钛及钛合金的材料及焊接性

钛及钛合金具有很高的强度、良好的塑性及韧性，有足够的抗腐蚀性和高温强度，最为突出的是比强度高，是一种优良的轻质结构材料。近年来，工程结构材料中，钛及钛合金的应用越来越多，如在航空航天、石油化工、船舶制造、仪器仪表、冶金等领域都得到了广泛的应用。我国钛资源丰富，冶炼和加工技术不断提高，钛及钛合金焊接结构将有很大的发展前景。

一、钛及钛合金的分类

工业纯钛的牌号分别为TA1、TA2、TA3。钛合金按性质和用途分为结构钛合金、耐蚀钛合金、耐热钛合金和低温钛合金等；按生产工艺，可分为铸造钛合金、变形钛合金和粉末钛合金；根据退火组织，可分为α钛合金、β钛合金和α+β钛合金三大类，牌号分别以TA、TB、TC和顺序数字表示。TA4~TA10表示α钛合金，TB2~TB4表示β钛合金，TC1~TC12表示α+β钛合金。

（1）工业纯钛。

工业纯钛的性质与纯度有关，纯度越高，强度和硬度越好，越容易加工成形。钛在885℃时发生同素异构转变。在885℃以下，为密排六方晶格结构，称为α钛；在885℃以上，为体心立方晶格结构，称为β钛。钛合金的同素异构转变温度随着加入合金元素的种类和数量的不同而变化。工业纯钛的再结晶温度为550-650℃。

工业纯钛中的杂质有氢、氧、铁、硅、碳、氮等。其中，氧、氮、碳与钛形成间隙固溶体，铁、硅等元素与钛形成置换固溶体，起固溶强化作用，显著提高钛的强度和硬度，但降低塑性和韧性。氮以置换方式固溶于钛中，微量的氢能使钛的冲击韧性急剧降低增大缺口敏感性，并引起氢脆。

（2）钛合金。

在工业纯钛中加热合金元素便可以得到钛合金。钛合金的强度、塑性、抗氧化等性能显著提高，其相变温度和结晶组织发生相应的变化。

①α钛合金。α钛合金主要是通过加入α稳定元素A1和中性元素锌、锆等固溶强化而形成的。α钛合金有时也加入少量的β稳定元素，因此α钛合金又分为完全由α相单相组成的α合金、β稳定元素含量小于20%的类α合金和能够时效硬化α合金（Cu<2.5%的Ti-Cu合金）。α钛合金中的主要合金元素是铝，铝溶入钛中形成α固溶体，从而提高再结晶温度。含5%铝的钛合金，其再结晶温度从纯钛的600℃提高到800℃,此外耐热性和力学性能也有所提高。铝还能扩大氢在钛中的溶解度，减小形成氢脆的敏感性。但铝的加入量不宜过多，否则容易出现Ti3Al化合物而引起脆性，通常铝的含量不超过7%。

α钛合金具有高温强度好、韧性好、抗氧化能力强、焊接性优良、组织稳定等特点，强度比工业纯钛高，但是加工性能较α+β钛合金差。α钛合金不能进行热处理强化，但可通过600~700℃的退火处理消除加工硬化；或通过不完全退火（550-650℃）消除焊接时产生的应力。

②β钛合金。β钛合金的退火组织完全由β相构成。β钛合金含有很高比例的稳定化元素（如Mo、V），使马氏体转变β→α进行得很缓慢，在一般工艺条件下，其组织几乎全部为β相。通过时效处理，β钛合金的强度可以得到提高，其强化机理是α相或化合物的析出。β钛合金在单一β相条件下的加工性能良好，并具有优良的加工硬化性能，但高温性能差、脆性大、焊接性能较差，容易形成冷裂纹，在焊接结构中应用较少。

③α+β钛合金。α+β钛合金的组织是由相和相两相组织构成的。α+β钛合金中都含有α稳定元素铝，同时，为了进一步强化合金，添加了锌、锆等中性元素和β稳定元素，其中稳定元素的加入量通常不超过6%。

α+β钛合金兼有α和β钛合金的优点，既具有良好的高温变形能力和热加工性，又可通过热处理强化提高强度。但是，随着β相比例的增加，其加工性能变差；随着β相比例的增加，其焊接性能变差。

TC4是应用最广泛的α+β钛合金，其基本相组成是α相和β相。但在不同的热处理和热加工条件下，两相的比例、性质和形态是不同的。

二、钛及钛合金的化学成分及性能

钛及钛合金的化学成分见表1-16,钛及钛合金的力学性能见表1-17。

三、钛及钛合金的焊接性

（1）焊接接头区脆化。

钛的化学活性强，在400℃以上的高温(固态)下极易被空气、水分、油脂、氧化皮污染，由表面吸入氧、氮、氢、碳等杂质，以至降低焊接接头的塑性和韧性。

造成焊接接头脆化的主要元素有氧、氮、氢、碳等元素。钛在常温下能保持很高的稳定性和耐蚀性，但在高温下，钛与氧、氮、氢反应速度加快，钛在300℃以上快速吸氢，600℃以上快速吸氧，700℃以上快速吸氮。保温温度越高，保温时间越长，吸收氧、氮、氢越多，塑性下降越多。焊接接头在凝固、结晶过程中，在正反面得不到有效保护的情况下，焊缝金属很容易吸收氮、氢。如果氩气纯度达不到要求或焊接区保护不好，会使焊缝氢、氮含量增加而引起脆化。

碳主要来源于母材、焊材表面的油污。焊前仔细清理焊件及焊丝上的油污，避免焊缝增碳，引起硬化。

各种气体的影响如下：

①氧的影响。氧在钛的α相或β相中都有很高的溶解度，并能形成间隙固溶相，使钛的晶格严重扭曲，从而提高了钛及钛合金的硬度、强度，但塑性却显著降低。

②氮的影响。在700℃以上的高温下，氮和钛发生剧烈的作用，形成淬硬的氮化钛，而且氮与钛形成间隙固溶体时所引起的晶格歪扭程度比同量的氧所引起的更为严重。因此，氮更剧烈地提高钛的变形抗力，降低钛的塑性。

③氢的影响。氢是稳定β相的元素，在β相中有较大的溶解度，而在α相中的溶解度很小，随着温度的下降，氢以片状的γ相形式析出，γ相在焊缝中起着微裂纹的作用。在钛合金中存在微量的氢就可形成γ相，使合金的塑性特别是冲击韧度急剧降低。

（2）焊接接头的裂纹。

①热裂纹。钛及钛合金中硫、碳等杂质含量较少，很少有低熔点共晶在晶界生成，有效结晶温度区间窄，焊缝凝固时收缩量小，热裂纹敏感性低。当母材和焊丝质量不合格，特别是当焊丝有裂纹、夹层等缺陷时，由于这些缺陷往往积聚大量有害杂质，易使焊缝产生热裂纹。因此要特别注意焊丝质量。

②冷裂纹。当焊缝中含氧、氮量较多，焊缝或热影响区性能变脆，在较大的焊接应力作用下，会产生裂纹。焊接钛合金时，热影响区有时也会出现延迟裂纹，其原因是由于熔池中的氢和母材氢向热影响区扩散，引起氢在热影响区含量增加，由于氢的溶解度变化引起β相过饱和析出，γ相析出量增加，使脆性增大。另外，焊接过程中在氢化物析出时体积膨胀会引起较大的组织应力，加上氢原子的扩散与聚集，以致最后形成裂纹。

（3）焊缝气孔。

氢气孔是钛及钛合金焊接时最常见的焊接缺陷，大部分产生在焊缝中部和熔合线附近。它占钛合金整个焊接缺陷的70%以上。气孔不仅是造成应力集中的因素，而且气孔边缘的金属含氢量高、塑性低，结果使整个接头的塑性和疲劳寿命降低，甚至导致某些钛合金结构发生断裂、破坏。

（4）焊接时的相变引起性能的变化。

①对于含较多β相的α+β钛合金，在焊后快速冷却条件下，除由β相转变成α相（即焊缝中产生的马氏体组织）外，还可能形成脆硬的超显微介稳相ω相，使接头的脆性急剧增大，塑性明显下降。

②钛的熔化温度高、热容量大、电阻系数大、导热率比铝和铁等金属低得多。上述物理特性使钛的焊接熔池具有更高的温度和较大的熔池尺寸，热影响区金属在高温下的停留时间长，因此，易引起焊接接头的过热倾向，使晶粒变得十分粗大，接头的塑性显著降低。

③钛的纵向弹性模量数比不锈钢小（约为不锈钢的50%），在同样的焊接应力作用下，钛及钛合金的焊接变形量比不锈钢约大一倍。

④粗晶倾向。焊接钛易形成较大的熔池，热影响区金属高温停留时间长，晶粒长大倾向较大，长大的晶粒难以用热处理方法恢复。