钛合金介绍

• 工业纯ห้องสมุดไป่ตู้是一个典型的α合金，α-钛合金中 的主要元素是Al、Zr、Sn等。
• 当加入少量β相稳定元素时，可以得到近α钛合金，显微组织上除α相基体外，还有少 量β相。典型的钛合金有Ti-8Al-1Mo-1V等。
（3）性能：高温性能好（<500℃），组织 稳定性好，焊接性好，是耐热钛合金的主 要组成部分；但α钛合金是单相合金，不能 热处理强化，常温强度低，塑性不够高
（3）用途：适用于制造螺栓、铆钉、冷轧板 材、带材等，用于宇航工业的结构材料。
钛的特性及钛冶金基础
一、钛的基本性质 1、钛存在两种同素异构体α及β。 • α-Ti在882℃以下稳定，具有h.c.p.结构。 • β-Ti稳定于882℃~熔点1678℃，具有体心
立方结构。 • 铝的熔点660℃，镁651℃，铁1535℃，镍
1445℃。
2、钛的密度小(4.51g／cm3)，比强度高，熔 点高，塑性好，虽然其强度随温度升高而 下降，但其比强度高的特性仍可保持到 550-600℃。与高强合金相比，相同强度水 平可降低重量40%以上，因此在宇航上有 巨大应用潜力。
同，分为三个牌号：
• TA1：杂质元素O，N，H，C，Fe较少，σb = 350-500 MPa ，δ=30-40%
• TA2：杂质元素稍多，σb =450-600 MPa，δ=2530%
• TA3：杂质元素较多，σb =550-700 MPa。δ= 2025%
• 高纯钛TA0： Ti>99.90% ， σb =300-350 MPa， δ=40-45%
• 碘化法：分解TiI4生产的钛，纯度可达 99.9%。原理是利用金属碘化物的高温分解 温度不同的特性来提纯，杂质含量降至很 低水平。
• 电解精炼：以粗钛做阳极，在700-850℃熔 盐中电解精炼，粗钛阳极溶解，纯钛在阴 极沉淀，得到的金属纯钛杂质含量小于 0.1%-0.2%。
三．纯钛分类与牌号
1．纯钛组织：α相 2．分类：工业纯钛根据其杂质含量和机械性能的不
四、钛合金分类
➢为了进一步提高钛的强度，可在钛中加入 合金元素。
➢合金元素溶入α-Ti中形成α固溶体，溶入βTi中形成β固溶体。
➢根据组织不同，钛合金可分为三类：α钛合 金、β钛合金、（α＋β）钛合金。
1．α-钛合金
（1）牌号：TA1-TA8；其中TA1-TA3为工业 纯钛。
（2）组织：显微组织（退火组织）是α相组 织，含有α相稳定元素（Al）及一些中性强 化元素(Zr、Sn)。
海 绵 钛：
• 1940年W.Kroll首先用Mg还原TiCl4制成可供 工业生产用的海绵钛（镁热法海绵钛）， 纯度可达99.5%。
• 海绵钛是多孔金属，易吸收空气中水分、 氧气及氮气，因此海绵钛必须用铁桶密封 包装。
• 海绵钛中含有各种杂质元素，用镁还原的 海绵钛的杂质含量如表所示。
高纯钛生产：
• 在成分C1到C2区间，可以有部分β相残留下 来，得到α’+ 残余β相组织。有时，淬火温 度过高时，会形成一种ω相；
• 当成分达到C2时，马氏体转变完全被抑制， 只有残留β相存在。这种残余β相在机械外 力作用下是不稳定的，可在应力作用下分 解，称为机械不稳定β相，分解形成 ω相。
• 当含量＞C3时，应力不再起作用，残余β相 保持稳定，不再分解，称为机械稳定β相 (βM,C)。实际上，此相并非热力学稳定，回 火时就会分解生成弥散的α质点；
• 高纯度钛：σb=300 MPa，δ=40 %；工业 纯钛：σb =550MPa，δ=20%；
3、具有优良的耐蚀性，在室温下就能很快生 成一层具有极好保护性的钝化层(TiO2)，仅 有纳米尺度，室温下长大极慢。
• 在中性、氧化性介质、海水、HNO3, Cr酸、 有机酸中，钛的耐蚀性极高；
• 在还原性介质中稍差一些；
钛合金物理冶金基础
• 在钛中加入合金元素，利用钛的同素异型 转变，通过合金元素对α相或β相的稳定作 用，来控制α相或β相的组织与性能。
一、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:
（1）合金元素与α-Ti及β-Ti形成连续固溶体 （图a），锆、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；
基本相态：
• α相、β相 • 高温β相淬火快速冷却时可以发生马氏体相
变，合金元素含量不同时可能获得不同的 快冷组织。
• 合金元素含量较低时，β发生马氏体相变， 形成α’相。马氏体转变的开始和终了曲线分 别以Ms 和 Mf 线表示，可以看出：当含量 达到C1之前， β相在快冷淬火时发生完全的 马氏体相变；
（4）应用：可用作火箭发动机外壳、航空发 动机的压气机盘和结构锻件与紧固件。
3．β-钛合金和近β钛合金
（1）合金系：目前有两种： • 退火态：稳定β • 淬火后，形成介稳定相β’，目前在工业上常
用。
• 这类合金含有大量β相稳定元素，多数还含 有铝、铬、钼、锡等元素。β-钛合金的室温 强度可达到α+β钛合金水平，但具有更佳的 工艺性能，不过其高温强度比不上α+β合金。
3）β相稳定元素：一般是降低β相转变温度。 它又可以分为两小类：
（1）产生β相共析分解的元素，如Cr、Mn、 Fe、Cu、Ni、Co、W等。随温度降低，β 相会发生共析分解，析出α相及金属间化合 物相。
（2）包括钼、钒、铌、钽等，二元相图上不 产生β相共析分解，但慢冷时析出α相，快 冷时有α’马氏体相变。随着合金元素含量达 到临界值，快冷使β相成为室温稳定相。
1）α相稳定元素：能提高α-β相转变温度。 • 铝是最常见的、最有效的α强化元素。能有
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。
2）中性强化元素：合金元素(锡、锆等) 能有 效强化α相，它们在α-Ti和β-Ti中均有大的 固溶度，但对α→β相变温度影响较小，故 有中性强化元素之称。它们的强化作用也 可保持到较高温度；
• 只有当元素含量超过C4时才得到室温热力 学稳定的(βT,C)相。
三、气体杂质元素的作用
（1）氧：稳定α相元素，提高α→β相转变温 度。占据八面体间隙位置，产生点阵畸变， 提高强度、降低塑性。
（2）氮：与氧类似，是强稳定α相元素，提 高α→β相转变温度，强烈提高强度而降低 塑性。
（3）氢：稳定β相，降低塑性和韧性。
• TC4 （Ti-6Al-4V）：占60%的钛合金用量，综合 机械性能好，使用最广泛的钛合金
• TC1，TC2：Ti-Al-Mn系 • TC3，TC4，TC10： Ti-Al-V系 • TC5，TC6：Ti-Al-Cr系 • TC8，TC9：Ti-Al-Mo系，可提高热强性
（3）性能：常温强度高，可热处理强化，但 组织不够稳定；焊接性能较差。
（4）合金元素与α-Ti、β-Ti都形成有限固溶 体，但α相由包析反应生成(图d，e)，使β相 转变温度升高，因而是α相稳定元素。主要 元素有Al、B、O、N、C、Sc、Ga、La、 Ce等，其中N、O属于图d中简单的包晶相 图。
二、主要合金元素与相的形成
• 现有钛合金中的主要合金元素有V、Mo、 Ag、Cr、Cu、Mn、Al、Zr、Sn及Ta等， 可以分为三类：
（2）合金元素与 β-Ti形成连续固溶体，而与 α-Ti只形成有限固溶体（图b），这类元素 扩大β相区、缩小α相区，降低β相转变至α 相的相变温度，称为β相稳定元素。钛在周 期表中的近邻，如V、Nb、Ta、Mo属于这 一类，它们也是b.c.c结构，原子尺寸也相 差不大。
（3）合金元素与β-Ti、α-Ti都形成有限固溶 体，β相会发生共析分解（图c）。这类元 素有Cr、Co、W、Mn、Fe、Ni、Cu、Ag、 Au、Pd、Pt等。它们使β相转变温度下降， 所以也属于稳定β相元素。
（4）用途：
• TA4-TA6：作钛合金的焊丝材料；
• TA7：500度以下长期工作零件，如飞机蒙 皮、航空模锻件。
• TA8：室温与高温强度较TA7高，可作发动 机压气机盘、叶片等。
2．α+β钛合金
（1）组织与牌号：组织为α+β，用TC表示，TC1TC10
（2）合金系：含有较多的α相稳定元素和β相稳定元 素，具有α+β相混合组织结构。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。
• 在HF、H2SO4、HCl、热有机酸中不耐蚀， 但可以通过合金化改善。
4、钛的低温性能很好，在液氮温度下仍有良 好的机械性能，强度高，而仍保持有良好 的塑性及韧性；
5、弹性模量较低(120GPa)，约为铁的54%；
6、导热系数及线胀系数均较低。导热系数比 铁低4.5倍，使用时易产生温度梯度及热应 力，不过，线胀系数低可补偿因导热系数 低带来的热应力问题；
7、可焊性好；具有良好的冲压性能；但耐磨 性较差；
8、化学活性极高，高温下与Cl、O、S、C、 N等强烈反应，液态下几乎同ThO2以外的 所有坩埚材料起反应，只能用真空自耗电 弧炉熔炼。
二、钛冶金基础
• 钛矿的存在形式是金红石(TiO2)及钛铁共生矿 (FeO-TiO2)。在我国，还有钒钛铁矿。
• 近β钛合金的显微组织也是由α+β两相组成， 但是α强化相分布于β相基体之上。典型β钛 合金如Ti-15V-3Cr-3Sn-3A1合金，典型近β 钛合金如 Ti-10V-2Fe-3A1合金。
（2）性能：塑性加工性能好（快冷得到β组 织），机械性能高（可通过时效来提高强 度），是发展高强度（抗拉>14001500MPa）钛合金潜力最大的合金，但组 织稳定性较差，工作温度一般低于200度。
钛合金简介
• 钛及钛合金的发展已有60多年历史，是世 界各国大力发展的轻金属材料。
• 钛及钛合金的强度与优质钢相近，但密度 只有钢的一半，比强度最高。