热处理原理与工艺钛合金及其热处理.ppt

钛合金及其热处理,钛的结构及其应用,（1）钛的结构：882.5C以下温度具有密排六方结构（-Ti），882.5C以上具有体心立方结构（-Ti）。（2）性能特点：密度（4.5）小，熔点高，具有非磁性，线膨胀系数小，比强度高，耐腐蚀性能好。（3）应用：航空工业、航天、船舶、化工工业、医疗上作为生物材料（低弹性模量、良好的生物相容性）。（4）纯钛主要使用镁还原TiCl4制备。,Ti,舰船潜艇深潜器海上石油,飞机火箭卫星飞船,一般工业(化工汽车建筑),医疗器械体育生活用品,钛的合金化,钛有-Ti（密排六方）和-Ti（体心立方）两种晶体结构。钛合金化的主要目的就是利用合金元素对-Ti和-Ti的稳定作用，改变相和相的组成，从而控制钛合金的性能。钛合金中的合金元素分为三类：稳定元素，Al、O、N、C、B等。相稳定元素，Mo、V、Nb（与Ti同晶型，形成无限固溶体），Cu、Mn、Cr、Fe、Ni、Co、H（与Ti形成有限固溶体）。中性元素，Sn、Zr等。,相钛合金,钛合金的主要合金元素是Al，主要起固溶强化作用。在500C以下能明显提高合金的耐热性。钛合金不能通过热处理强化，通常在退火或轧制状态下使用。我国钛合金的牌号以“TA_”表示。主要性能特点：高温性能好，组织稳定，焊接性和热稳定性好，是发展高温钛合金的基础。,+钛合金,（+）钛合金是同时加入相稳定元素和相稳定元素，使和都得到强化。（+）钛合金的性能特点是常温强度、耐热强度及加工塑性比较好，并可进行热处理强化。焊接性能不及钛合金。但这类合金生产工艺比较简单，力学性能可以通过改变成分和选择热处理制度在很宽的范围内变化，这类合金在航空工业中用途广泛。以“TC_”表示。,钛合金,钛合金含有大量的相稳定元素，在水冷或空冷的条件下可将相全部保留到室温。相系体心立方结构，具有优良的冷成形性。经时效处理，从相中析出弥散相,合金强度显著提高。钛合金是一种高强度钛合金。缺点：密度大，弹性模量低、热稳定性差、工作温度低，冶炼工艺复杂。以“TB_”表示。,钛与合金元素的相互作用,钛及钛合金的同素异构转变（密排六方）（体心立方）,882.5,（1）周期表上只有锆和铪具有与钛相同的外层电子结构和晶格类型，原子半径也相近，故与钛和钛均能无限互溶，形成连续固溶体。（2）在元素周期表上靠近钛的元素，如钒、钼、铌、钽等与钛具有相同的晶格类型，能与钛无限互溶，在钛中则有限溶解。（3）元素周期表上离钛越远的元素，其外层电子结构及原子半径与钛相差越大，在钛中的溶解度则越小，并且容易形成化合物。,钛的合金化典型相图,二元钛合金相图的主要类型,(a)Zr,Hf,(b)Mo,V,Ta,Nb,(c)Fe,Co,Ni,Cr,Mn,Cu,Si,(d)Al,Ga,Sn,N,C,O,元素与-Ti或-Ti均无限互溶的相图,Ti-Zr二元相图,Zr在-Ti或-Ti中的溶解能力相同，是无限固溶的，对相或相的稳定性影响不大，对/相转变温度的影响较小，故称为中性元素。,Zr的添加对组织和性能的影响,（1）锆的加入可强化相，加人量小于65.6%时起降低(+)相转变温度的作用，但在含量（质量分数）低于10%时，对相变点影响很小。（2）含量大于10%时，每增加1%的含量，使(+)转变点降低4-10。（3）锆可降低钛的Ms点（马氏体开始转变温度）。（4）锆可以通过稳定相的作用，减少时效相的体积百分数。（5）锆在钛和和钛中均有较大的固溶度，它使钛的室温抗拉强度升高，塑性下降，还能提高钛的高温拉伸性能。,元素与-Ti无限互溶，与-Ti有限溶解的相图,钼与钛具有相同的晶格类型，在钛中无限固溶。600钼在钛中的固溶度为0.8%（质量分数）。在695时为0.4%（摩尔分数），当钼含量超过12%（摩尔分数）时，形成单一的固溶体。钛一钼二元系在固态仅有=多晶型转变。钼在钛中的固溶度随温度的降低而增加，合金中没有过饱和相分解问题。,Ti-Mo二元相图,钒与钛具有同一晶格类型，在中是无限固溶的。600时钒在钛中的固溶度为3.5%（质量分数）。在675时，当钒含量超过18%（摩尔分数）时形成单一的固溶体。在液-固相转变中，1605处出现一个最低点。钛一钒二元系在固态仅有=多晶型转变。钒在钛中的固溶度也随温度的下降而增加，合金中没有过饱和相及其分解问题。,Ti-Nb二元相图,铌在钛中的固溶度也随温度的下降而增加，合金中也没有过饱和相及其分解问题。,Mo、V、Ta、Nb对组织和性能的影响,（1）同晶型稳定元素都不同程度地降低钛的(+)相变点，并按钽、铌、钼、钒的顺序递增。（2）随着同晶型稳定元素的逐渐增加，可使钛的Ms点降低到室温，当合金由区快速冷却到室温时，可将高温相保留到室温。此时合金元素稳定相的能力按钽、铌、钒、钼的顺序递增。（3）同晶型稳定合金元素更多地溶解于钛中，使钛晶格参数减小。（4）同晶型稳定合金元素均能使纯钛的室温抗拉强度提高，同时降低塑性指标。,元素与-Ti、-Ti均有有限溶解且具有共析反应的相图,在共析型稳定元素中最常用的是Fe、Mn和Cr，它们稳定相的能力比同晶型V、Mo强得多，但不宜在高温下长期工作的合金中使用，因为析出的化合物会导致合金变脆。,Ti-Fe二元相图,Ti-Mn二元相图,Ti-Cr二元相图,元素对热处理及组织和性能影响,（1）共析型稳定元素都不同程度地降低钛的(+)相点，并按硅、铜、铬、锰、铁的顺序递增。（2）它们都能降低钛的马氏体转变开始温度。随着共析型稳定元素的逐渐增加，可使钛的Ms点降低到室温，当合金由区快速冷却到室温时，可将高温相保留到室温。此时合金元素的含量为临界含量，合金元素稳定相的能力按钨、铜、镍、钴、铬、锰、铁的顺序递增。（3）除钴外，锰、铁均提高钛的再结晶温度。随着共析型稳定元素的增加，当合金从区快速冷却时将会出现不同的组织变化。（4）共析型稳定合金元素更多地溶解于钛中，并使钛晶格参数减少。共析型稳定合金元素均能使纯钛的室温抗拉强度提高，同时降低塑性指标。,元素与-Ti、-Ti均有有限溶解且具有包析反应的相图,（1）在周期表中离钛更远一些的金属和非金属元素如铝、镓、锡、碳、氧等元素与钛形成这类相图。（2）这些元素的电子结构、化等学性质等与钛的差别很大，除锡对(+)相变温度影响不大，可划为中性元素外，其他元素都使该相变温度提高，起稳定相的作用，称稳定元素。,Ti-Al二元相图,+2=,+=2,L+=,L+=TiA13,L+TiA13=Al,Al-Ga二元相图,+2(Ti3Ga)=,+Ti2Ga=2(Ti3Ga),Al、Ga对组织和性能的影响,（1）铝和镓都可提高钛的(+)相变点。10%的铝可将相变点提高到1080左右；镓的能力要弱一些。（2）铝提高钛的开始再结晶温度，对钛合金马氏体转变开始点(Ms)影响不大。过量的铝和镓会在使用温度下生成以Ti3M为基的2有序相。（3）存在于亚稳定相中的铝，可促进相向相变，从而减少合金中时效相的体积分数。（4）铝和镓都能提高钛的室温及高温抗拉强度，对高温塑性影响不大。（5)在钛铝合金中出现以Ti3AI为基的2有序相时，合金的抗拉强度升高，塑性和韧性变坏。这个有序相往往在高温钛合金于高温长时间使用时出现，使合金的热稳定性变差。Ti3Ga有序相的作用与Ti3AI有序相类似。,间隙元素在钛及钛合金中的作用,钛和钛合金中的间隙元素主要有氧、氮、碳、硼、氢和硅等，它们对钛及钛合金都有不良的影响。,氢在钛及钛合金中的作用,（1）氢降低钛的(+)相变点，是一种间隙型稳定元素。（2）氢对钛及钛合金性能的影响主要表现为氢脆。（3）钛及钛合金中氢含量小于0.020%（质量分数）时，可防止发生氢化物型氢脆。但是，应力感生氢化物型氢脆和可逆氢脆在钛及钛合金中是很难避免的。（4）要减少钛及钛合金的氢脆，主要措施是减少氢含量。（5）严格控制原材料，采用真空熔炼，在热加工及热处理过程中严格控制加热气体气氛及采取相应的保护措施，可以控制钛及钛合金的氢含量。,氧、氮、碳、硼在钛及钛合金中的作用,（1）氮、氧、碳、硼都可提高钛的(+)相变点。（2）氮、氧、碳、硼均可提高钛的开始再结晶温度。（3）对于低温钛合金，由于氮、氧和碳能提高钛合金的塑-脆转变温度，应尽量降低它们的含量，特别是氧含量。（4）硼作为合金元素，不仅可以提高合金的弹性模膜量，而且可以以细化晶粒，一般在钛合金中以微量使用。,相在快冷过程中的相变马氏体相变,临界淬火温度,室温,在此温度以上淬火可得到马氏体，在此温度以下淬火不形成马氏体。,Mf,Tp,P,P,(1)当快速冷却时，原始相的成分未发生变化，相的晶格由体心立方晶格转变为密排六方晶格。这种具有六方结构的过饱和固溶体称为六方马氏体，一般以来表示。(2)马氏体与原相之间存在着严格的位相关系：0001110，(3)若稳定元素含量较大，则相的晶格转变时阻力较大，转变为斜方晶格。这种具有斜方晶格的马氏体称为斜方马氏体，一般以来表示。,“Acicular”martensiteinTi-6Al-4Vquenchedfromthephasefield:(a)LM(b)TEM,钛合金中马氏体转变的特点,（1）有开始转变和终止转变温度，马氏体相变开始温度Ms与相变终了温度Mf；（2）六方马氏体有两种组织形态，合金元素含量少时，Ms点高，形成块状，在电子显微镜下呈板条状。合金元素含量较高时，Ms点降低，形成针状马氏体组织。（3）板条状马氏体内有密集的位错，基本上没有孪晶；针状马氏体内侧有大量的细孪晶。斜方马氏体则由于合金含量更高，形成温度(Ms)更低，因而马氏体针状更细，在电子显微镜下可以看到密集的孪晶结构。（4）钛合金的马氏体不像钢的马氏体那样强烈地提高合金的强度和硬度。当合金中出现斜方马氏体时，强度、硬度，特别是屈服强度甚至显著下降。,钛合金中马氏体强度不高的原因,（1）是置换式的过饱和固溶体（钢中马氏体是碳的间隙式过饱和固溶体）；（2）斜方马氏体软化的原因尚需研究。,相变,（1）成分在临界浓度附近的合金，自高温淬火后，强度、硬度大幅度增加。（2）合金中形成了一种新相相，这种新相总与相共生，并与之有共格关系。（3）像其他共格相一样，其尺寸很小，高弥散度、密集，体积分数可达80%以上。（4）相具有六方晶格，其单晶胞如与相的位向关系为：0001/111，(110)/(10),相形成条件,（1）相可在淬火时形成，称为淬火相。（2）对于含稳定元素较多的合金，淬火时虽不能形成相，但淬火得到的亚稳定相在500以下时效时也可转变为相。在时效过程中，亚稳定相内部发生溶质原子的偏聚，使许多微观区域内溶质原子富集，相邻的区域则贫化。在继续加热时，贫化区即转变为相，称为时效相。（3）将时效相加热到较高的温度，相即消失。因此认为，相是相与相之间的一种过渡相。,相的形态,相的形态决定于合金元素的原子半径与钛原子半径的差别。（1）当原子半径较接近时，相与相晶格吻合程度较好，由共格引起的应变能较低，对相形态起主要作用的是界面能，相呈椭圆形。（2）当原子半径相差较大时，应变能起主要作用，相呈立方形。,DarkfieldmicrographofellipsoidalprecipitatesinTi-16Moaged48hat450C,TEM,DarkfieldmicrographofcuboidalprecipitatesinTi-8Feaged4hat400C,TEM,相对力学性能的影响,（1）时效相硬而脆（HB约为500，=0），位错不能在其中移动。合金中出现时效相时，其强度、硬度、弹性模量都显著提高，但塑性急剧降低。（2）当相体积分数达到80%以上时，合金无宏观塑性。相的体积分数50%左右时，则合金仍具有较好的强度与塑性的匹配，但也很难满足使用要求的综合性能。（3）为了保证工业钛合金的综合性能，一般工业钛合金组织要求中不出现硬而脆的时效相。,相在慢冷过程中的相变,钛与稳定元素组成的合金系中，位于两相区的合金自相缓慢冷却时，相及相的成分分别沿各自的溶解度曲线变化。相的析出过程是一个形核和长大的过程，形核位置、晶核数量、长大速率与合金的成分及冷却条件有关。当冷却速度很慢时，由于产生的过冷度很小，晶核只能在晶界上形成，并在晶界区长大为晶界。而后，许多在晶界区的晶核从晶界向晶内生长，形成位向相同、相互平行的长条状组织，一般称为平直组织。,相在快冷过程中的相变马氏体相变,临界淬火温度,室温,在此温度以上淬火可得到马氏体，在此温度以下淬火不形成马氏体。,Lamellar+microstructureinTi-6Al-4Vslowlycooledfromthephasefield:(a)LM(b)TEM,和之间的位向关系,（1）丛的大小受许多因素的影响。一般说来，加热温度越高，保温时间越长，稳定元素含量越多，相变点越低，冷却越慢及在相区的变形加工量越小，则丛将越大。（2）当加热温度较低或冷却速度较快时，形核位置及晶核数量增多，故每个丛中相互平行的条数变少、变宽，而且互相交错。有如宽针状，称为“网篮”状组织。,钛合金的“网篮”状组织（basketweaves）,亚稳相在加热时的分解,（1）钛合金淬火形成的亚稳定相、及过冷相，在热力上是不稳定的，加热时要发生分解。（2）分解过程比较复杂，但最终分解产物均为平衡状态的+。（3）若合金有共析反应，则最终产物为a+TixMy，分解过程的一定阶段可以获得弥散的+相，使合金弥散强化。,Ti-Fe二元相图,Ti-Mn二元相图,Ti-Cr二元相图,马氏体的分解过程,马氏体在分解为最终的平衡状态分解产物+（-Ti同晶系合金）或+TiMy（-Ti共析型合金）以前，要经过一系列复杂的间过渡阶段。X射线结构分析发现，在不同成分及状态的合金中斜方马氏体的分解有四种类型的中间过渡阶段。,(1)开始是从中析出（非平衡成分），因而所含稳定元素贫化，转变为，再转变为，亚+贫亚+(2)开始是从中析出，因而所含稳定元素富化，转变为（非平衡成分），即：+富亚+,亚稳定相的分解过程,在加热温度较低时，合金元素发生偏聚，相分离为无数溶质原子贫化的微观区域及相邻的溶质原子富集的微观区域。进一步提高温度或延时效时间，则视相化学成分的不同，从贫化区析出或，并分为平衡的相及相，即：富+贫（相分离反应）,钛合金的热处理,（1）仅含单一相稳定元素或中性元素的钛合金不能热处理强化。（2）相合金可以进行热处理强化。含相稳定的钛合金自高温快速冷却（淬火），随着合金成分和热处理条件不同，相可以得到马氏体（）、或过冷等不同的亚稳相，从而改变合金的力学性能。,退火,钛材的退火包括去应力退火、完全退火，以及双重退火和等温退火、真空退火等工艺方法。退火原理是基于回复和再结晶等金属内部微观结构变化过程。,（1）回复,加热过程中，畸变能释放完，钛晶格内的点缺陷和位错消失，过程停止，此时晶粒形状和大小回复到加工前的状态，该过程定义为回复。经过回复后，微观结构有明显的变化，仍保持原有的晶粒状态，但消除了钛基体内的内应力。钛发生回复的温度一般在500650。,（2）再结晶,（1）冷变形加工后钛材经过加热到一定温度时，在原来变形的组织中产生无畸变的新晶粒，性能发生明显变化，而恢复到软化态，这一过程称为再结晶。（2）一般希望再结晶后获得晶粒细小而均匀的结构。这种钛材塑性性能好，完全软化。此时晶格类型没有变化，但力学性能发生了变化。,影响晶粒大小的因素,（1）钛的成分一般情况下，钛及钛合金中所含合金成分和杂质含量越高，越容易获得再结晶细小品粒。因为钛中合金元素或杂质会阻碍钛晶粒物质的晶界迁移，这有利于获得细小粒子，反之亦然。,（2）钛材的变形程度变形程度越大，表明钛组织内积蓄畸变能越大，越利于钛组织释放能量；同时钛晶粒形核时需要吸收能量。当变形程度大的钛组织释放出能供给形核所需能量时，利于成核，且增加成核数量，也利于再结晶粒度变小。,（3）加热的温度和保温时间一般来说，加热温度和保温时间越长，越有利于晶粒的生成，容易获得钛材粗晶粒组织。,退火工艺的种类,1.去应力退火（1）去应力退火又称不完全退火。它的目的是消除在冷变形加工、冷成形和焊接等工艺中产生的内应力。（2）退火温度不宜过高，一般在再结晶温度以下50200，约为450650。（3）当进行不完全退火时，钛释放出畸变，消除了内应力。此时，钛内部组织一般情况下发生回复，钛晶粒形状和大小回复到原有状态，“加工硬化”消失，变成软化态，使变形的亚稳定态回到稳定态。（4）对于型钛合金用不完全退火处理时，有时会产生时效效应或对时效造成孕育效果，此时可采用固溶处理来消除应力。（5）消除应力退火的冷却方式一般采用空冷，有时也可采用炉冷。,2.完全退火钛及钛合金的完全退火使其组织内发生了再结晶。完全退火后，钛及钛合金内部组织和性能均匀，完全软化，并具有合适的塑性和韧性，获得再结晶组织，故它又称为再结晶退火。一般它的退火温度选择高于再结晶开始温度100200。,型钛合金的完全退火,型合金两相区很小，完全退火过程主要发生再结晶。退火温度选择在(+)/相变点以下120-200。温度过高会引起不必要的氧化和晶粒长大；温度过低再结晶不完全。冷却速度对其组织和性能影响不大，一般采用空冷。,近型和+型钛合金的完全退火,近型和+型合金在完全退火的过程中除发生再结晶外，还有相和相在组成、数量和形态上的变化。为此，主要要求达到稳定和塑性好的组织。退火温度一般选择在(+)/相变点以下120200，冷却方式采用空冷。,亚稳定型钛合金的完全退火,亚稳定型合金完全退火就是固溶处理。退火温度一般选择在(+)/