钛与合金元素的相互作用

1、无机精细化工工艺学钛与合金和元素的相互作用专业类：化工类1301姓：杨玉龙学生编号。130803057教师：董西安建筑科技大学2016年10月钛与合金和元素的相互作用作者：杨玉龙学生编号。130803057文摘：先进材料钛及钛合金的应用和尖端技术的发展一直是材料领域的研究热点之一。钛、钛合金和钛化合物的优异性能促使人类迫切需要它们。随着钛冶炼技术的不断提高，钛、钛合金和钛化合物的应用得到了极大的发展。摘要：介绍了钛合金的发展、特点、铸造性能和热处理，阐述了钛与合金和元素的相互作用，分析了其优势和局限性，并展望了其发展趋势。关键词：钛及钛合金性能、铸造加工性、热处理、生产工艺、应用性能、合金化原

2、理及相互作用钛及钛合金概述1.新型结构材料钛及钛合金基本上是一种新型结构材料，广泛应用于现代尖端科技产业，如航空、航天、海洋等。主要原因是：1)比强度高；2)耐腐蚀性；3)良好的低温性能。2.新型功能材料它们有一些特殊的物理、化学和生物特征：形状记忆合金人造骨；超导材料等。3.中国钛资源丰富，储量居世界第一，这是中国发展钛工业的优势。工业纯钛一、钛的基本性质1.物理特性1)两种同素异形晶体：-钛；-钛-钛-钛2)熔化温度=16683)=7.857%=4.4g/cm3，更轻；4)导电性和导热性低，线膨胀系数低；5)它是非磁性的，在强磁场下不会被磁化，因此植入人体的钛人工骨骼不会受到雷暴的影响。2

3、.化学性质钛在室温下稳定，但在高温下非常活跃；在熔融状态下，它可以与大多数坩埚材料相互作用；在高温下，它与卤素、氧、硫、碳、氮和其他元素发生强烈反应反应，并使钛受到污染。因此，钛应该在真空或惰性气氛中熔化。3.耐蚀性1)在介质中，钛的标准电极电位很低；TiTi2 2e，E=-1.63v然而，钛的钝化电位也很低，所以钛容易钝化2)不同温度下的耐腐蚀性：常温下，由氧化物和氮化物组成的钝化膜容易在金属表面形成，在大气和多种腐蚀介质中非常稳定，具有良好的耐蚀性。在550以下，可与氧气形成致密的氧化膜，保护效果好；在800以上，氧化膜将分解，氧原子将以氧化膜为转换层进入金属晶格。这时，氧化膜已经失去了保

4、护功能。4.钛的机械和工艺性能1)纯钛的力学性能：强度低，塑性好。尽管钛具有氢碳磷结构，但与锌和镁不同，它有更多的滑移系统：Ti:而锌和镁仅在基底表面。2)钛的熔点高于铁和镍，但耐热性较差，主要是因为钛具有较大的自扩散系数和类质同象转变；3)切削性能差，导热性差，摩擦系数高。二、杂质元素对钛性能的影响1、主要杂质元素间隙元素：o，n，h，c；替代(替代)元素：铁和硅。2.影响：钛的硬度对间隙杂质元素敏感，杂质含量越多，钛的硬度越高。因此，钛的纯度可以根据其在生产中的硬度来估算：当=0% 2N % 0.67%时引入氧当量高压=65 310氧、氮和碳增加了钛的强度，降低了其塑性。主要原因是钛形成固

5、溶体后晶格畸变，阻碍了位错的运动氧、氮和碳提高了-钛/-钛的转变温度以稳定；氢元素降低了/转变温度，是稳定元素h:1)氢引起各种各样的氢2)高温塑化：先用氢作为合金元素进行塑化，然后进行扩散退火。塑化的原因是氢降低了变形的活化能，即降低了原子扩散和迁移必须克服的能量障碍。钛的合金化原理纯钛具有良好的塑性和韧性，但强度较低。加入适当的合金元素可以明显改善组织和性能，满足工程中不同性能的要求。首先，钛和其他元素之间的作用这些相互作用取决于它们的原子结构、晶体类型和原子尺寸。1.与钛形成连续固溶体的元素(合金化)这类元素(10)属于同一个族，是近邻，具有相似的性质，原子尺寸差小于8%。其中，锆、铪和

6、钛属于同一个族，具有相同的晶体结构和同素异形转变，因此它们与-钛和-钛形成连续固溶体；钒、铌、钽和钼具有体心立方结构，即它们与-钛同构，因此它们与-钛形成连续固溶体。并与-钛形成有限的固溶体。2.与钛形成有限固溶体的元素(合金化)由于原子外层的电子结构、晶体类型和原子尺寸与钛有很大不同，它只能与钛形成有限的固溶体。代位固溶体：锰、铁、钴、镍、铜、铝、镓、锡、硅Gap固溶体：b，c，o，n，h完全不溶于钛且仅形成共价键或离子键的化合物；钛生产中使用的卤素位于元素周期表的最右端：四氯化钛和四氯化钛。4.它不与钛、碱金属和碱土金属反应通过用卤素还原二氧化钛，然后与氯和钠(镁，钙)结合形成游离钛，得到

7、四氯化钛。二、钛合金的二元相图和常见合金元素的作用它可以大致分为四类：1.合金元素与-钛和-钛形成连续固溶体2.-钛无限互溶和-钛有限互溶的相图。同构元素钒和钛的相图3.3.它与-钛和-钛形成有限固溶体，相经历共析分解钛和铬(共析稳定元素)相图钛和锰(共析稳定元素)相图非活性共析元素(慢共析元素)钛与这类过渡族元素之间的共析反应非常缓慢，不能在通常的冷却速率下进行，因此它们在钛合金中的作用与上述类质同象元素相似。活性共析元素(快速共析元素)钛与铜和硅等非过渡元素之间的共析反应非常快，在一般冷却速率下无法停止。因此，在室温下很难固定这种合金的相。铁、锰和铬是最常用的共析稳定元素。它们稳定相的能力

8、比同晶钒和钼强得多，但不能在高温下长时间工作。4.合金元素与-钛和-钛形成有限的固溶体，但相是由夹杂反应形成的钛铝(稳定元素)相图三.主要合金元素和相的形成1、主要合金元素：同构元素：钒、钼、铌、钽；共晶相稳定元素：铬、锰(慢共析元素)铜(快共析元素)稳定元素：铝；中性元素：锆和锡；2.分为三类(1)相稳定元素，可提高-相变温度；为什么铝是钛合金的基本合金元素？1)铝是最有效的强化元素，起到固溶强化的作用；2)提高钛合金的比强度，因为铝的比重轻；3)有效提高低温强度和高温强度(550以下)；4)显著提高钛合金的再结晶温度；5)增加氢在钛合金中的溶解度，减少氢的危害。(2)中性元素合金元素(锡、

9、锆)能有效强化相。它们在-钛和-钛中具有较高的固溶度，但对/相变温度影响不大，因此存在中性强化元素。通常降低相转变温度的相稳定元素可分为两类：1) 相共析分解元素，如铬、锰、铁、铜、镍、钴、钨，随温度升高而降低，形成金属间化合物。的比率与铁、锰、铬、钴、镍等合金化时。共析转变速率缓慢，甚至在连续缓慢冷却后，转变可能不完全，留下一些残余相；快速冷却时，共析反应可被完全抑制，过冷相可保持至室温；这个过程也与合金含量有关。随着合金含量的增加，相可以完全过冷到室温。2)钼、钒、铌、钽等。在二元相图上，不产生相共析分解，但缓慢冷却时析出相，快速冷却时发生马氏体转变。当相在高温下淬火和冷却时，会发生马氏体

10、相变。合金元素对快速冷却过程中相的转变有影响，当合金元素含量不同时，可能会获得不同的快速冷却组织(马氏体强化效果不明显，为什么？):(1)当合金含量较低(小于c1)时，相发生完全马氏体转变，形成相(马氏体为h.c.p结构，是合金元素在相中的过饱和固溶体，非扩散产物，板状马氏体和针状马氏体)；当合金含量较高(C1M%C2)时，可能会残留一些相，形成残余结构。有时，当淬火温度较高时，会形成相(亚稳相，六方晶格):如下图所示；当合金含量达到C2M%C3时，马氏体相变被完全抑制，相变也是非扩散相变，易成核，不易长大，因此其尺寸较小！1)相由钛合金淬火形成，其尺寸很小(5-10 nm)。它的形状、大小和

11、稳定性取决于/界面的错配程度。2)相是硬脆相。相的出现大大提高了合金的硬度和弹性模量，降低了塑性。3)为防止相的形成，应控制淬火时效过程，避免低温时效；添加铝、锆、锡等。系统中，只存在剩余的相。然而，这种残余相是不稳定的，在机械外力的作用下分解成相。当合金含量C3时，应力不起作用，残余相稳定，不再分解。4.相的共析转变和等温转变1.共析转变由钛和一些共析元素组成的合金体系在一定的成分范围和温度条件下发生共析转变； TixMy共析转变速度与共析温度(合金元素)有关温度越高，共析转变越容易例如钛硅、钛铜、钛金等当温度较低时，共析转变不容易且极其缓慢例如，在共析温度(550)下保持三周的钛锰(铁、铬

12、)尚未开始转变。共析转变产物对合金的塑性和韧性非常不利，降低了合金的热稳定性，因此这些合金元素受到限制，特别是不适合添加到耐热钛合金中。2.等温转变高温相和亚稳态相均可等温分解，其分解动力学可以用C曲线表示，如下图所示。等温转变分为高温部分和低温部分。当温度保持在高温区时，相直接析出相。随着温度的降低，分解产物越细，相的分散度越大，合金的强度和硬度越高。当温度保持在低温时，由于原子扩散的困难，相不能直接沉淀相，而是先形成相变，并且随着时间的增加，相变为相。影响相变动力学曲线的主要因素是合金成分、固溶温度和应力状态；1)随着稳定元素含量的增加，C曲线向右下方移动等。2)随着稳定元素含量的增加，相

13、分解加快，C曲线左移。合金元素不仅影响碳曲线的位置，而且改变碳曲线的形状。3.用C曲线逼近合金在连续冷却过程中的组织转变过程如下图所示，不同的冷却曲线将导致不同的室温结构：1)可以通过水淬(co在时效分解的某一阶段，可以获得弥散的 相，使合金产生弥散强化。这是钛合金淬火强化的基本原理。(1)六方马氏体的分解-过渡相-TixMy(2)正交马氏体的分解根据钛合金的熔点，相可以用两种不同的方式分解方法： 相再分解3.亚稳态的分解；m -(如下图所示)m -a -a-m -(颗粒非常小，晶体结构与m相同)(如下图B所示)分解：相是稳定元素在-Ti中的过饱和固溶体，其分解与相基本相同：六、钛合金分类它可

14、以根据室温下的成分和基本结构(退火结构)进行分类：1.-钛合金显微组织为相结构：含有相稳定合金元素(如铝)和一些中性强化元素(锆、锡、铪)。当加入少量相稳定元素时，可获得接近的钛合金。显微组织中除相基体外，还有少量相，如钛-8Al-1Mo-1V。2. 钛合金它含有较多的相稳定元素和相稳定元素，具有 -相混合结构；这些相的形态和数量根据成分、热加工变形和热处理方式而变化。这种合金的强度可以达到很高的水平，如钛-6Al-4V。3.钛合金和近钛合金(1)这种合金含有大量的相稳定元素，其中大部分是铝、锆、锡等。室温下，强度可达到 钛合金的水平；但是过程性能更好。但高温强度不如；(2)近钛合金显微组织为 ，但(少量)作为强化相分布在相之间。相的形态、分布、大小和数量与热加工和热处理有关。七.钛合金的热处理为了提高钛合金的性能，除合金化外，还应进行适当的热处理；普通热处理：1)退火处理：适用于各种钛合金，是工业纯钛和型钛合金唯一的热处理方法；2)淬火和时效：可用于、化合物和亚稳态钛合金。1.热处理目的消除应激，提高可塑性，稳定组织；应力退火、再结晶退火、等温退火和真空脱氢退火。示例：1)为消除冷变形、铸造和焊接过程中产生的内应力，