比强度大。 TC4的强度sb=1,012MPa，密度g=4.4×103，比强度sb/g=23.5，而合金钢的比强度sb/g小于18。
钛合金热导率低。 钛合金的热导率为铁的1/5、铝的1/10，TC4的热导率l=7.955W/m·K。
钛合金的弹性模量较低。 TC4的弹性模量E=110GPa，约为钢的1/2，故钛合金加工时容易产生变形。
TC4(Ti-6Al-4V)和TA7(Ti-5Al-2.5Sn)钛合金，采用两种注入方案进行表面改性，试验表明，钛合金经离子注入后，提高了显微硬度，显著地降低了滑动摩擦系数，有效地提高了耐磨性.为探明其改性机理，对注入与未注入样品进行了X射线光电子能谱(XPS)分析，获得满意的结果.
1 试件制备及注入条件
1.1 试件制备
选航空用的TC4、TA7钛合金，试件制成圆盘状，尺寸为�40×5mm，所有试件表面均抛光至镜面.
1.2 离子注入条件
两种钛合金都分别采用两种注入方案：
① 在TC4及TA7钛合金试件上溅射镀Ti，Ti膜总厚度为540nm(5400A).在镀Ti膜过程中，同时用(N+ +N+2)进行动态反冲注入，束流能量为50keV，束流密度为45μA／cm2，剂量为7×1017／cm2，靶室真空度为1.33×10-2Pa；
② 在①的基础上，再注入C+，束流能量为40keV，剂量为3×1017／cm2.
2 硬度测量
用HXD-1000数字式显微硬度计测量了注入与未注入试件的显微硬度，测量载荷为4.9×10-2N，测量结果列于表1.
表1 显微硬度测量结果
材料 表面状态 显微硬度/MPa 硬度提高倍数
未注入 2690 0
TC4 注入(N+ +N+2) 6399 1.38
注入(N+ +N+2)+C+ 3436 0.28
未注入 3133 0
TA7 注入(N+ +N+2) 4276 0.36
注入(N+ +N+2)+C+ 4073 0.30
从表1看出，离子注入后，试件的显微硬度都有不同程度的提高，其中TC4钛合金注入(N+ +N+2)混合束后硬度约提高1.4倍.
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1. 固溶处理
固溶处理是TC4钛合金热处理中提高硬度的关键步骤之一。具体过程包括：
温度设定：将TC4钛合金置于箱式电炉或真空炉中，加热至950℃～970℃（或根据具体工艺要求调整至960℃～980℃）。这个温度范围有助于合金中的元素充分溶解，形成均匀的固溶体。
保温时间：在设定的温度下保温1小时至1.5小时（或根据工艺要求调整至40分钟～150分钟），以确保合金内部达到热平衡，元素分布均匀。
冷却方式：保温结束后，通常采用空冷或水淬的方式进行快速冷却，以固定高温下的组织状态，防止元素重新析出。
固溶处理后的TC4钛合金，其硬度可显著提高至HB350以上，为后续时效处理打下良好基础。
2. 时效处理
时效处理是进一步提高TC4钛合金硬度的有效方法。具体过程包括：
温度设定：将固溶处理后的TC4钛合金置于井式电炉或真空炉中，加热至530℃～550℃（或根据工艺要求调整至550℃～600℃）。这个温度范围有助于合金中的析出相（如α'相）均匀析出，从而增强材料的硬度和强度。
保温时间：在设定的温度下保温3小时至4小时（或根据工艺要求调整至4～6.5小时），以确保析出相充分析出并达到最佳分布状态。
冷却方式：保温结束后，通常采用空冷的方式进行冷却。空冷可以保持析出相的稳定性，避免材料在冷却过程中发生组织变化。
时效处理后的TC4钛合金，其硬度可进一步提高至42HRC～44HRC（或根据具体工艺条件达到37～38HRC），同时保持良好的强度和韧性。
3. 其他热处理工艺
除了固溶处理和时效处理外，还有一些其他的热处理工艺可以用于提高TC4钛合金的硬度，如：
双重退火：通过高温退火和低温退火相结合的双重退火工艺，可以进一步细化晶粒、优化组织结构，从而提高材料的硬度和强度。
淬火处理：在某些特定工艺中，可以采用淬火处理来快速冷却合金，以获得更高的硬度和强度。但需要注意的是，淬火介质和淬火转移时间的选择对淬火效果有重要影响。
4. 离子注入技术
除了传统的热处理工艺外，离子注入技术也是一种有效的提高TC4钛合金硬度的方法。通过向合金表面注入氮离子、碳离子等元素，可以显著提高合金的显微硬度和耐磨性。这种方法特别适用于对材料表面性能有较高要求的场合。
钛合金的牌号、品种很多，超过100种。工业上可利用的用40-50种，最常用的也就十多种。其中包括各种不同品味工业纯钛和被精选出的钛合金，如Ti-6AL-4V，Ti-5AL-2.5Sn，Ti-2AL-1.5Mn，Ti-3AL-2.5V,Ti-6AL-2Sn-4Zr-2Mo,Ti-6AL-2Sn-4Zr-6Mo,Ti-8AL-1Mo-1V，Ti-13V-11Cr-3AL，Ti-15V—3Cr-3AL-Sn和Ti-10V-2Fe-3AL以及Ti-0.20Pd、Ti-0.3Mo-0.8Ni等。然而对大多数国家来说，前两个重要合金（Ti-6Al-4V；Ti-5Al-2.5Sn）是为最典型的，也是世界各国公认的。
一、按组织分类
钛合金一般是按其组织来命名的，即α钛合金（含近α钛合金）、β钛合金及（α+β）钛合金。中国国家标准中分别用TA、TB、TC作为字头表示钛合金的类型，然后跟着一个数字代表合金序号，如TA代表α型钛合金，TA7钛合金为Ti5Al-2.5Sn合金；TB代表β钛合金，TB2为Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al合金；TC代表α+β型合金，如TC4钛合金为Ti-6Al-4V合金。
α钛合金，主要含有α稳定元素，在室温稳定状态下，基本为α相的钛合金，如工业纯钛（TA0、TA1、TA2、TA3）和TA7（Ti-5Al-5Sn）。α钛合金主要应用于化工、石化和加工工业，在这些工业中首要考虑的是合金的耐腐蚀性能和可加工变形能力，工业纯钛（TA0-TA3四种），TA9钛合金含钯合金（TA9钛钯合金）和含少量的钼和镍合金（TA10钛钼镍合金）为首选。
近α钛合金，这类钛合金中加入少量β稳定元素，在室温稳定状态下，退火组织中包含少量β相或金属间化合物，一般不超过10%，如TA11（Ti-8Al-1Mo-1V），这是美国开发的钛合金，用于高温状态下使用，但铝含量高会导致热盐效应力腐蚀问题；TA15（Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr）是俄罗斯开发的BT20合金。TA11钛合金与TA15钛合金为相类似合金，后者降低了铝含量增加了锆，这样就保持耐热性并改善了热盐效应力腐蚀。α+化合物合金TA13（Ti-2.5CU）是英国开发的IMI230合金。
α+β钛合金，含有较多的β稳定元素，在室温稳定状态下，由α及β相所组成的钛合金。β含量一般为10%-50%。α+β钛合金有中等强度，并可热处理强化，但焊接性能较差。根据钼当量不同，此类合金又可分成马氏体型和过渡型。其中典型合金Ti-6Al-4V，该合金是美国水城兵工厂与1954年研制成的，广泛用于宇航工业，该合金产品占钛合金产量的55%-65%，可用于生产各种大规格航空锻件和零件，Ti-6Al-4V合金由于他具有优良的综合性能，研究的最为深入，使用的时间最长，应用的领域最广泛，所以该合金诞生半个世纪以来一直保持旺盛的生命力。中国牌号为TC4，美国钛金属公司所属Timet分部牌号为Ti-6Al-4V，美国活性金属公司为RMI6Al4V，英国钛金属公司为IMI318，俄罗斯为BT6，日本住友为ST-Al40，法国为TA6V，德国为LT31.
二、按强度分类
钛合金添加元素，利用钼当量[Mo1]ep和铝当量[Al]ep来表达：α与近α钛合金[Mo1]ep为12-13，[Al]ep为5-8；α+β钛合金[Mo1]ep为5-12，[Al]ep为6-30；β钛合金（亚稳合金）[Mo1]ep为12-25，[Al]ep为5-8。更适合设计者需要是按强度分类，可分为低强度、普通强度、中等强度、高强度、最高强度分类。
三、按用途分类
1、工业纯钛
工业纯钛是钛含量不低于99%，并含有少量铁、氧、碳、氮、氢等杂质的致密金属钛。杂质对纯钛的力学性能影响最明显的是氧、氮和铁，尤其是氧。氢与钛的反应是可逆的，氢对钛的性能影响主要表现为“氢脆”，通常规定氢含量不得超过0.03%-0.05%氢。工业纯钛在常温虽是密排六方晶格（α），但其轴比小（c/a=1.587），有较好的可加工性。纯钛的成型性能和焊接性能好，对热处理不敏感。
工业纯钛作为外科植入物金属材料已经列入ISO5832-2-1999国际标准，满足长期植入物的材料应有下列基本要求：抗腐蚀、生物相容、优越的抗拉强度、耐疲劳和有良好的韧性、弹性磨具、抗磨损以及令人满意的价格。
2、耐腐蚀钛合金
耐腐蚀钛合金适合于在强腐蚀性介质中应用，主要为低强合金。在非宇航领域中主要是利用耐腐蚀性能好这一优点。耐蚀钛合金提高了工业纯钛在还原性介质中（如盐酸、硫酸、磷酸、草酸和甲酸）的耐腐蚀能力，目前成熟的钛钼、钛钯、钛钼镍、钛镍、钛钽等合金。
钛钼合金是研究最早（1952年）的，他在还原性的盐酸中具有优异的耐腐蚀性，Ti-30Mo合金在沸腾的5%碳酸、沸腾的5%硫酸、沸腾10%磷酸、沸腾的10%醋酸和沸腾50%甲酸中，一般最大的腐蚀率为0.0254-0.0508mm/a.而纯钛在93.3℃的10%硫酸溶液中腐蚀率达到38.1-50.8mm/a；Ti-30Mo合金在氧化性介质中耐腐蚀性较差。由于加入高密度的钼铪合金的熔炼、加工和焊接带来一定的空难。由钛钼合金又派生除出了钛钼铌、钛钼锆、钛钼钯等耐腐蚀钛合金。
TA9钛钯合金在氧化性介质中具有优良的耐腐蚀性。对还原性介质也有一定的耐腐蚀能力，尤其能改善其在高氯离子浓度介质中的抗缝隙腐蚀能力。TA9钛合金含0.2%钯，TA9钛钯合金在5%沸腾硫酸中，可以使腐蚀率从48.26mm/a（工业纯钛）降低到0.508mm/a，耐腐蚀能力提高约95倍。该合金具有良好的加工、成型和焊接性能，但含有贵金属钯，成本高。
β钛合金，这类钛合金中含有足够多的β稳定元素，在适当冷却速度下室温组织全部为β相，通常又可分为可热处理β钛合金（亚稳定β钛合金）和稳定β钛合金。可热处理β钛合金，在淬火状况下有非常好的工艺塑性，可以进行板材冷成型，并能通过时效处理获得高达1300-1400MPa的室温抗拉强度。
TA10钛钼镍合金名义成分为Ti-0.3Mo-0.8Ni，是20实际70年代中期美国研究开发的Ti-12合金，是一种抗缝隙腐蚀的钛合金，该合金在300℃的抗拉强度比纯钛高一倍，抗还原性介质的腐蚀能力明显提高，在150-200℃的氯化物中不发生缝隙腐蚀。
钛镍合金（Ti-2Ni）在高温脱盐装置中的使用温度可达到200℃左右。
钛钽合金（Ti-5Ta）是俄罗斯以4204合金牌号、日本神户制钢以KS50Ta牌号生产的抗硝酸腐蚀的α型钛合金。该合金具有良好的工艺性能和焊接性能，在100-200℃流动的硝酸中腐蚀率低于0.1mm/a。已在硝酸回收装置和核燃料后处理工序得到了应用。
3、结构钛合金
按强度分类的低强度钛合金主要用于耐蚀环境，其他钛合金用于结构件，称结构钛合金。普通强度钛合金（约500MPa），主要包括工业纯钛、Ti-2Al-1.5Mn（TC1）、和Ti-3Al-2.5V（TA18)，获得了广泛的应用。由于加工成型性能和可焊接性能好，合金用于制作各种航空板材零件和液压管等，以及自行车民用产品。中等强度钛合金（约900MPa）的典型合金是Ti-6Al-4V（TC4），广泛用于宇航钛合金工业。板材高强度钛合金是室温抗拉强度在1100MPa以上，由近β钛合金和亚稳定β钛合金组成，主要用来代替飞机结构中常用的高强度结构钢，其典型合金有了Ti-13V-11Cr-3Al、Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn和Ti-10V-2Fe-3Al合金等。
4、耐热钛合金
耐热钛合金是适合于在较高温度下长期工作的钛合金。它在整个工作温度范围内具有较高的瞬时个持久强度。室温下有较好的塑性、较好的蠕变抗力和良好的热稳定性。在室温与高温下均有好的抗疲劳性能。主要用来制造压压气机中的盘、叶片、进气机匣以及飞机构件。已得到应用的耐热钛合金固溶强化α+β型和近α型钛合金。能在500℃以下长期工作的α+β型耐热钛合金，他们都含有较多的α稳定元素，铝当量都在6以上。加入适当的β稳定元素，使合金在高温下不仅显示高的瞬时强度，而且具有足够的塑性，典型的合金有TC4（Ti-6Al-4V），TC6（Ti-6Al-2.5Mo-2Cr-0.5Fe-0.3Si）和TC11（Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si）。在500℃以下长期工作的α型耐热钛合金，它们都含有少量α稳定元素。铝当量几乎都在7以上，在平衡状态下合金有更多的α相，因此这些合金在500℃以上具有更高的蠕变抗力和更好的抗疲劳性和断裂韧度。由于近α型合金具有这些优良的综合性能，而使其成为耐热合金的主要体系。典型的合金有Ti-8Al-1Mo-1V（美国Ti-811）、Ti6Al-2Zr-1Mo-1V（俄罗斯BT20）、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（美国Ti-6242）和Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si（英国IMI-829）。
5、低温钛合金
低温钛合金是适合于低温下使用的α和α+β钛合金。该类合金随温度的降低而增加、韧性随温度的降低而很少下降，可作低温结构件。低温钛合金发展趋势是将氧含量由0.2%（普通级）降至0.12%，形成极低间隙级钛合金（ELI）。能在超低温（＜77K）下使用。典型的合金有Ti-5Al-2.5Sn（ELI）。美国上世纪60年代初研制的Ti-5Al-2.5Sn（ELI为美军标的MIL-9047)，中国上世纪70年代末仿制成功该合金，称TA7钛合金，Ti-5Al-2.5Sn（ELI）合金特别适用于在-255℃的低温下工作的液体燃料储存容器。
