教学材料金属材料学（第2版）-12

第一节钛及钛合金概述一、钛的基本特性钛及钛合金是一种很有前途的新型结构材料。例如，工业纯钛是制造化工设备、船舶用零部件和化工用热交换器等的优良材料。钛合金是制造大型运输机和超音速运输机叶片、火箭发动机壳体、人造卫星外壳、载人宇宙飞船船舱等重要结构材料。钛及钛合金之所以越来越引人注目，是与它具有一系列优良的物理、化学性能和力学性能分不开的。1.物理性能纯钛的相对密度为4.507，介于铝和铁之间。钛的熔点为1668℃，比铁的熔点还高。钛在固态下具有同素异构转变，在882.5℃以上为体心立方晶格的p相，在882.5℃以下为密排六方晶格的α相。α相的晶格常数c(4.6843A)与a(2.9511A)的比值小于理论值(1.633).下一页返回第一节钛及钛合金概述2.化学性能由于钛的钝化电位低，钝化能力强，在常温下金属表面极易形成由氧化物和氮化物组成的钝化膜，它在大气及许多介质中非常稳定，从而使钛及钛合金具有很好的抗蚀性。实践表明，钛不仅在大气、潮气或其他含氧酸中具有优秀的抗蚀性;而且在海水和湿氯气中均有优良抗蚀性。3.力学性能纯钛的强度不高，塑性很好，其力学性能为σb=220一260MPa,σ0.2=120~170MPa,β=50%~60%,价=70%~80%。如此优良的塑性变形能力对于密排六方结构的金属来说是罕见的，这可能与钛的e/a比值低有关。在钛中，因为e/a值低，除了在底面{0001}外，在3101川棱柱面和{1011}棱锥面上，也都会产生滑移，成为有效的滑移系统。上一页下一页返回第一节钛及钛合金概述

4.高温性能钛在550℃以下抗氧化能力好。这是因为钛在550℃以下能与氧形成致密的氧化膜，与基体结合紧密，有良好的保护作用。但当温度超过5500C，基体金属开始吸收氧化膜，基体钛便能与氧、氮、碳等气体强烈反应，造成严重污染，并使金属迅速脆化，无法使用。二、钛合金的分类及其主要合金的特征钛合金是按退火状态的组织进行分类的。其中TA表示组织为。的钛合金，TB表示组织为p的钛合金，TC表示组织为(α+β)两相的钛合金。TA,TB,TC符号后边的数字表示顺序号。钛的二元合金相图类型如图12一1所示。上一页下一页返回第一节钛及钛合金概述

(一)工业纯钛工业纯钛的含钛量一般在99.5%一99.0%范围内，其他成分有铁、碳、氮、氧和氢。工业纯钛的组织与冷却速度有关。从β相区自然冷却，由于在进行β→α。同素异构转变时，α相总是从原β相晶界向晶内以集束片状或针状的形式有规则地析出，形成魏氏α组织，如图12-2(a)所示。若在Tβ或Tβ温度以下进行塑性变形，随后再进行退火处理，则形成等轴。组织，如图12一2(b)所示。上一页下一页返回第一节钛及钛合金概述(二)钛合金1.TA7合金TA7合金的名义成分为Ti-SAl-2.SSn，加入铝和锡的目的是提高室温强度和高温强度。TA7合金(低氧)具有优良的低温性能，在一253℃下，其抗拉强度为1575MPa，条件屈服极限为1505MPa，延伸率为12.0%。TA7合金主要可用于制造航空发动机压气机叶片和管道。它还是制造火箭和宇宙飞船用特种高压低温容器的主要材料。上一页下一页返回第一节钛及钛合金概述2.TC4合金TC4合金的名义成分为Ti-6A1-4V，是一种高强度(α+β)两相钛合金。TC4合金可固溶强化。钒在β钛中有较大溶解度，可以强化β相。铝在。钛中有较大溶解度，可以有效地强化α相。由于合金中α相和β相同时得到强化，所以在退火状态下TC4合金有满意的力学性能。

TC4合金在空冷时有三种典型的显微组织。自β相区(1020℃，未变形)自然冷却，形成粗晶魏氏组织。自β相区(1020℃)形变后自然冷却，形成网状组织。自(α+β)两相区(940℃)形变后自然冷却，其组织为等轴(α+β)。TC4合金可通过热处理强化，其强化方式是采用淬火和时效。通过淬火和时效处理后，TC4合金的室温强度可达1190MPa，比退火状态提高20%~25%。上一页下一页返回第一节钛及钛合金概述TC4合金可用于制造火箭发动机外壳，航空发动机压气机盘和叶片、压力容器、化学用泵、船舶部件等。3.TB1合金TB1合金名义成分为Ti-3A1-8Mo-11Cr，是一种高强度的β型钛合金。由于TB1中含有大量p相稳定元素，使M、点降到室温以下，故自β单相区进行水冷或空冷，均能将β相全部保持到室温。β相具有良好的冷成形性。TB1合金通过淬火和时效处理后，其室温力学性能为σb=1300MPa,β=5%TB1合金多以板材和棒材供货，可用以制造飞机结构件和紧固件等。上一页返回第二节钛的合金化一、钛合金中合金元素的分类钛合金中合金元素按它们与。钛和p钛的相互作用情况，以及对同素异构转变温度的影响情况而进行分类的。可分为α相稳定元素、β相稳定元素及中性元素三类。1.α相稳定元素这类元素能提高钛的同素异构转变温度，扩大。相区并增加β相在热力学上的稳定性。这类元素在。钛中有较大的固溶度，在(α+β)双相合金中优先溶于。相，是强化。相的主要组元。它们主要是AI,Ga,B，还有住O,N。其中只有Al在配制合金的生产中得到广泛应用。Al对α固溶体的固溶强化效果最显著，每添加1%的Al，抗拉强度约增加50MPa下一页返回第二节钛的合金化

2.β相稳定元素这类元素能降低

的转变温度，扩大β相区并增加β相在热力学上的稳定性。这类元素在p钛中可无限互溶或有较大的溶解度，在(α+β)双相合金中优先溶于p相内，是强化β相的主要组元。这类合金元素种类很多，其中Mo,V,Nb,Ta,W等属于与β钛同晶型的，它们与p钛性质相似，原子半径差别较小(小于8%)，在β钛中可无限互溶。另一些β相稳定元素如Ti,Mn,Cr,Co,Ni,Cu,Si等。由于它们与β钛的原子半径差别较大，因而在β钛中仅形成有限固溶体，但在同样含量时，它们的固溶强化效果大于同晶型β相稳定元素的固溶强化效果。3.中性元素凡是在α钛和β钛中均有很大溶解度，或者都可以完全互溶，并且在实用含量的范围内，对β笃。同素异构转变温度影响不大的合金元素，称为中性元素，它们主要有Sn,Zr,Hf等。上一页下一页返回第二节钛的合金化二、钦合金化原则目前钦的合金化发展趋势是向高含量多元化的方向发展，主要是多元固溶强化，有时再配合时效弥散强化。1.α型钦合金α型钦合金的合金化原则是，主要加入元素为Al，其次为中性元素Sn和Zr，有时还加入少量p相稳定元素，如Cu,Mo,V等。2.β型钦合金β型钦合金的合金化原则是，首先保证加入多种组元及足够数量的β相稳定元素，如Mo,从Mn、Cr、Fe、Si等，以保证合金在退火状态或淬火状态下为β单相组织。另外，通常还加入一定数量的。相稳定元素Al。上一页下一页返回第二节钛的合金化3.(α+β)型钦合金(α+β)型钦合金的合金化原则是，同时加入β相稳定元素(如Mn、Fe、Cr、Pt、V、Si等)和。相稳定元素Al，有时还加入中性元素Sn和Zr。加入β相稳定元素的目的，不仅可以提高两相合金中β相的强度，而且有利于进行时效弥散强化。加入AI、Sn,Zr等合金元素，不仅可以提高两相合金中。相的强度，而且可以提高时效组织的弥散度，因而显著增强时效强化的效果。三、钦合金的热处理(一)钦合金的热处理原理钦合金的热处理强化是通过淬火和时效方式进行的。因此，首先要分析钦合金在淬火和时效时所发生的组织转变。上一页下一页返回第二节钛的合金化1.合金在淬火时的组织转变钦合金自高温淬火冷却时，视合金成分和合金种类的不同，高温β相可能发生马氏体转变，也可能发生固溶转变。(1)马氏体转变。TA类钦合金和含β相稳定元素数量少的TC类钦合金，自β相区进行淬火时，将发生马氏体转变，其转变产物有α‘和α11两种马氏体。α‘为六方晶格，呈板条状或针状;a’为斜方晶格，也呈针状。不过，由于。

Α’’所固溶的相合金元素浓度更高，故发生马氏体开始转变的温度更低，因而α‘组织更细。α‘相的强度随所固溶的合金元素的浓度升高而增加，但对于某一固定成分的合金来说，α‘相仅比退火状态的等轴α相具有稍高的强度。上一页下一页返回第二节钛的合金化α“相的硬度比α‘相的还低，故α“是一个性能比α‘相还软的相。钦合金中的马氏体为什么不像钢淬火后得到的马氏体那么硬呢?这是因为它所固溶的元素为金属元素，且以置换原子形式存在。由于置换原子对位错运动的阻碍能力小，因此仍保持着。相软而韧的性能。上一页下一页返回第二节钛的合金化(二)钦合金的热处理工艺钦合金的热处理方式有退火、淬火和时效、形变热处理、化学热处理等。下边仅介绍退火、淬火和时效的工艺。1.退火钦合金的退火是为了使组织和相成分均匀，降低硬度，提高塑性和消除压力加工、焊接或机械加工所引起的内应力。退火的形式有消除内应力退火、再结晶退火、双重退火和真空退火。消除内应力的低温退火温度选在低于该合金的再结晶温度。再结晶退火的温度高于该合金的再结晶温度，其退火保温时间取决于零件及半成品的截面。双重退火包括高温及低温两次退火处理，其目的是为了使合金组织更接近平衡状态，因此特别适用于耐热钦合金，保证在高温及长期应力作用下组织及性能的稳定。上一页下一页返回第二节钛的合金化真空退火是防止氧化及污染的有效措施，也是消除钦合金中氢脆的主要手段之一。

2.淬火和时效(1)淬火加热温度。对于(α+β)型钦合金来说，淬火温度一般选在(α+β)两相区的上部范围，而不是加热到β单相区。因为这类钦合金的临界温度均较高，若加热到β单相区，势必晶粒粗大，引起韧性降低。对于β型钦合金来说，由于含有大量β相稳定元素，降低了临界温度，淬火温度应选在临界温度附近，既可以选择在(α+β)两相区的上部范围，也可选择在β单相区的低温范围。上一页下一页返回第二节钛的合金化(2)时效制度。时效过程进行的情况主要取决于时效温度和时效时间。时效温度的选取，一般应避开。相脆化区，通常在425℃~550℃范围