3.3 钢与钛及钛合金组合的焊接
1.钛及钛合金的特殊性能
钛及钛合金有别于其他有色金属的特殊性能有如下几点：
（1）比强度高 比强度是单位密度（σa）的强度（σb），即σb/σa的比值。钛（Ti）及钛合金的强度虽然与钢相近，但重量只有钢的57%、铜的50%。常用钛合金TC4的比强度为21.7，而硬铝合金LY12（2A12、AlCu4Mg）只有16，比强度高的优势在于相同强度的条件下，结构可以轻量化。
（2）耐蚀性强 钛及钛合金在氧化性介质、中性介质及氯离子介质（海水）中的耐腐蚀性超过不锈钢，甚至有时超过常用12Cr18Ni9不锈钢的10倍以上。在还原性介质（稀盐酸或稀硫酸）中，经过氮化处理后的钛及钛合金耐蚀性比处理前可提高100倍。钛及钛合金耐蚀性强的原因是由于钛与氧的亲和力很大，甚至在室温下都能迅速生成稳定而致密的氧化膜，由于氧化膜的存在，使钛及钛合金具有良好的耐腐蚀性能。
（3）高温强度高 钛及钛合金在500～600℃环境中长期工作不会丧失原有的力学性能。而钢和铝则不能，在大气中高速飞行器（如飞机、导弹、火箭等）的表面温度升高到230℃（航速大于3马赫时）[1]，铝合金会丧失原有的力学性能，不锈钢的力学性能也会受到影响而不能应用，而钛合金仍可以继续使用。
（4）低温强度高 一般金属包括低合金低温用钢（如我国标准GB3531—1996中的09MnTiCuREDR、09Mn2VDR、06AlNbCuN等）都规定有最低使用温度，低于其极限温度会变脆，正常的力学性能会被破坏。其最低使用温度一般在-100℃左右以上。美国的ASTM-A645·72低温用钢冲击试验温度也不过-170℃。
而钛合金可在超低温-269℃的条件下使用，仍然具有良好的塑性、足够的韧性、较高的热冲击强度、耐压和抗振等性能。适合作为航天器的液氧储箱及液氮储槽等低温结构的材料，低温用钢则不能。
（5）屈服强度和抗拉强度的比值σs/σb大，高于铝合金和不锈钢 钛及钛合金的弹性模量只有钢的55%。用钛化钢制作弹簧时所需弹簧圈数少，同样大小的抗力弹簧、钛弹簧重量只有钢弹簧的28%，且钛弹簧的振动频率高。适合用于赛车和普通汽车中。
（6）钛及钛合金在高温下对氧、氮、氢有极大的亲和力，极限溶解度很大 这些特性会给钛合金的焊接带来难度。这些难度是极易产生气孔和“脆化”。特别是氢在一定条件下溶入后，还会逆向放出，谓之“储氢作用”。例如Ti-Mn合金组成的TiMn1.5在常温下，可吸氧20.09g/kg，一个大气压（101355Pa）可逆放氢，大约16.52g/kg。
（7）特殊性能
1）某些钛合金（如Ti-Ni）是具有记忆功能的记忆合金，低温下进行塑性变形，撤销外力后，加热到一定的温度，可以恢复原来的形状。
2）Nb-Ti合金有超导能力，在10K温度时电流密度可达4～8×104A/cm2，几乎没有电阻。
3）钛合金具有良好的生物相容性，可以和人体肌肉结合。医学上作为人工关节及其他固定材料，包括钛合金人造假牙。
钛及钛合金的以上特点决定了它在工业生产中的地位，除了其特殊功能外，其余都是在焊接过程中所关注的。金属结构中以钛代钢，其高的比强度、耐腐蚀性及高温与低温强度都有极大的优势。
钛及钛合金的成本高，限制了其应用范围。钛及钛合金最大的应用局限性是成本很高，不仅钛及钛合金的熔点比钢高几百度，而且在高温下化学性质特别活泼。因此，钛及钛合金的冶炼要在惰性气体保护下进行，而不能用含氧材料。这些因素给钛及钛合金的冶炼设备、工艺增加了难度及成本。使钛及钛合金的市场价格远远高于钢铁材料或铝合金。只有在特殊的、重要的场合下才能被应用。在所有钛及钛合金中，应用量最大的是TC4钛合金（Ti-6Al-4V），其次是工业纯钛（TA1、TA2、TA3）及TA7（Ti-5Al-2.5Sn），约在总量的50以上。
2.钛及钛合金的化学成分及一般力学性能
纯钛主要是工业纯钛，牌号为TA1、TA2及TA3。工业纯钛是一种银白色的轻金属，它有两种晶体结构，882℃以上为体心立方结构，称作β钛，低于此温度为密排六方结构，称为α钛。随着钛中合金元素及杂质的含量不同，同素结构转变的温度也不同。工业纯钛的塑性较好，但强度略低，在退火状态下纯钛的抗拉强度在350～700MPa之间，伸长率在20%～30%之间，因杂质含量不同而异。但仍然超过碳素钢，或者与之相等。Q195的抗拉强度只有315～390MPa，Q275为490～610MPa。而且工业纯钛有良好的低温性能。
影响工业纯钛强度的主要杂质是氧、氮和碳。三者能以间隙形式固溶于钛中，虽然能提高抗拉强度，但却使钛的塑性大大下降，尤其是氮。因此，三者不作为合金元素使用，而称作为杂质，并限制其含量。不同的工业纯钛（TA1、TA2及TA3）的差别也在于这三种间隙元素的含量不同。也可以将工业纯钛视为低合金元素的钛合金，所以其牌号和α钛合金完全一样。
钛合金按用途可分为结构钛合金、耐蚀钛合金、耐热钛合金和低温钛合金等四大类。钛合金按退火状态的平衡组织又可分为α钛合金、β钛合金及α+β钛合金三种，分别用TA、TB和TC表示。常用TA2、TA7、TC4、TC10，TB2分别是常用α钛合金、β钛合金及α+β钛合金的代表。加工钛及钛合金牌号和化学成分见标准GB/T3620.1—2007。加工钛及钛合金的特性和应用实例，见表3-27。
表3-27 加工钛及钛合金的特性和应用实例
（续）
工业纯钛中加入合金元素可以提高其强度和改善其他性能。根据合金元素稳定α相或β相的作用，即对α相区和β相区与同素异构转变温度的作用，这些合金元素大体可分为三类，见表3-28。
第一类为α稳定元素，钛金属的α相的晶体结构为密排六方结构。Al、O、N、C为α相稳定元素，α相稳定元素能提高α相的稳定性，扩大α相区的范围，提高同素异构转变温度。但真正有用的只有Al元素，它能以置换形式固溶于钛中，起到强化α钛的作用。一般w（Al）不超过6%，最大不超过10%，否则易产生Ti3Al化合物而变脆。氧、氮、碳虽然不属于α稳定元素，但却以间隙形式固溶于钛中，虽然能提高强度，但却使塑性显著地降低。所以不作为合金元素使用，只是将之视为杂质，限制其含量。
第二类β稳定元素，表3-27中的β稳定元素有两种，能够通过置换形式固溶于钛中的β稳定元素和通过间隙形式固溶于钛中的 β稳定元素，后者只有H元素，虽然可以提高钛合金的强度，但却使塑性显著地降低，而视为杂质，应限制其含量。置换形式固溶的稳定元素中常用的有V、Mo、Cr、Fe、Mn等，这些元素的加入，不仅起到强化力学性能的作用，最重要的是能够将β相的稳定性扩大、扩大β相区范围、降低同素异构转变温度，可以将工业纯钛882℃的转变温度（α→β）降低到室温以下，使退火状态平衡组织的晶体结构呈体心立方（β相），而不是密排六方结构（α相）。
第三类合金元素称做为中性元素，只有锡（Sn）、锆（Zr）、铪（Hf）等几种，对同素异构转变温度影响极小，在α钛及β钛中都有很大的溶解度，并对钛起到强化作用。
含有α稳定元素（Al）的钛合金称为α钛合金；含有β稳定元素的钛合金称为β钛合金；同时含有α稳定元素（Al）、β稳定元素（Mo、V、Mn、Cr、Fe等）的钛合金称为α+β钛合金。中性元素Sn、Zr、Hf等基本上含在β钛合金或α+β钛合金中。常用钛及钛合金板材横向室温力学性能见表3-29。
表3-28 钛合金中合金元素的分类
表3-29 钛及钛合金板材横向室温力学性能（不小于）（摘自GB/T3620.1—2007）
（续）
