2012材料大课堂-钛合金.ppt

1、,材料科学前沿 钛及钛合金 Titanium and Titanium Alloy,内容提要,四、钛合金的发展与应用,三、钛合金物理冶金基础,二、纯钛,一、 简介,一 、 简介,1791年，英国牧师格累高尔发现了一种新元素。1795年，法国化学家克拉普罗特以日耳曼神话中女神坦的名字为它命名“Titanium”，译成中文就是“钛”。从此，钛便进入了科学家的实验室。,“钛”的由来,简 介,钛是一种新金属，由于它具有一系列优异特性，被广泛用于航空、航天、化工、石油、冶金、轻工、电力、海水淡化、舰艇和日常生活器具等工业生产中，它被誉为现代金属。,简 介,金属钛生产从1948年至今才有半个世纪的历史，它

2、是伴随着航空和航天工业而发展起来的新兴工业。它的发展经受了数次大起大落，这是因为钛与飞机制造业有关的缘故。 但总的说来，钛发展的速度是很快的，它超过了任何一种其他有色金属的发展速度。这从全世界海绵钛工业发展情况可以看出：海绵钛生产规模60年代为60kt/a，70年代为1l0kt/a，80年代为130kt/a，到1992年已达140kt/a。,二、纯钛,纯 钛,Ti： : 4.507 g/cm3 Tm：1688 具有同素异构转变: 882.5为密排六方结构的相 882.5体心立方结构的相 钛在氮气中加热可发生燃烧，因此钛在加热和焊接时应采用氩气保护。,密度小,比强度高(比强度高的特性仍可保持到5

3、50600 。与高强合金相比，相同强度水平可降低重量40以上) 弹性模量低（120GPa），约为铁的54。 导热系数小(比铁低4.5倍) 抗拉强度与其屈服强度接近 无磁性、无毒 抗阻尼性能强 耐热性能好 耐低温性能好(在液氮温度下仍有良好的机械性能，强度高而仍保持良好的塑性及韧性) 耐腐蚀性能(钝化层（TiO2）,纳米尺度，室温下长大极慢) 吸气性能（储气、干燥）,钛的十大性能,特点： 是很活泼的元素。 有很好的钝化性能，钝化膜很稳定，在许多环境中表现出很好的耐蚀性。有“耐海水腐蚀之王”之称。 高温下，钛的化学活性很高，能与卤素、氧、氮、碳、硫等元素发生剧烈反应。 钛一般不发生孔蚀；除在几种个

4、别介质（如发烟硝酸、甲醇溶液）中，也不发生晶间腐蚀；钛的应力腐蚀破裂敏感性小，具有抗腐蚀疲劳的性能，耐缝隙腐蚀性能良好。,纯钛特点,纯钛：一种银白色的金属,纯钛（分类用途）,根据杂质含量，钛分为高纯钛（纯度达99.9%）和工业纯钛（纯度达99.5%）。 工业纯钛有三个牌号，分别用TA顺序号数字1、2、3表示，数字越大，纯度越低。 杂质含量对钛的性能影响很大，少量杂质可显著提高钛的强度，故工业纯钛强度较高，接近高强铝合金的水平，主要用于制造350以下温度工作的石油化工用热交换器、反应器、船舰零件、飞机蒙皮等。,三、钛合金的物理冶金基础,钛合金的物理冶金基础,钛合金二元相图 钛合金分类 主要合金元

5、素与相的形成 气体杂质元素的作用 钛合金热处理基础 钛合金的强韧化基础,主要内容：,钛合金二元相图,以钛为基的二元合金相图大致可分为四类，见图ad,钛合金二元相图,(a)合金元素与Ti和Ti形成连续固溶体，锆和铪等元素的性质与钛极相近，原子半径差别也不大，可以形成连续固溶体。,钛合金二元相图,(b)合金元素与Ti形成连续固溶体，而与Ti只形成有限固溶体，这类元素扩大相区，缩小相区，降低相区相区的相变温度，称为相区稳定元素。钛中近邻，如钒、铌、钽、铼、钼属于这一类，它们是bcc结构，原子尺寸也相差不大。,钛合金二元相图,(c)此类合金元素Ti和Ti都形成有限固溶体，相区会发生共析分解，这类元素有

6、铬、钴、锰、钨、铁、镍、铜、银、金、钯、铂等。它们使相转变温度下降，所以也属于稳定相元素。,钛合金二元相图,(d)合金元素与Ti和Ti都形成有限固溶体，但相由包析反应生成，使相转变温度升高，因而是相稳定元素。主要元素有铝、硼、氧、氮、碳、钪、稼、镧、铈、钆、钕、锗等。,钛合金的分类,钛合金按退火状态下的相组成，分为 型钛合金、以TA后加顺序号表示其牌号 型钛合金，以TB后加顺序号表示其牌号 和+型钛合金，以TC后加顺序号表示其牌号。,+型钛合金的退火组织为+，以TC加顺序号表示其合金的牌号。 合金同时含有相稳定元素和相稳定元素。组织以相为主，相的数量通常不超过30%。 合金可通过淬火及时效进行

7、强化，多在退火状态下使用。+型钛合金的室温强度和塑性高于型钛合金，生产工艺比较简单，通过改变成分和选择热处理制度又能在很宽的范围内改变合金的性能，应用比较广泛，尤以TC4用途最广，用量最多。,钛合金的分类,型钛合金主要加入元素是Al，其次是中性元素Sn和Zr，起固溶强化作用。 在退火状态下的室温组织是单相固溶体。 型钛合金的牌号与工业纯钛相同，均划入TA系列。 型钛合金不能进行热处理强化，热处理对于它们只是为了消除应力或消除加工硬化。,型钛合金: 合金加入了大量的多组元相稳定元素，同时还加入相稳定元素Al。应用的型钛合金主要为亚稳定的钛合金，退火状态为+两相组织，将其加热到单相区后淬火，因相来

8、不及析出而得到的过饱和的相，称为亚稳相。 该类合金塑性好，易于冷加工成形，成形后可通过时效处理，使强度提高； 该类合金的淬透性高； 化学成分偏析严重，这种类型的合金只有两个牌号，实际获得应用的仅有TB2一种。,钛合金的分类,钛的主要合金元素,现有钛合金中的主要合金元素有钒、铌、钼、铬、锰、镍、铜、锡及钽等，可分为三类： 第一类是相稳定元素，提高转变温度。铝是最常见、最有效的强化元素，有效提高低温和高温（550 以下）的强度，同时铝的密度小，因此铝是钛合金中的一个基本合金元素。 第二类是合金元素锡、锆等，能有效强化相，它们在Ti和Ti都有大的固溶度，但对相变温度影响较小，故有中性强化元素之称。它

9、们的强化作用也可保持到较高的温度。 第三类是相稳定元素，一般是降低转变温度，见下页。,第三类是相稳定元素，一般是降低转变温度。它可以分为两小类： （1）产生相共析分解的元素，如铬、钴、锰、钨、铁、镍、铜、银、金、钯、铂等。随温度降低， 相会发生共析分解，析出相及金属间化合物相。铜、硅等合金化时，共析转变快，析出TiCu2，Ti5Si3。而铁、锰、铬、钴、镍等合金化时则速率较慢，即使连续缓慢冷却，也可能转变不完全，保留一些残余的相。当快速冷却时，共析反应可以被完全抑制，过冷相可保留到室温，而不产生相变。 （2）不产生相共析分解的元素，如钒、铌、钽、铼、钼属于这一类，慢冷时析出相，快冷时有马氏体相

10、变。随着合金元素含量达到临界值，快冷使相成为室温稳定相。 相稳定能力按钼钒铌钽次序变小。,当含量较低时， C1之前， 相发生马氏体相变，形成相。在成分C1和C2之间，得到+ 残余相组织。当成分达到C2时，马氏体转变完全被抑制，只有残留相存在，在应力下分解，形成相。当含量大于C3时，残余相保持稳定，不再分解。实际上，此相并非热力学稳定，回火时就会分解成弥散的质点，只有当元素含量超过C4时，才得到室温热力学稳定的相。,高温相淬火快速冷却时的相变,合金元素含量不同，可能获得不同的快冷组织。当含量较低时，相发生马氏体相变，形成相。,气体杂质元素的作用,Ti是hcp结构，它的0001面不是唯一的滑移面，

11、其他如 晶面也可参与滑移，因此，纯钛的塑性好，优于镁和锌等。但钛的机械性能与其气体、杂质（包括氧、氮、氢、铁及硅）含量有密切关系。 氧：稳定相元素，在相中的溶解度w(O)高达14.5%，占据八面体间隙位置，产生点阵畸变，起强化作用，不利塑性。因此，利用含氧量的不同可以得到几种不同强度及加工性能组合的商业用纯钛。一般含氧量均较高， w(O)达0.10.2%。 氮：是强稳定相元素，溶解度达6.57.4%(质量)，也是存在于间隙位置，形成间隙固溶体。它强烈提高强度而降低塑性，当w(N)0.2%时可发生脆性断裂。所以含氮量不能太高，但实际合金的w(N)也有0.030.06%的水平。,气体杂质元素的作用

12、,氢：稳定相元素。 在335下，氢在-Ti的溶解度为0.18%，并随温度降低而迅速下降。故相钛合金很容易发生氢脆，脆化原因是生成TiH2氢化物，一般纯-Ti的冲击韧性K180J/cm2，当w(H)=0.015%时， K降至30J/cm2。因此，具有及组织的钛合金要求含氢量低，一般采用真空冶炼，使含氢量较低。,碳：稳定相元素，碳小于0.1，间隙固溶体，大于0.1时析出碳化物。,钛合金热处理基础,少数钛合金系，如Ti-Cu系，可以进行时效析出金属间化合物（如Ti2Cu）强化。大多数钛合金只是通过热处理控制相变，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。,钛合金热处理基础,自高温

13、相稳定区冷却下来， 相发生分解。 当转变温度T3时，转变终了得+相。 当转变温度T2时，先是+，此时为介稳定相，再进一步转变为+ +。 当转变温度为T1时，发生+相变。 三种情况下相应的硬度变化见图。相均匀细小，析出明显强化合金，但一般同时引起严重脆性。因此，相沉淀硬化是难以接受的。 再增加冷速，可以不发生相变得到室温介稳的相，或者得到马氏体相变，得到马氏体相（当稳定剂小于临界浓度时）；在随后的时效时，马氏体又可以分解析出细小相。,钛合金的强韧化基础,钛合金的机械性能与其显微组织密切相关，通过热处理和热机械处理，可以得到需要的组织和性能。 下面分近和钛合金、钛合金和钛合金三类合金讨论,钛合金的

14、强韧化基础,1.近和钛合金 这类合金的力学性能对一般的热处理不敏感，因为总是相没有相变。通过冷加工和随后退火控制相的晶粒大小，通过固溶强化可以强化合金。热加工制度分为、+和相区热加工三种。经热加工冷却后得到片状魏氏组织结构，热加工可以得到等轴结构，对于近钛合金经+热加工后也可得到等轴结构。 魏氏组织片结构的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性都很好，而等轴相结构的低周疲劳性能和拉伸强度较高。,魏氏组织片结构的断裂韧性与屈服强度的关系,间隙元素的硬化能力比稳定元素大，源于形成强的局部定向电子结合键。,稳定元素和间隙元素的固溶强化,稳定元素的钛固溶强化作用,多元合金强化更有效，固溶强化低温有效，高温时需沉淀

15、析出强化。,钛合金的强韧化基础+钛合金,2. +钛合金 Ti-6Al-4V是应用最广泛的+钛合金，其强度特性可通过控制、二相的相对含量及金相形态而变化。退火态合金拉伸强度约900MPa，而固溶时效态可以获得1200MPa。一般说来通过组织细化和相变控制，可以获得高强度。首先经+两相区热加工后控制固溶处理，得到细而均匀分布的一次相，再时效得到在前相区析出细的二次相质点。细的等轴结构还具有较高的塑性、疲劳裂纹形成阻力和高温低周疲劳强度。 当合金在相区处理时，则控制冷却可得到魏氏组织片状相和网篮状组织。在相同强度条件下，这种组织具有比等轴结构高的断裂韧性、疲劳裂纹扩展阻力和蠕变强度。,钛合金的强韧化

16、基础钛合金和近钛合金,钛合金的相可以残留到室温，但却是不稳定的相，随后时效析出第二相强化。这类合金主要是时效强化，在制备过程中可以有很好的工艺和成型性能，以后经热处理又可以得到很高的强度，其强度和韧性均可优于+钛合金。但是如果处理不当，合金可产生严重脆性。 0.2=850+70d-1(MPa) 要求析出相质点细小均匀析出。细化晶粒可以推迟晶界相优先析出。低温时效可以促进均匀析出和控制长大，二次时效处理也可得到更加均匀的。最有效的方法是控制位错结构，以促进质点在位错处均匀析出。有三类不同方法可得到合适的位错结构，促进均匀细小析出：一是固溶前冷加工；二是冷加工恢复处理；三是温加工（易得到合适的位错

17、结构）。,高塑性：细晶粒，适当大小的沉淀强化 低塑性：粗大的晶粒，相析出,当晶粒大到一个临界值时，开始发生沿晶断裂而塑性下降，再增大到另一个临界值时塑性值降到零。,特点：钛合金的机械性能与耐蚀性都比纯钛有明显提高。 工业上使用的都是钛合金。 钛合金的主要腐蚀形态是氢脆和应力腐蚀破裂。,钛合金特点及牌号,钛合金,在纯钛中加入Al、Mo、Cr、Sn、Mn、V等合金元素形成钛合金，按退火组织可分为： 型 型 （）型钛合金 分别用TA、TB、TC加顺序号表示。工业纯钛的室温组织为相，因此牌号划入型钛合金的TA序列。,显微组织是相组织，含有相稳定元素及中性强化元素。纯钛是一个典型的-钛合金， -钛合金中

18、的主要元素是铝、锆、锡等。 当加入少量相稳定元素时，可以得到近-钛合金，显微组织上除相基体外，还有少量相。 典型的钛合金有Ti-8Al-1Mo-1V、IMI685（Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.25Si）,型钛合金组织特点,型钛合金,性能：室温强度低，高温强度高；具有良好的抗氧化性、焊接性和耐蚀性，不可热处理强化，退火态使用。 牌号：TA4、TA5、TA6、TA7、TA8等，常用的有TA5、TA7等，以TA7最常用。TA7还具有优良的低温性能。 用途：用于制造500以下温度工作的火箭、飞船的低温高压容器，航空发动机压气机叶片和管道、导弹燃料缸等。TA5主要用于制造船舰零件。,-钛合金和

19、近钛合金： 这类合金含有大量的相稳定元素，多数还含有铝、锆、锡等元素。 -钛合金的室温强度可达到+钛合金水平，但具有最佳的工艺性能，不过其高温强度比不上+合金。 近钛合金的显微组织也是由+钛合金两相组成。 典型的-钛合金如Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15.3),典型的近钛合金如Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-10.2.3)。,型钛合金,牌号：有TB21、TB2两个，可热处理强化，实际 应用的为TB2。 性能：合金的强度高、焊接性好。热稳定性差。 用途：用于制造350以下温度工作的飞机压气 机叶片、弹簧、紧固件等。,型钛合金,含有较多的相稳定元素和相稳定元素，具有+相混合组织

20、结构。这些相的金相形态和数量依成分、热加工变形和热处理方式而异。 这类合金可经处理得到很高的强度水平，典型例子有Ti-6Al-4V(IMI318)合金和IMI550(Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si). Ti-6Al-4V合金至今仍是使用最广泛的钛合金。,+型钛合金组织特点,型钛合金,性能：具有型和型钛合金的优点，但焊接性能不如型钛合金，可通过热处理来强化。 牌号：TC1TC11，常用的有TC3、TC4、TC6、TC10等，以TC4最常用。 用途：制造400以下工作的航空发动机压气机叶片，火箭发动机外壳，火箭和导弹的液氢燃料箱部件，船舰耐压壳体等。TC10是在TC4基础上发展起来的，具

21、有更高的强度和耐热性。,四、钛合金的发展与应用,钛合金的近期发展有三方面: 一是改善工艺、提高质量， 二是发展新合金以适应市场需要， 三是扩大应用市场。,首先是要提高钛的纯洁度，一方面要改善工艺，一方面要改善无损探伤技术。 只有商业纯钛带及焊接管有足够的产量，允许使用像生产钢一样的大规模生产装备，才能降低成本。 例如，有人考虑把EBCHM熔炼和连续铸锭法联系起来大规模生产纯钛合金。RMI钛公司已成功地用无缝钢管生产装置生产出直径250mm350mm的无缝钛合金管。 轧制钛复合钢板是一种降低成本的新工艺，先轧制复合一层便宜的钛层垫底，再轧上一层1rnm1.4mm厚的高级耐蚀钛合金或Zr-702合

22、金层就可得到耐蚀性极优的复合钢板，成本下降15一45。 另外，用永久铸模代替精密铸生产铸件，可降低成本4050。,一、改善工艺，提高质量，降低成本,Ti-6Al-4V是宇航工业应用的最主要的老牌钛合金。但是，近来Ti-l0-2-3合金、Ti-6-22-22.5合金、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-0.15Si合金和 Alloy C也有机会应用干宇航工业。 Ti-l0-2-3是60年代发展起来的，强度达到b1170MPa，s1070MPa，=78己可用于制造飞机的起落架（波音777和C-17）。最高使用温度为260，其板材的性能可达b1240MPa，s =1000MPa，5，可制作

23、飞机构件。 Alloy C是一个新型高温钛合金，使用温度达650，它的特性是抗燃烧阻力大和高温强度大，用于制造F-119发动机的排气管，b1000MPa，s =930MPa，20。,二、钝合金的新发展和新应用,二、钝合金的新发展和新应用,当前，钛合金已扩大应用到民品工业及船舶工业。 一个发展是用Ti-6Al-4V做蒸汽涡轮叶片，1993年已做出1016cm长的叶片，用于700MW透平机。 同时期发展出Ti-15Mo5-5Zr抗腐蚀性合金，经焊接和热处理后，可得到均匀的显微组织和一层抗腐蚀表面层使用效果好。 Ti-6A1-4V的可锻性略差。为了提高涡轮叶片收得率，研究用Ti-10V-2Fe-3A

24、l和Ti-17来做叶片，该合金是近钛合金，强度和韧性配合优于合金，耐腐蚀性和疲劳性 均超过合金，已做出 50.cm长的模型叶片，目前，Ti-6Al-4V合金已扩大了在船舶工业上的应用。1992年，已做出 1万 m深海压力容器。 此外，已有报道 Beta C合金（Ti-）用做深海装置，充分利用钛合金极优的抗海水腐蚀能力。,二、钝合金的新发展和新应用,近几年来，钛合金的应用市场明显扩大到民用消费品。首先是用Ti-6Al-4V做电磁烹调器具。钛是没有磁性的。但其电阻率高，重量轻，低热容和高耐蚀性是很吸引人的，特别是可以用超塑性加工做精确形状的烹凋用具。 90年代开始做钛合金的高尔犬球棒头，日本采用Ti-6Al-4V合金、Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al钛合金和其他钛合金，可以是锻件或铸件，现已发展一种用磁悬浮炉熔炼吸进陶瓷模的方法（LEVI-CAST），主产率和质量均令人满意。Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al是日本应用最多的高尔夫球头合金。在美国，199年的高尔夫球头市场需求就超过万kg，且每年以20一25速率增长，主要是用Ti-6Al-4V合金。 要扩大钛合金在民品工业中的应用，首要任务是降低成本，因此发展了一些低成本合金。下表是其简单情况。另外，