦努力。近年来，已经在公开报道中隐约看到了一束希望的曙光。能够观察和推测到的是，中国科技工作者，似乎已经把他们研究的某种金属间化物钛合金，自行取了名字——排在TA,TB和TC合金之后，就叫TD合金。
第四篇还有TD和其他国产钛合金在航空航天领域应用的相关介绍，您接着瞧。
钛合金作为金属世界的奇葩，其发展和进步都带有一丝神秘的色彩。这种神秘在一定程度上，来自于它的复杂。而这种复杂，更多的体现在钛合金元素的配方和固熔工艺上。为了达到一种理想的合金性能，需要不知多少次试制、试验和分析比对，才能真正了解这样的复杂性。
比如前述国标中的TC合金（也就是α+β合金）中的TC21，其化学成分是Ti-6Al-2Mo-1.5Cr-2Zr-2Sn-2Nb。也就是说，除了α+β相的钛基以外，还要添加铝、钼、铬、锆、锡、铌六种稳定元素——好比中药中的君臣佐使，各味药材共同作用，才能提供最佳的药效和最小的副作用。
兵器迷把钛合金配方比作中药，是有道理的。大家知道，中药的配方是十分精道的，其中每一位药的大致功效也是清楚的。但是多位药配合起来的药方，其药理就并不十分精确。这种了解功效甚于了解药理的情况，在钛合金行业是很常见的。
比如：在钛铝合金Ti-Al中，人们在实践中发现，当Al的质量在钛合金中占7%以下时，Al越多，合金的强度越高，而密度越低。当然，这还需要铝和其他合金元素如何达到最佳配合。为此，冶金学家卢森伯格（Rosenberg）提出了一个著名的钛合金成分铝当量经验公式：
Al*=Al%+1/3Sn%+1/6Zr%+1/2Ga%+10[()]%<8%-9%
即铝当量的低于8-9%，就不会出现不利的钛α2相析出。这一公式对用途最为广泛的钛合金，即Ti-Al合金的生产具有决定性的指导意义。但这却是建立在经验基础之上的，其物理意义至今不明。
所以，老牌工业国家如英美德日，为什么功力深厚，原因是很多的。理论扎实是一方面，经验积累又是一方面。就后者来说，很多东西，甚至不是诺贝尔奖、专利、著作这类明面上的东西能完全说得清、道的明的。书上那些东西，你能追，至少知道差在哪儿差多少。可是操作经验、技术诀窍，管理细节，是不知道的差距，因此很难快速和普遍掌握。别说钛合金了，就说低端产业：国内有个缝纫机厂家，资金雄厚，收购了德国一家缝纫机厂，工艺专利技术图纸都买了。再做，做到人家质量的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，还不知道为什么。
和中国改革一样，容易得的红利都得了。下面的事情，没有教科书了。
咋办？
砸钱是一回事。也许中国人不差钱了。好吧，这个可以有。
砸心思是另一回事。日本人看了中国的象牙微雕说，我们做螺丝的心思就像你们做牙雕一样。所以你们中国人牙雕做的好，我们日本人螺丝做得好——这不是在夸中国人。真心的，不是。
砸时间又是一回事。什么是积累，什么是耐得住寂寞，什么是失败是成功之母。十年、二十年失败，把能失败的都失败了，也就该成功了。所以才说，那些失败，是成功的种子。
砸钱、砸心思，砸时间，甚至要一代一代砸下去。
过去的，一定会过去——象贸易违法了，估计牙雕的手艺，慢慢的，就失传了。
可是，只要中国人把做牙雕的精神，一代一代传承下来，去做螺丝，去做钛合金，去做单晶合金、去做发动机，去扎扎实实做好每一件事，中国人就一定能追上、甚至超过我们的对手
如此，过去的依然会过去，但中国人的手艺，就永远，也不会失传了。
欲知后事如何，且听下回——《加工钛合金的工艺》分解。
注：所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物，如：
《钛的性质及其应用》
《钛合金技术发展》
《轻合金丛书》
《日本钛合金的应用现状》
《钛及钛合金牌号和化学成分》
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