钛合金介绍 PPT课件

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
钛合▪金自高热温β处相稳理定基区冷础却下来， β相发生分解。
▪当转变温度T3时，转变终了得α+β相。 ▪当转变温度T2时，先是β→β+ω，此时ω为介 稳定相，再进一步转变为β+ω→ β+α+ω→β+α。
▪当转变温度为T1时，发生β→β+ω相变。 ▪三种情况下相应的硬度变化见图。ω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，ω相沉淀硬化是难以接受的。
钛合金的强韧化基础－α+β钛合金
2. α+β钛合金
➢Ti-6Al-4V是应用最广泛的α+β钛合金，其强度特性可通过控制α、 β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β相变控制，可以获得高强度。首先经α+β两相区热加工后控 制固溶处理，得到细而均匀分布的一次α相，再时效得到在前β相 区析出细的二次α相质点。细的等轴α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。
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）
纯钛特点
纯钛：一种银白色的金属
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。
▪再增加冷速，可以不发生相变得到室温介稳的 β相，或者得到β→α马氏体相变，得到α马氏体 相（当β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β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α和α钛合金、α＋β钛合金和β钛合金三类 合金讨论
魏氏组织α片结构的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性都很好， 而等轴α相结构的低周疲劳性能和拉伸强度较高。
魏氏组织α片结构的断裂韧性与屈服强度的关系
α稳定元素和间隙元素的固溶强化
➢间隙元素的硬化能力比α稳定元素大，源于形成强的 局部定向电子结合键。
β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 沉淀析出强化。
钛一般不发生孔蚀；除在几种个别介质（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（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。
钛合金的分类
β型钛合金: 合金加入了大量的多组元β相稳定元素，同时还
加入α相稳定元素Al。应用的β型钛合金主要为亚稳定的β钛 合金，退火状态为α+β两相组织，将其加热到β单相区后淬火， 因α相来不及析出而得到的过饱和的β相，称为亚稳β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；
第二类是合金元素锡、锆等，能有效强化α相，它们在α－Ti 和β－Ti都有大的固溶度，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 的温度。
第三类是β相稳定元素，一般是降低β转变温度，见下页。
第三类是β相稳定元素，一般是降低β转变温度。它可以 分为两小类：
（1）产生β相共析分解的元素，如铬、钴、锰、钨、铁、镍、
气体杂质元素的作用
α－Ti是hcp结构，它的{0001}面不是唯一的滑移面，其他
如1011 101晶0 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α相元素，在α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0.1~0.2%。
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
a~d
钛合金二 元相图
(a)合金元素与α－Ti和β－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β－Ti形 成连续固溶体，而与α－ Ti只形成有限固溶体， 这类元素扩大β相区，缩 小α相区，降低β相区 →α相区的相变温度，称 为β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α －Ti和β－Ti都形 成有限固溶体，β 相区会发生共析 分解，这类元素 有铬、钴、锰、 钨、铁、镍、铜、 银、金、钯、铂 等。它们使β相转 变温度下降，所 以也属于稳定β相 元素。
钛合金二 元相图
(d)合金元素与α－ Ti和β－Ti都形成有 限固溶体，但β相由 包析反应生成，使β 相转变温度升高， 因而是α相稳定元 素。主要元素有铝、 硼、氧、氮、碳、 钪、稼、镧、铈、 钆、钕、锗等。
碳：稳定α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β→α相变，合金成分，特别是 β相稳定元素含量以及冷却速度，对β相变有重要影 响。
铜、银、金、钯、铂等。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。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β 相。当快速冷却时，共析反应可以被完全抑制，过冷β相可保留 到室温，而不产生相变。
氮：是强稳定α相元素，溶解度达6.5~7.4%(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0.03~0.06%的水平。
气体杂质元素的作用
氢：稳定β相元素。
在335℃下，氢在α-Ti的溶解度为0.18%，并随温度降低而迅速下 降。故α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α-Ti的冲击韧性αK≈180J/cm2，当w(H)=0.015%时， αK降至 30J/cm2。因此，具有α及α＋β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。
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
主要内容：
钛合金二元相图 钛合金分类 主要合金元素与相的形成 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
（2）不产生β相共析分解的元素，如钒、铌、钽、铼、钼属于
这一类，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。 β相稳定能力 按钼＞钒＞铌＞钽次序变小。
高温β相淬火快速冷却时的相变 当含量较低时， C1之 前， β相发生马氏体相
合 能 当 马含获金氏量得元体较不素相低同含变时的量，，快不形β冷同成相组，α发′ 相织可生。。变C残1，余和形βC相2成之组α间′织相，。。得当在到成成α分分′+ 达 到 C2 时 ， 马 氏 体 转 变完全被抑制，只有 残留β相存在，在应力 下分解，形成ω相。当 含量大于C3时，残余β 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α 质点，只有当元素含 量 超 过 C4 时 ， 才 得 到 室温热力学稳定的β相。
α+β型钛合金的退火组织为α+β，以TC加顺序号表示其合金
的牌号。 合金同时含有β相稳定元素和α相稳定元素。组织以α相为主，β 相的数量通常不超过30%。 合金可通过淬火及时效进行强化，多在退火状态下使用。α+β型 钛合金的室温强度和塑性高于α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。
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：
ρ: 4.507 g/cm3 Tm：1688℃ 具有同素异构转变: ≤882.5℃为密排六方结构的α相
≥882.5℃体心立方结构的β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。
钛的十大性能
➢密度小,比强度高(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)
➢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
钛合金的强韧化基础
1.近α和α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α 相没有相变。通过冷加工和随后退火控制α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α、α+β和β 相区热加工三种。经β热加工冷却后得到片状魏氏组织α结 构，α热加工可以得到等轴α结构，对于近α钛合金经α+β 热加工后也可得到等轴α结构。