钛合金介绍.docx

钛合金合金化原理 强韧化机制及其应用 前言钛发现于18世纪末，但由于化学活性高，提取困难，直到1910年金属钛才被美国科学家用钠还原法(亨特法)提炼出来。1936年卢森堡科学家克劳尔用镁还原法(克劳尔法)还原TiCl4，制得海绵钛，奠定了金属钛生产的工业基础。其技术转让到美国，1948年在美国首先开始海绵钛的工业生产。中国继美、日、前苏联之后，于1958年开始钛的生产。一 钛合金的合金化原理1 将钛的合金元素分成三类：相稳定元素，能提高相的转变温度，扩大相区，如铝和氧、氮等；中性元素，在相和相中均有较大固溶度，对 相变温度影响不大，如锡、锆等。 相稳定元素，一般是降低相的转变温度，扩大相区，它又可分两小类。产生相共析分解的元素，如Cr、Mn、Fe、Cu、Ni、Co、W等。随温度降低，相发生共析分解，析出相及金属间化合物（图c）。二元相图上不产生相共析分解，但慢冷时析出相，快冷时有马氏体相变，包括Mo、V、Nb、Ta等。稳定相的能力是MoVNbTa。2 相稳定元素含量与淬火快冷组织关系当相稳定元素含量较低时，发生马氏体相变，形成相。当含量达到C1之前，相发生完全的马氏体相变；在C1到C2区间，可以有部分相残留，得到 残余相组织。当含量达到C2时，马氏体转变完全被抑制，只有残留相（机械不稳定，在应力作用下分解）存在。当含量C3时，为机械稳定相（非热力学稳定，回火时分解）。当元素含量超过C4时才得到室温热力学稳定的相。3 气体杂质元素的分类与作用氧 稳定相元素，提高相转变温度。占据八面体间隙位置，产生点阵畸变，提高强度、降低塑性。氮与氧类似，是强稳定相元素，提高相转变温度，强烈提高强度而降低塑性。 氢稳定相，降低塑性和韧性。钛中的氢很容易引起“氢脆”。335时氢在-Ti中的溶解度为0.18%，并随温度降低而迅速下降，从钛固溶体中析出氢化钛而引起的脆性。4 钛合金的分类-钛合金 ：显微组织是相，含有相稳定元素及一些中性强化元素。主要元素是铝、锆、锡等。典型合金有Ti-8Al-1Mo-1V。 +钛合金 ：显微组织是+相，含有较多的相稳定元素和相稳定元素。 钛合金和近钛合金 ：含有大量的相稳定元素，多数还含有铝、锆、锡等。室温强度可达到+钛合金水平，但具有更佳的工艺性能，高温强度比不上+合金。近钛合金的显微组织是+相，强化相分布在相基体上。二钛合金的强韧化机制1钛合金热处理基础少数钛合金系，如Ti-Cu，可进行时效析出金属间化合物来强化。大多数钛合金只是通过热处理控制相变以得到预期的组织、性能和工艺特性。合金成分，特别是相稳定元素含量以及冷却速度，对相变有重要影响。相发生分解的TTT曲线如图所示当温度为T3时，转变终了得+；当温度为T2时，先是（介稳相），再进一步转变为。当温度为T1时，发生。连续冷却时慢冷时，；冷速增加时， 由变为；进一步增加冷速，不发生相变，得到室温介稳的相，或得到马氏体相变的产物马氏体。钛合金和近钛合金一般室温组织全是相，只是随从单相相区冷却下来的冷速不同，可得到不同金相形态及不同晶粒尺寸的相。通过热机械处理，可得到等轴相；近钛合金可通过控制冷速得到细的网篮状组织钛合金通过淬火时效可得到细晶粒+结构，一次相的比例相对较高，这样可得到很好的热疲劳性能。提高固溶温度时，得到较多大晶粒相转变产物，则断裂韧性较高。合理的热处理是综合上述两方面的优点，得到细的等轴相和转变后的相，得到好的综合性能。如Ti-6Al-4V合金采用960/1h + 700/2h空冷热处理2钛合金的强韧化(1)近和钛合金 这类合金的机械性能对热处理不敏感，因为总是相没有相变。通过冷加工和随后退火控制相形态和大小，通过固溶强化强化相。经相热加工冷却得到片状魏氏组织结构；相热加工冷却得到等轴组织；经+相热加工也得到等轴组织。魏氏组织片的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性能很好，而等轴相的低周疲劳性能和拉伸强度较高。典型合金Ti-5Al-2.5Sn，在300以下使用，可以焊接，但冷加工困难。发展方向：加入更多的稳定元素，提高蠕变性能，但制备困难，在制备和使用过程中易产生脆性。由于Al当量的限制，该合金的发展受到限制。进一步发展方向：时效硬化合金，Ti-25Cu，可冷加工和焊接，广泛用于发动机铸件和法兰盘等。(2) +钛合金 加入4-6%的稳定元素，从而使和两个相都有较多数量，而且抑制相在冷却时发生转变，只在随后的时效时析出，产生强化。可在退火态或淬火时效态使用，既可以在+相区也可以在相进行热加工，使组织和性能有较大调整余地。典型合金Ti-6Al-4V，用量占整个钛合金的一半。广泛用于压气机盘件、叶片和其他锻件。(3) 钛合金和近钛合金 钛合金的相可以残留到室温，但却是不稳定的，随后时效析出第二相强化。经热处理后其强度可优于+钛合金，同时韧性也优于+钛合金。但若控制不当，合金可产生严重脆性。控制第二相的数量、大小和分布。典型合金Ti-13V-11Cr-3Al，经固溶淬火冷成形及时效处理，可获得高强度。该合金已成功制作SR-71飞机的蒙皮。要进一步提高强度，先要解决韧性低问题。细化晶粒可以提高塑性，但不能提高断裂韧性；通过形变热处理改善断裂韧性。三 钛合金的应用钛合金较钛及其化合物的应用更为广泛。 1.1 当之无愧的空间金属 现在，钛和钛合金主要用来制造火箭、导弹的燃料和氧化剂的储存箱以及其他高压容器。另外，大量的钛被用来制造火箭，导弹的外壳，及宇宙飞船的船舱等。 你们也许知道，对于上天的火箭、导弹和宇宙飞船来说，重量实在是特别需耍精细计算的。在火箭、导弹、宇宙飞船上使用钛和钛合金代替钢材后，体重可以减轻几十到几百公斤，这样一点点的“减轻”就能很好改善它们的飞行性能。比如，远程导弹每减轻一公斤，可以增加射程七点七公里，末级火箭每减轻一公斤，可以减少三十到一百公斤的发射总重量，射程可增加十五公里以上。由于重量减轻，还能节省大量昂贵的高级燃料，降低建造和发射的费用。这样你就明白了，把钛称之为“空间金属”是当之无愧的。 1.2 神奇的抗蚀本领 你们手上都戴着手表，表壳闪闪发亮，无论多久也不会黯然失色。这是为什么呢？原来表壳是用抗蚀性很强的镍铬不锈钢做的。 钛的抗蚀本领比不锈钢强多了。在常温下，钛可以安然无恙地躺在各种强酸强碱的溶液中。就连最凶猛的酸王水，也奈何不了它。特别在对海水的耐蚀性方面，钛的能力更强，可与大名鼎鼎的白金相媲美。有人曾经把一块钛片沉到海底，五年以后取出来一看，上面粘了许多小动物和海底植物，却一点也没生锈，依旧亮闪闪的。 钛耐腐蚀，所以在化学工业上常常要用到它。过去，化学反应器中装热硝酸的部件都用的是不锈钢。不锈钢也怕那强烈的腐蚀剂热硝酸，每隔半年，这种部件都要统统换掉。部件本身倒不贵，但每次更换时所花的费用和因停工而带来的损失，要比部件的价格高许多倍。现在，用钛来制造这些，虽然成本比不锈钢贵一些，但是它可以连续不断地工作五年，计算起来反而划算得多。 大家都知道，船舰终年航行在茫茫的大海上，水下部分必须是除锈涂漆的，否则很快就会变成“破铜烂铁”。而如果用钛和钛合金来制造军舰、潜艇、船舶的部件，那就可以避免这类麻烦和损失。用钛制造的潜水艇，重量减轻了，可比不锈钢制造的潜水艇潜水的深度增加百分之八十，达到四千五百米以上。 1.3 “怪脾气”有好用 钛对液体和固体的东西都不感兴趣，王水也奈何不了它，然而，钛对气体却十分投缘，喜欢跟氮、氧、氢、二氧化碳、水蒸气、甲烷等许多气体相结合。 这个“怪脾气”可以为我们服务。 你不是已经不止一次地欣赏过节日夜晚五光十色的焰火吗？这里就有钛的一份功劳。当钛粉和氧气迅速结合而燃烧的时候，能够产生强烈的高温和光辉。焰火不但可以在节日里增强欢乐的气氛，而且可以作为军事上的信号弹，用来指示目标或传达命令。 在弧光灯中加进适量的钛的化合物，可以增加它的亮度。 利用钛对空气的强大吸收力，可以除去空气，造成真空。比如说，利用钛制成的真空泵，可以把空气抽到只剩下十万万万分之一。 在冶金工业中，加少量的钛到钢或其他金属里，“吃掉”里面的气体和杂质，能够起到很好的脱氧除氮的作用，还能消除硫的有害影响，从而改善钢和其他合金的机械性能，提高它们的抗蚀能力。 1.4 世界上最白的东西 教室的墙壁是白的，雪是白的，纸张是白的，世界上有很多东西是白的，可你们知道世界上最白的东西是什么吗？ 世界上最白的东西是二氧化钛，它是一种雪白的粉末，是最好的白色颜料，俗称钛白。以前，人们开采钛矿，主要目的便是为了获得二氧化钛。钛白有很强的粘附力，在常温下很稳定，永远是雪白雪白的，特别可贵的是钛白无毒，不会对人体造成伤害。 一克二氧化钛可以把四百五十多乎方厘米的面积涂得雪白。它比常用的白颜料锌钡白还要白五倍，因而是调制白油漆的最好颜料。世界上用作颜料的二氧化钛，一年多到几十万吨。二氧化钛可以加在纸里，使纸变白而且不透明，因此，钞票纸和美术用品纸中都要加二氧化钛。在橡胶工业上，二氧化钛还被用作为白色的橡胶的填料。 1.5 锐利的“水下眼睛” 喜欢读课外书的同学也许会知道：在海洋里，鱼类一般都是成群结队地游来游去。当渔民驾驶着渔船来到时，它们便躲到了水下，然而，渔民却对它们躲的地方清清楚楚，准确地撒下了鱼网。 那么，渔民是怎么知道鱼群躲的地方呢？ 说来也简单，渔民有一个“宝贝”，它有一双锐利的“水下眼睛”，能透过海水“看到”鱼群的位置，再把这个消息报告给渔民，它的名字叫鱼群探测仪。 为什么鱼群探测仪会有这么一双锐利的“水下眼睛”呢？ 原来，鱼群探测仪里有一种叫作钛酸钡的物质，钛酸钡的晶体有这么一个特别的脾气：当人们把它放在超声波中时，由于超声波对物体会产生一定的压力，它受到压力就会产生电流；相反，当人们给它通电时，它又可以产生超声波。 它的脾气真是怪极了。 利用钛酸钡的这个怪脾气，人们制成了鱼群探测仪。渔民先让高频电流通过钛酸钡的晶体，就产生了超声波，超声波可以在水中传播，当超声波碰到鱼群的时俟，它们中的一部分就被鱼群挡了回来，钛酸钡接收到返回的超声波后，就会产生电流。这时，记时装置会记下超声波往返的时间，乘上超声波的速度，就可以计算出鱼群与渔船之间的距离。 鱼群探测仪就是这样发现鱼群的位置的。 此外，用钛酸钡还可以做成水底探测仪，它也有锐利的“水下眼睛”，它不只能看到鱼群，而且还可以看到水底下的暗礁、冰山和敌人的潜水艇等。 4、钛发展的制约 金属钛及其化合物和合金的应用均愈来愈广泛，然而，金属钛的提炼技术目前采用的是真空炉熔炼技术、真空感应电炉熔炼技术、等离子感应炉 真空炉熔炼包括真空铸造，是生产难熔、稀有和活性金属的基本方法之一，是获得高纯度、高质量金属材料的现代技术之一，现已发展到较完善的阶段，有多种熔炼设备，如真空感应炉、真空电弧炉及电子束炉等。 真空感应电炉主要用于熔炼高温及精密合金，可铸锭也可铸造铸件，也可为真空电弧炉等提供重熔锭坯，并常用于废钛的重熔回收。真空感应炉已有成套和系列化产品。1t以上的炉子，可在不破坏真空条件下连续进行熔炼。 在采用真空技术的熔炼炉