β穩(wěn)定元素在鈦及鈦合金中主要起固溶強化和穩(wěn)定β相的作用。當β穩(wěn)定元素超過一定數(shù)量時，鈦合金具有熱處理強化效應(yīng)。β穩(wěn)定元素包括元素周期表中位于鈦右邊的幾乎所有過渡族元素以及IB族元素，約有30種。實際常用的僅有十幾種。其中同晶型β穩(wěn)定元素有鉬、釩、鉭、鈮，共析型β穩(wěn)定元素有鐵、鉻、錳、銅、鈷、鎳、鎢、鈀和氫。氫對鈦合金的獨特作用將在有關(guān)間隙元素對鈦影響的內(nèi)容中敘述。 

 

β穩(wěn)定元素都不同程度的降低鈦的a+β/β相變點，并按鉭、鈮、鉬、釩、硅、銅、鉻、錳、鐵的順序遞增。β穩(wěn)定元素都降低鈦的馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度。β穩(wěn)定元素逐漸增加，可使鈦的M點降低到室溫，當鈦合金由β相區(qū)快速冷卻到室溫時，可將高溫β相保留到室溫。此時鈦合金元素的含量為臨界濃度。顯然，臨界濃度是衡量合金元素對穩(wěn)定β相的能力的一種指標。鈦合金元素穩(wěn)定β相的能力是按鉭、鈮、釩、鎢、銅、鉬、鎳、鈷、鉻、錳、鐵的順序遞增的。同晶型元素是弱的β穩(wěn)定元素，共析型元素是較強的。 

 

1.鈦-鉬系鈦合金

鉬與β鈦具有相同的晶格類型，鉬在β鈦中無限固溶。鉬在a鈦中的固溶度在600℃時為0.8%，當鉬含量超過24～28%時，在650℃就形成單一β相。鈦-鉬二元系在固態(tài)僅有a～β多型性轉(zhuǎn)變。鉬在a鈦中的固溶度隨溫度的降低而增加，鈦合金中沒有過飽和a相分解問題。

2.鈦-釩系鈦合金

在固態(tài)發(fā)生的轉(zhuǎn)變與鈦-鉬系完全相同。釩與β鈦具有同一晶格類型，釩在β鈦中是無限固溶的。600℃時釩在a鈦中的固溶度為3.5%。在650℃時，當釩含量超過18.5～20%時則形成單一β相固溶體。在液-固轉(zhuǎn)變中，鈦-釩二元系液相線出現(xiàn)一個最低點。釩在a相中的固溶度亦隨溫度下降而增加，鈦合金中沒有過飽和a相及其分解問題。

3.鈦-鈮系鈦合金

其固態(tài)的轉(zhuǎn)變與鈦-釩系相同，液-固轉(zhuǎn)變類似于鈦-鉬系。鈮與β鈦無限固溶。在600℃時鈮在a鈦中的固溶度為4%，當鈮含量超過50%左右時則形成單一β固溶體。其a/a+β相線的形狀與鈦-鉬系相似。亦沒有過飽和固溶體分解問題。

4.鈦-鉭系鈦合金

鉭在β鈦中也是無限固溶的。600℃時，鉭在a鈦中的固溶度為11%，當鉭含量大約超過65%時則形成單一β固溶體。

5.鈦-鐵系鈦合金

鐵在β鈦中最大固溶度為25%，出現(xiàn)在1085℃。鐵在a鈦中的最大固溶度為0.5%，在590℃左右出現(xiàn)，并在此溫度發(fā)生下列共析轉(zhuǎn)變，其共析點的固溶度約為15%。β=a+TiFe

6.鈦-錳系鈦合金

它的富鈦部分與鈦-鐵系二元相圖的富鈦部分相似。錳在β鈦中的最大固溶度約為33%，出現(xiàn)在1175℃。錳在a鈦中的最大固溶度約為0.5%，出現(xiàn)在550℃。在此溫度發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，其共析點的固溶度約為20%。β=a+TiMn

 

隨著我國新一代渦扇航空發(fā)動機和第 3 代戰(zhàn)斗機的研制生產(chǎn)，鈦合金在我國航空工業(yè)中的應(yīng)用得到了快速發(fā)展，同時也對鈦合金的性能提出越來越高的要求。這種要求集中表現(xiàn)在兩個方面，一是更高的斷裂韌性，二是在保證足夠斷裂韌性的基礎(chǔ)上獲得超過1100MPa的高強度。以往的事故分析表明，飛機機體結(jié)構(gòu)常會出現(xiàn)一種低應(yīng)力斷裂現(xiàn)象，即構(gòu)件的工作應(yīng)力低于材料的屈服強度而發(fā)生的脆性斷裂，這是由于構(gòu)件內(nèi)部存在由鑄造、鍛造、熱處理，甚至機械加工所產(chǎn)生的微裂紋。這種帶有裂紋的構(gòu)件使用時的安全性、可靠性和壽命，取決于裂紋失穩(wěn)擴展的抵抗能力，這個能力就是以斷裂韌性為標志：KIC。研究表明，β型鈦合金可以在更高的強度水平上具有比α型鈦合金與α+β兩相鈦合金更好的斷裂韌性，滿足提高飛機構(gòu)件的結(jié)構(gòu)效益和構(gòu)件壽命的要求。與此同時，隨著我國航空航天工業(yè)的迅速發(fā)展，新一代標準件要求材料強度水平達1100～ 1300MPa級以上，所以研發(fā)1100～1300MPa級以上的β型鈦材及其加工工藝成為我國材料工程技術(shù)人員的當務(wù)之急。 TB6鈦合金（Ti-10V-2Fe-3Al），是迄今為止應(yīng)用最為廣泛的一種高強高韌近β型鈦合金，是一種為適應(yīng)損傷容限性設(shè)計原則而產(chǎn)生的高結(jié)構(gòu)效益、高可靠性和低制造成本的鈦合金，合金中以Fe和V為主要β穩(wěn)定元素。常規(guī)使用狀態(tài)下 Rm≥1100 MPa，KIC≥60 MPa·m1 /2，已經(jīng)應(yīng)用于波音777 客機起落架主梁、A380主起落架支撐等部件。該合金研制的技術(shù)難點是避免β穩(wěn)定元素的偏析。 TC18 鈦合金（Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe），是一種近β型合金，具有高強、高韌、高淬透性，強度極限在退火狀態(tài)下可達1080 MPa，在強化熱處理狀態(tài)下可達1200 MPa 或更高，具有滿意的延伸率、斷面收縮率和沖擊韌性。我國西北有色金屬研究院、北京航空材料研究院等單位聯(lián)合研制的TC21（Ti-6Al-2Mo-1.5Cr-2Zr-2Sn-2Nb），是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的第一個高強高韌損傷容限鈦合金。目前使用狀態(tài)下 Rm≥1100MPa，KIC≥70 MPa·m1 /2。該合金已經(jīng)在我國第 3 代先進飛機上獲得了工程化應(yīng)用。 用作為鈦合金β相穩(wěn)定元素有一個缺點，即V的抗氧化能力很差，所以這些β鈦合金的使用溫度一般不超過300℃。為了使合金具有良好的抗氧化性能和高溫性能，要選用抗氧化性能良好的的高熔點Mo和Nb作為β相穩(wěn)定元素。TB8鈦合金（Ti-3Al-15Mo-2.7Nb-0.25Si）是針對抗氧化金屬及復(fù)合材料基體的需求而研制的一種β型鈦合金。該鈦合金不僅具有優(yōu)異成形性、深淬透性、良好的抗腐蝕能力，還具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能，可用于制作有溫度要求的飛機結(jié)構(gòu)件或發(fā)動機部件緊固件和液壓管材等。