鈦合金（titaniumalloy）是含有鈦和其他化學元素的合金。具有α合金、β合金、α+β合金等多種種類，最常使用的鈦合金是Ti-6Al-4V合金，即鈦與少量的鋁和釩形成合金，其中鋁和釩通常分別占重量的6%和4%。鈦合金一般通過真空電弧爐熔煉、冷床爐熔煉、粉末冶金等方法制備。具有硬度較高、密度低、比強度高、抗疲勞、耐腐蝕等多種優良性能，在航空航天領域可以作為飛機和載人飛船的制造材料，在軍事上可以應用于坦克和火炮的制造，其也常被用作制造油井的鉆桿和船舶海水排水管，具有多種應用。
雖然鈦合金也存在熔煉要求較高、難成型、成本高等問題，但隨著研究的深入，它的應用還在進一步擴展。
鈦合金的發展
1954年，美國研制出了第一種實用高溫鈦合金Ti6Al4V，這種合金兼具α＋β兩相特征，具有高的熱強性、塑性、韌性、成形性、焊接性、耐腐蝕性以及良好的生物相容性，因為這種合金在300-350℃下長期使用，所以得到了廣泛應用。隨后其他國家也相繼研發出更加具有耐溫性能的鈦合金，例如450-500℃的IMI679、BT3-1等合金、500-550℃的Ti-6242S、IMI685等合金，自20世紀80年代以來，為滿足發動機用材的需求，600℃高溫鈦合金相繼問世，典型的代表有英國的IMI834、美國的Ti1100以及俄羅斯的BT36合金。
中國高溫鈦合金的研發工作起步較晚，前期以仿制為主。經過不斷創新后，逐步形成了以添加稀土元素為特色的近α型高溫鈦合金體系。其中可以在600℃下使用的高溫鈦合金有Ti60、Ti600和TG6，而在600℃以上的鈦合金為Ti65。
理化性質
鈦合金一般具有較高的強度和硬度，其抗拉強度在686-1176MPa左右，硬度為32-38HRC，鈦的密度(20℃)為4.506-4.516熔點較高，為1650℃。但其彈性模量和熱膨脹系數較低，約為108GPa(鋼約為201GPa)和℃，鈦合金耐腐蝕性良好，對HIC(氫致開裂)不敏感，且鈦合金無磁性、抗震性好。
種類
α鈦合金
只含有中性合金元素（如錫）和/或α穩定劑（如鋁或氧）的α合金，是由單固α相溶解形成。這些合金具有良好的高溫性能，但不允許通過熱處理來改變微觀結構而改造性能。它們主要用于化學和工藝工程行業，在這些行業中，優秀的腐蝕性和變形能力是最重要的，而高強度-重量比只排在第二位。如：Ti-5Al-2Sn-ELI，Ti-8Al-1Mo-1V。
近α鈦合金
近α合金中除了有α相還有少于10%的β相，因為近α合金中加入了1-2%的β相穩定劑，如、硅或釩，這提高了合金的強度和可加工性，并促進了α+β合金強度和α合金抗蠕變能力之間的平衡。它們的最高工作溫度被限制在大約500到550攝氏度.航空發動機的高溫鈦合金就是屬于這一類。如：Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo，Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo，IMI685，Ti1100。
α和β鈦合金
α+β合金中包含4%-16%的β穩定劑，Ti-6Al-4V是這類里面最常使用的合金，占了鈦合金應用市場的50%。在室溫下，一般的商用α+β合金通常由10%-20%的β相。如：Ti-6Al-4V，Ti-6Al-4V-ELI，Ti-6Al-6V-2Sn，Ti-6Al-7Nb。
β和近β鈦合金
可轉移的β和近β合金含有足夠的β穩定劑（如鉬、硅和釩），使它們在火時保持β相，而且還可以進行溶液處理和老化以提高強度。如：Ti-10V-2Fe-3Al，Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr，Ti-13V-11Cr-3Al，Ti-8Mo-8V-2Fe-3Al，BetaC，Ti-15-3。
鈦合金等級
鈦合金根據不同的性質和應用可以分為三十多個等級，最常用的是下面這幾種：
鈦合金的性能
比強度高、抗疲勞
鈦合金具有很高的強度，其抗拉強度在686-1176MPa左右，鈦合金管比強度是鎳基G3合金管的1.70倍，是普通P110鋼管的1.66倍。鈦合金疲勞壽命是普通鋼材的10倍以上，其耐用性/抗斷裂性好，熱膨脹系數較低，為℃，是鋼的四分之一，熔點較高，為1650℃。
硬度較高、密度低
鈦合金(退火態)的硬度為32-38HRC，鈦的密度(20℃)為4.506-4.516，約為鎳合金的50%，低于常用鐵、銅。
耐蝕性好
鈦合金耐蝕性優于鎳基合金028、825、728，本體90%屈服強度載荷下不發生應力腐蝕開裂，在室溫條件下，鈦合金材料在、和NaCl混合溶液中浸泡96h無任何裂紋產生，對HIC(氫致開裂)不敏感，鈦合金鹽霧腐蝕速率是碳鋼的萬分之一、耐酸鋼的千分之一。
寬屈服強度“窗口”
屈服強度為380～550MPa(55～80ksi)的鈦合金可作成鈦合金管線，屈服強度為760～965MPa(110～125ksi)的鈦合金可作成油氣井的油管和套管，屈服強度為935～1103MPa(125～160ksi)的鈦合金可在極其惡劣的環境下使用。鈦合金彈性模量小，約為108GPa(鋼約為201GPa)，用于鉆桿造斜方位角變化會更小，且鈦合金無磁性、抗震性好。
生物相容性好
鈦及鈦合金具有密度小、抗腐蝕性良好、與人體血液和細胞組織相容性佳、無毒副作用且各方面性能與人體自然骨高度接近等特點。其表面可自發形成致密的二氧化鈦保護膜，能夠有效阻擋金屬離子釋放，從而避免引發排異反應或炎癥反應。
優異的焊接性和塑性
化學性質活潑的鈦合金焊接后容易因氣體等雜質污染造成焊接接頭脆化、氣孔和裂紋，但可采用鎢極弧焊、帶電粒子弧焊、真空電子束焊和激光焊等方式焊接。
高溫和低溫性能優良
在高溫下，鈦合金仍能保持良好的力學性能，其耐熱性遠高于鋁合金，且工作溫度范圍較寬，在低溫下，鈦合金的強度反而比在常溫時增加，且具有良好的韌性。低溫鈦合金在-253℃時還能保持良好的韌性。
制備方法
冷床爐熔煉
該法通過利用高能電子束槍或等離子槍的能量使原料熔化，熔融狀態的原料在精煉區經過高溫熔解、沉淀捕捉等機制去除雜質和夾雜，得到提純后的熔融原料流入堝，最后在坩堝底部逐漸凝固被拉出。
粉末冶金制備工藝
該法是以金屬粉末作為原料，經過成形和燒結，在低于熔點的溫度下得到最終產品。其可以采用氫化脫氫法得到純鈦粉，將其與合金粉末混合，經模壓或冷等靜壓成形，真空燒結得到最終產品。
熱處理優化
鈦合金需要熱處理主要是通過固溶處理和時效來提高強度，以及優化特殊性能，如斷裂韌性、疲勞強度和高溫蠕變強度。α和近-α的合金不能通過熱處理完善性能，但可以采用應力消除和退火工藝。β合金不僅可以進行應力消除或退火處理，而且還可以進行固溶處理和老化。α-β合金是兩相合金，在室溫下包括α和β相。α-β合金中的相組成、大小和相的分布可以通過熱處理在一定范圍內進行操縱，從而對性能進行定制生產。
應用領域
航空航天
鈦合金在航天方面上的主要應用是在火箭發動機殼體、火箭噴嘴導管、導彈的外殼及宇宙飛船的船艙或者燃料和氧化劑儲存箱及其他高壓容器方面，鈦合金因為具有耐高溫、耐低溫、抗輻射等性能，已經成為航天領域的關鍵材料。其在飛機結構上的應用也多種多樣，例如在飛機骨架、艙門、液壓管道及接頭、起落架等方面，且所使用鈦合金的使用溫度一般不高于350?℃，如美國軍用大型運輸機C-17運輸機的安定面轉軸等關鍵部位均采用了高強高韌性的鈦合金。
在航空發動機上也常將鈦合金應用在壓氣機葉片、盤和機匣等零件上，其在應用中更注重鈦合金在高溫下的比強度、熱穩定性、抗氧化性以及抗蠕變等性能，如F-22戰斗機所用F119發動機的風扇，便采用了寬弦空心鈦合金葉片，這可以讓發動機在滿足性能要求的同時，還可以進一步提高推重比。
生物醫療
鈦合金金是在金屬醫用材料中最佳材料之一，其具有多種優異性能，是骨科的一種常用植入物材料，在骨科領域有廣泛應用，其可用于制作接骨板、髓內釘、關節置換物等材料用于外科創傷修復或關節替換，新型的β型醫用鈦合金彈性模量更接近人體骨骼等優點被廣泛應用。
工業領域
敏感元件
銅鈦合金可以用來制作敏感元件和彈簧接插件，日礦金屬加工公司針對電子機器的
接線插頭銅合金所需要性能，開發出NKT322和NKT180兩種型號的高強度銅鈦合金，而向銅鈦合金中添加一定量的Fe、Al等元素則被稱為鈦青銅，其在繼電器的彈性元件、真空插座、各種控制系統的彈簧、接插元件等方面具有多種應用。
石油天然氣開采
高含硫氣田在鉆探開發鉆井和完井過程中，因為硫化氫的腐蝕性，會造成鉆具脆性斷裂和穿孔等井下事故，可以通過熔煉鈦合金錠鍛造鉆桿以及使用鈦合金管，鈦合金不僅具有優良的抗硫化物應力開裂腐蝕性能和更高的屈服強度，并且所打造的鉆桿也更加具有靈活性和使用壽命。此外，因為鈦合金易于彎曲的特性，還可以用于天然氣集氣管網的鋪設，通過使用單面焊接雙面成型技術，保證焊縫更加均勻可靠。
軍事領域
坦克裝甲車輛
鈦合金可以用于坦克的制造，用于制作鈦合金的披掛裝甲、艙蓋、底盤組件等增加其抗彈性能和降低其重量，例如M2A2布雷拉德利坦克的車長艙蓋，便是使用鈦鍛件打造而成，這種艙蓋不僅比鋼艙蓋更輕，而且抗彈性能也與之相差無幾，而M1A2主戰坦克艾布拉姆斯坦克通過使用鈦合金減輕了底盤組件的重量，減重超過1500磅。
火炮
通過在火炮制作中使用鈦合金，可以使火炮在精度、射程、威力和機動性方面得到顯著的提高，對其大量采用鈦合金不僅可以降低火炮成本還可以減輕其重量，同時還可以使用精密鑄造工藝以減少其部件數量。例如超輕型野戰火炮(UFH)M777采用鈦合金打造，并采用先進的制造工藝，其重量大約是現役火炮M198重量的一半，具有高速運輸、牽引的特點。
海洋領域
鈦合金因為其低密度、耐腐蝕的特性，已經成為船舶海水管路系統的理想選擇。并且鈦合金的極限設計流速超過10m/s，可以為船體系統提供更高的流速設計。此外，它還具有無磁性、透聲、抗沖擊震動、可加工性(包括鑄、鍛、焊接)好等特點，使得鈦合金在船舶中得到了廣泛的應用，如船體結構件、深海調查船及潛艇耐壓殼體、管道、閥及配件、動力驅動裝置中的推進器和推進器軸、換熱器、冷凝器、冷卻器、聲納導流罩等都有鈦合金的應用。例如俄羅斯在20世紀60-80年代在船舶上大量使用鈦合金，幾乎所有的潛艇都采用了鈦合金管道，美國的圣安東尼奧級船塢運輸艦兩棲船塢運輸艦(LPD17)在2個主海水配管系統(壓載水和消防系統)也均采用了鈦合金制造。
存在問題和缺點
鈦合金的熔煉需要要求較高，因為在高溫條件下，鈦易與氧、氮、硅、碳等元素發生反應，使得在鈦在熔煉和熱處理過程需要在真空或惰性氣體保護下進行，這使得對鈦合金的成分純凈性和均勻性控制較為困難。
鈦合金較難成形，因為鈦合金本身的變形能力差，屈/彈比高，熱導率低，所以導致采用常規冷/熱加工成形較為困難。
鈦合金的制造需要較高成本，這極大限制了鈦合金材料的應用推廣，也阻礙了鈦合金材料在海洋工程、武器裝備及民用領域的大量使用。
鈦合金廢料在回收方面仍存在一些問題，主要包括回收方法單一、表面污染層嚴重、雜質含量高等問題，這些問題需要進一步開展更為系統、深入地相關熔煉工藝研究。
參考資料 >
SID 135319956.PubChem.2023-05-13
Characteristics of Alpha, Alpha Beta and Beta Titanium Alloys.AZO Materials.2023-03-30
Titanium Alloy: Types | Properties | Applications..rankred.2023-06-06
Types of Titanium Alloys: Grades, Properties, and Uses.waykenrm.2023-06-06
Types Of Titanium Alloys: Grades, Properties, And Uses.flyingprecision.2023-06-06