第三章-钛合金及合金化原理第三章钛合金及合金化原理3.1钛合金相图类型及合金元素分类1.钛合金的二元相图（1）第一种类型与α和β均形成连续互溶的相图。
只有2个即Ti-Zr和Ti-Hf 系。
钛、锆、铪是同族元素，其原子外层电子构造一样，点阵类型相同，原子半径相近。
这两元素在α钛和β钛中溶解能力相同，对α相和β相的稳定性能影响不大。
温度高时，锆的强化作用较强，因此锆常作为热强钛合金的组元。
（2）第二种类型β是连续固溶体，α是有限固溶体。
有4个：Ti-V Ti-Nb Ti-Ta Ti-Mo系。
V、Nb、Ta、Mo四种金属只有一种一种体心立方，所以它们与具有相同晶型的β-Ti形成连续固溶体，而与密排六方点阵的α-Ti形成有限固溶体。
V属于稳定β相的元素，并且随着浓度的提高，它急剧降低钛的同素异晶转变温度。
V含量大于15%时，通过淬火可将β相固定到室温。
对于工业钛合金来说，V在α钛中有较大的浓度（>3%），这样可以得到将单相α合金的优点（良好的焊接性）和两相合金的有点（能热处理强化，比α合金的工艺塑性好）结合在一起的合金。
Ti-V系中无共析反应和金属化合物。
Nb在α钛中溶解度大致和V相同（约4%），但作为β稳定剂的效应低很多。
Nb含量大于37%时，可淬火成全β组织。
Mo在α钛中的溶解度不超过1%，而β稳定化效应最大。
Mo含量大于1%时，可淬火成全β组织.Mo的添加有效地提高了室温和高温的强度。
Mo室温一个缺点是熔点高，与钛不易形成均匀的合金。
加入Mo时，一般是以Mo-Al中间合金形式（通过钼氧化物的铝热还原过程制得）加入。
（3）第三种类型与α、β均有限溶解，并且有包析反应的相图。
Ti-Al、Ti-Sn、Ti-Ca、Ti-B、Ti-C、Ti-N、Ti-O等。
5%～25% Al浓度范围内的相区范围内存在有序化的α2（Ti3X）相,它会使合金的性能下降。
铝当量Al*=Al% +1/3Sn%+ 1/6Zr% + 1/2Ga% + 10[O]% ≤ 8%～9% 。
只要铝当量低于8%～9%，就不会出现α2相。
Sn是相当弱的强化剂，但能显著提高热强性，以锡合金化时，其室温塑性不降低而热强性增加。
微量的B可细化钛及其合金的大晶粒，Ga可以与钛良好溶合，并显著提高钛合金的热强性。
氧是较“软”的强化剂，在含量允许的范围内时，不仅可保证所需的强度水平，而且可以保证足够高的塑性。
（4）第四种类型与α、β均有限溶解，并且有共析分解的相图，有Ti-Cr、Ti-Mn、Ti-Fe、Ti-Co、Ti-Ni、Ti-Cu、Ti-Si、Ti-Bi、Ti-W、Ti-H。
Ti-Cr系中，形成的Ti2Cr化合物有两种同素异晶形式，其固溶体以δ和γ表示。
Cr属于β稳定元素，在α钛中的溶解度不超过0.5%。
Cr含量大于9%时，通过淬火可将β相固定到室温。
Cr可以使钛合金有好的室温塑性并有高的强度，同时可保证有高的热处理强化效应。
Ti-W系中,会产生偏析转变：β′ ↔ α + β′′。
偏析反应温度较高，Ti-W系的热稳定性比Ti-Cr合金高的多。
W在α钛中的溶解度不高。
W含量大于25%时，通过淬火可将β相固定到室温。
氢降低钛的同素异晶转变温度，形成共析反应，从而使β固溶体分解而形成α相和钛的氢化物，在共析温度下氢在α钛中的溶解度为0.18%。
氢组成间隙型固溶体，属于有害杂质，会引起钛合金的氢脆。
在非合金化钛和以α组织为基的单相钛合金中，氢脆的主要原因是脆性氢化物相的析出，急剧降低断裂强度。
在两相合金中，不形成氢化物，但形成氢的过饱和固溶体区，在低速变形时引起脆性断裂。
在β相含量小的合金中，这两种产生联合作用。
纯钛和近α组织的钛合金对氢脆最敏感。
随着合金中β相含量增加，其氢脆敏感性减弱。
2.合金元素及其作用（1）合金元素的分类①α稳定元素能提高β相变温度的元素，称为α稳定元素，与钛形成包析反应，这些元素的电子结构、化学性质和钛的差别较大。
铝是最广泛采用的、唯一有效的α稳定元素。
钛中加入铝，可降低熔点和提高β相变温度，在室温和高温都起到强化作用，也能减小合金的比密度。
含铝量达6%～7%的钛合金具有较高的热稳定性和良好的焊接性。
添加铝在提高β转变温度的同时，也使β稳定元素在α相中的溶解度增大。
铝原子以置换方式存在于α相中，当铝的添加量超过α相的溶解极限后，会出现以Ti3Al为基的有序α2固溶体，使合金变脆，热稳定降低。
Ti-Al系金属间化合物的密度小，高温强度高，抗氧化性强及刚性好，对航天航天工业具有极大的吸引力。
铝含量分别为16%及36%的Ti3Al和Ti Al基合金，是很有前途的金属间化合物耐热合金。
②中性元素对钛的β元素转变温度影响不明显的元素，称为中性元素，中性元素锆、铪在α、β两相中有较大的溶解度，甚至能够形成无限固溶体。
中性元素锡、铈、镧、镁等，对钛的转变温度影响不明显，主要对α相起固溶强化作用。
锆、锡在提高α相强度的同时，也提高其热强性。
强化效果低于铝，对塑性的不利作用也比铝小，有利于压力加工和焊接。
适量的铈、镧可以改善钛合金的高温拉伸强度及热稳定性的作用。
③β稳定元素降低钛β转变温度的元素，称为β稳定元素。
ⅰ β同晶元素。
β同晶元素如钒、钼、铌、钽，在周期表上的位置靠近钛，具有与β钛相同的晶格类型，能与β钛无限互溶，而在α钛中具有有限溶解度。
它们能以置换的方式大量溶入β钛中，产生较小的晶格畸变，在强化合金的同时，保持其较高的塑性。
ⅱ β共析元素β共析元素在α和β钛中均具有有限溶解度，但在β钛中的溶解度大于α中的。
慢共析元素有锰、铁、铬、钴钯等，使钛的β相具有很慢的共析反应，反应在一般冷却速度下来不及进行，对合金产生固溶强化作用。
快共析元素如硅、铜、镍、银、钨、铋等在β钛所形成的共析反应速度很快，β相很难保留到室温。
共析分解所产生的化合物，都比较脆，但可用于强化钛合金（尤其热强性）。
当β稳定元素的含量达到某一临界值，较快冷却速度能使合金中的β相保持到室温，这一临界值称为临界溶度，用C k表示。
元素的C k越小，其稳定β相的能力越强。
一般β共析元素（尤其慢共析元素）的C k要小于β同晶元素。
④生成离子化合物的元素卤素元素氯、碘可与钛形成离子化合物。
在工业生产中，制造TiCl和TiI4,通过还原工艺，可获得海绵钛和碘化法高纯钛。
⑤不发生反应的元素和钛不发生作用的镁、钠、钙等元素在冶炼工业中作为还原剂，将钛从卤化物或氧化物中还原出来。
氦气、氩气可以作为保护气体。
（2）合金元素对钛力学性能的影响钛合金主要强化途径是固溶强化和弥散强化。
前者是通过提高α相和β相的固溶溶度而提高合金的性能，后者是借助热处理获得高度弥散的α+β或α+金属间化合物来达到强化的目的。
钛合金：难以通过组织调整，在满足高强度水平的同时，仍然保持足够的塑性和韧性。
α稳定元素中，Al的固溶强化效果最显著。
β稳定元素优先溶于β相，因此β相具有更强的强度和硬度，合金平均强度随着组织中β相所占比例增加而提高，当α相和β相各占50%时强度达到峰值，继续增加β相数量，强度反而有所下降。
对于在高温下长期使用的耐热合金，非活性共析元素的存在将降低材料的热稳定性。
在接近相变温度时，组织稳定性下降，原子活性增加，促使金属软化。
所以耐热钛合金在成分上应以α稳定元素和中性元素为主，至于β稳定元素一般效果较差。
只有那些能强烈提高钛原子结合力的钼、钨及共析转变较高的硅、铜等元素，在适当溶度范围内可有效增加合金的热强性。
耐热钛合金应以单相组织为宜，一般均选用α型或者近α型合金作为高温工作的材料。
（3）杂质元素对钛性能的影响钛中主要杂质元素有氧、氮、碳、硅，前三种属间隙型元素，后一种属于= O% 置换型元素。
综合考虑间隙元素对硬度的影响，引入氧当量：O当+2N%+0.67%氧当量和硬度的关系为：HV=65+310O。
氢降低α + β/β相变温度，是β稳定元素，在β-Ti中的溶解度比α-Ti中大得多，，且在α-Ti中的溶解度随温度降低而减少，当冷却到室温时，会析出脆性氢化物TiH2，使合金变脆，称为氢化物氢脆。
含氢的α-Ti在应力作用下，促进氢化物析出，叫应力感生氢化物氢脆。
此外，溶解在晶格中的氢原子，在应力作用下，经过一定时间会扩散到晶体缺陷处，引起塑性降低，当应力去除并静止一段时间，在进行高速变形，塑性又可以恢复，称为可逆氢脆。
在高温形变时氢有增塑作用，即提高热塑性或超塑性。
生产上利用氢作为暂时合金元素渗入合金中去，发挥其有利作用，然后通过真空退火去氢。
增塑的原因是氢降低形变激活能，提高了形变过程中扩散协调变形能力。
同时氢在高温下分布比较均匀，减少了局部弹性畸变，并且氢有促进晶粒细化作用，从而改善了高温热塑性。
氮、氧、碳都提高α + β/β相变温度，扩大α相区，属α稳定元素，提高了钛的强度，急剧降低塑性，影响程度按氮、氧、碳顺序递减。
微量铁和硅在固溶范围内与钛形成置换固溶体，对钛的性能影响不像间隙元素那样强烈。
3.常用合金元素元素间相互作用是形成固溶体还是形成化合物，形成的溶解度有多大，主要取决于原子的电子层结构、原子半径大小、晶格类型、电负性及电子浓度等因素。
钛是过渡族金属，在周期表上，与钛同族的元素锆和铪具有和钛相同的外层电子结构和晶格类型，原子半径也相近，故与α钛和β钛均能无限互溶，形成连续固溶体。
在周期表上，靠近钛的元素（如钒、钼、铌、钽）与β钛具有相同的晶格类型，能与β钛无限互溶，与α钛有限溶解。
周期表上离钛越远的元素，其电子结构及原子半径约钛相差越大，与钛的溶解度也越小，并且容易形成化合物。
3.2 合金元素对钛合金组织结构和性能的影响1.Al 铝具有显著的固溶强化作用，在α-Ti中的固溶度大于在β-Ti中的固溶度，提高α /β相互转变的温度，扩大α相区，属于α稳定化元素。
当合金中Al的质量分数在7%一下时，随含Al量的增加，合金的强度提高，塑性无明显降低；当合金中Al的质量分数超过7%时，合金组织中出现脆性Ti3Al，塑性显著降低。
2.V(Mo、Nb、Ta) 钒属于β-Ti同晶元素，具有β稳定化作用，在β-Ti中无限固溶，在α-Ti中也有一定的固溶度。
钒具有显著的固溶强化作用，在提高合金强化的同时能保持良好的塑性。
钒还能提高钛合金的热稳定性。
3.Cu 铜属于β稳定化元素，钛合金中的铜一部分以固溶状态存在，另一部分形成Ti2Cu或TiCu2化合物，TiCu2具有热稳定性，起到提高合金热强化性的作用。
由于铜在α相中的固溶度随温度的降低而显著减少，故可以通过时效沉淀强化来提高合金的强度。
4.Si 硅的共析转变温度较高（860℃），可改善合金的耐热性能。
在耐热合金中加入的硅量以不超过α相最大固溶度为宜，一般为0.25%左右。
由于硅和钛的原子尺寸差别较大，在固溶体中容易在位错处偏聚，阻止位错运动，从而提高耐热性。
