金屬材料學(xué)第11章鈦合金

2023/2/511.1概述鈦及其合金是上世紀(jì)40年代發(fā)展起來(lái)的一類新型結(jié)構(gòu)材料Ti的物理性能純Ti熔點(diǎn)1668℃。強(qiáng)度高，是Al的6倍，塑性好，便于冷熱加工。還具有超導(dǎo)、記憶、儲(chǔ)氫等特殊性能。熱處理純Ti不能熱處理強(qiáng)化，只能進(jìn)行冷變形強(qiáng)化，α＋β型鈦合金可熱處理。美F-22戰(zhàn)機(jī)約36%重量的零件用鈦合金制造11鈦合金titanium

alloy2023/2/5純鈦主要用于350℃以下工作、強(qiáng)度要求不高的零件，如石油化工用熱交換器、反應(yīng)器，海水凈化裝置及艦船零部件。

鈦鋼復(fù)合反應(yīng)釜鈦管換熱器鈦制蒸餾塔2023/2/511.1.1鈦的基本性質(zhì)與合金化①有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。β，bcc|

882℃|α，hcp②比強(qiáng)度高。ρ=4.51g/cm3，可保持到550～600℃③耐蝕性好。形成保護(hù)膜,耐海水腐蝕性是最好的④低溫性能好。在77K下仍有良好的力學(xué)性能⑤導(dǎo)熱系數(shù)低。比鐵低4.5倍，易產(chǎn)生熱應(yīng)力主要合金元素有A1、Zr、V、Mo、Mn、Cr等2023/2/5一、鈦的合金化及分類（一）合金元素與鈦的作用1）α穩(wěn)定型相圖，擴(kuò)大α相區(qū)的元素有Al、Sn、O、N、C等。2）β穩(wěn)定型相圖，擴(kuò)大β相區(qū)的元素有V、Mo等。3）α+γ共析型相圖，使共析的元素有Mn、Fe、Cr、Cu、Si、Ni、Ag等。4）α和β全溶型相圖，如Zr、Ha等。圖11.1鈦與合金元素的典型二元線圖a）α穩(wěn)定型,Al、Sn；b)β穩(wěn)定型V、Mo,c)α+γ共析型,Mn、Cr；d)α和β全溶型，Ha、ZrTi-Sn相圖2023/2/5α穩(wěn)定型(包析)β穩(wěn)定型（共析）α和β全溶型γ共析型2023/2/5（二）鈦合金的分類（GB/T3621—94）在退火狀態(tài)下，按組織分α型鈦合金、β型鈦合金和α＋β型鈦合金，以TA、TB、TC表示。符號(hào)后面的數(shù)字表示順序號(hào)。TA7：Ti-5Al-2.5SnTB2：Ti-3Al-8Cr-5Mo-5VTC4：Ti-6Al-4V2023/2/5各類合金特點(diǎn)

α鈦合金高溫性能好，組織穩(wěn)定，焊接性好，是常用耐熱鈦合金，但常溫強(qiáng)度低，塑性不高

α+β鈦合金可熱處理強(qiáng)化，常溫強(qiáng)度高，中溫的耐熱性也不錯(cuò)，但組織不夠穩(wěn)定，焊接性差

β合金塑性加工性好，合金濃度適當(dāng)時(shí)，通過熱處理可獲得高的常溫力學(xué)性能，是發(fā)展高強(qiáng)度鈦合金的基礎(chǔ)，但組織不夠穩(wěn)定，冶煉工藝復(fù)雜

應(yīng)用程度:α+β合金>α合金>

β鈦合金二、鈦合金特點(diǎn)2023/2/5

1、α鈦合金(Al/Sn)主要Me是Al和Sn，固溶強(qiáng)化:+1%Me，強(qiáng)度↑35~70MPaAl作用特點(diǎn)A1在α相中固溶度很大,↑耐熱性(<500℃)但Al＞6％后→與α共格有序相α2（Ti3Al）α2是硬而脆中間相，對(duì)合金塑韌性不利。Al大于25%后，則出現(xiàn)γ相（TiAl）應(yīng)用特點(diǎn)

一般工業(yè)用鈦合金Al含量很少超過6％。

α鈦合金使用溫度≯500℃。

α鈦合金不能熱處理強(qiáng)化，退火或熱軋態(tài)下使用。TA7是應(yīng)用最多的一種。

TA4~TA6是Ti-Al系二元合金2023/2/52、α+β鈦合金(Al/V、Mo)合金化特點(diǎn)

含4~6%的β穩(wěn)定元素→α和β同時(shí)強(qiáng)化。

α+β合金性能主要由β相元素來(lái)決定。

α相元素主要是鋁，

<6~7%→以免生成α2而↓韌性。另補(bǔ)加少量中性元素錫和鋯。

β元素選擇較復(fù)雜。+Mo和V等，再適當(dāng)+少量Mn和Cr或微量Si。性能特點(diǎn)α+β鈦合金力學(xué)性能變化范圍較寬，可適應(yīng)各種用途，約占航空工業(yè)使用的鈦合金70％以上。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的α+β鈦合金是Ti-A1-V系的Ti-6A1-4V，即TC4合金。2023/2/53、β鈦合金(Mo、V/Cr)

β鈦合金是發(fā)展高強(qiáng)度鈦合金潛力最大的合金。熱處理特點(diǎn)

合金化特點(diǎn)：加入大量β穩(wěn)定元素。熱處理特點(diǎn):室溫為單相β組織，經(jīng)時(shí)效可↑↑強(qiáng)度。淬火態(tài)下能冷成型→進(jìn)行時(shí)效處理。性能特點(diǎn)與應(yīng)用

強(qiáng)韌性優(yōu)于α+β合金，具有良好的焊接性和壓力加工性。缺點(diǎn)是β元素濃度高，密度↑，易偏析，性能波動(dòng)大。β相元素多是稀有金屬，價(jià)格↑，≯200℃使用，應(yīng)用受限制.

目前應(yīng)用的加工鈦僅TB2

，主要用于制造各種整體熱處理的沖壓件和焊接件；如輪盤、軸類等重載荷旋轉(zhuǎn)件，以及飛機(jī)的構(gòu)件等2023/2/511.1.2鈦合金的相變C0tk2023/2/5基本概念

β相(bcc)→α′六方馬氏體(hcp)；→α″斜方馬氏體。

tk：當(dāng)t淬↓到一定溫度，β相濃度↑到Ck時(shí)，淬火到室溫β相也不發(fā)生M轉(zhuǎn)變的臨界淬火溫度。Ck和tk是非常重要的兩個(gè)參數(shù)。

Ck：Ms↓β相不發(fā)生M轉(zhuǎn)變的合金濃度鈦合金M是置換型過飽和固溶體，與鋼間隙式M不同1、馬氏體轉(zhuǎn)變

2023/2/52、ω相的形成

β穩(wěn)定型鈦合金的成分位于臨界濃度Ck附近時(shí)，淬火時(shí)除形成α′或βr外，還能形成淬火ω相，用ωq表示。特點(diǎn)性質(zhì)

ω是六方晶格，與β相有共格關(guān)系。ω相形狀與Me原子半徑r有關(guān)，r與鈦相差較小的合金，ω相是橢圓形，Δr相差較大時(shí)為立方體形

ω相硬而脆，雖↑↑強(qiáng)度、硬度和彈性模量，但塑性急劇↓。一般情況下,ω相是有害組織，在熱處理時(shí)都要避開它的形成區(qū)間。加A1能抑制ω相的形成→大多數(shù)工業(yè)用鈦合金都含有A12023/2/53、過冷(殘余）βr

的形成合金元素濃度較高，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度低于室溫，β被凍結(jié)，形成βr，成為β鈦合金。β為體心立方，具有較好的塑性，冷加工性能與純鈦相近。β鈦合金的合金元素量較大，固溶強(qiáng)化效果大；加工硬化性高；時(shí)效強(qiáng)化（析出α相強(qiáng)化）高。β鈦合金固溶后強(qiáng)度：750-950MPa，時(shí)效后強(qiáng)度1000-1700MPa。

β相中原子擴(kuò)散系數(shù)大，加熱溫度超過β相變點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)粗大晶粒，產(chǎn)生“β脆性”2023/2/54、亞穩(wěn)定相的分解

淬火形成的α′、α″、ω和βr相都是不穩(wěn)定的最終產(chǎn)物都是平衡α+β相

β共析型的

分解產(chǎn)物是α+TixMy（γ）化合物各種亞穩(wěn)相分解過程（1）過冷βr相分解;（2）馬氏體分解，鈦合金α′、α″在300~400℃發(fā)生快速分解，在400~500℃回火時(shí)→彌散度高的α+β相混合物，彌散強(qiáng)化。（3）ω相的分解。2023/2/511.2.1.型鈦合金主加元素為鋁，還有錫、硼等。

不能熱處理強(qiáng)化，通常在退火狀態(tài)下使用，組織為單相固溶體。強(qiáng)度低于另兩類鈦合金，但高溫強(qiáng)度、低溫韌性及耐蝕性優(yōu)越。0.2％Pd的加入引起陽(yáng)極鈍化，使腐蝕抗力提高1000倍。鈦合金氫泵誘導(dǎo)輪鈦合金氫泵殼體11.2常用鈦合金2023/2/5型鈦合金屬于密排六方結(jié)構(gòu)，較高的強(qiáng)度和良好的韌性，對(duì)高溫氧污染有較強(qiáng)的抗力，但成形性能較差。常用牌號(hào)有TA5、TA7等。典型的鈦合金TA7（Ti-5Al-2.5Sn），市場(chǎng)占有20％，組織穩(wěn)定、焊接性好，比強(qiáng)度是鋁和鋼的兩倍，用作飛機(jī)蒙皮和模鍛件。Al、Sn可使再結(jié)晶溫度和同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度升高。鈦合金泵圖11.4Ti-Al二元合金相圖鈦端2023/2/5型鈦合金主要用于制造500℃以下工作的零件，如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、導(dǎo)彈的燃料罐、超音速飛機(jī)的蝸輪機(jī)匣及飛船上的高壓低溫容器等。

鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金液下泵-Ti合金組織2023/2/511.2.2.+型鈦合金加入的合金元素有鋁、釩、鉬、鉻等。可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，強(qiáng)度高，塑性好，具有良好的熱強(qiáng)性、耐蝕性和低溫韌性。鈦合金列管式換熱器2023/2/5+型鈦合金共有九個(gè)牌號(hào)，其中以TC4(Ti6Al4V)應(yīng)用最廣、用量最大，占市場(chǎng)55％。其經(jīng)過淬火加時(shí)效處理后，組織為++時(shí)效析出的針狀。2023/2/5+型鈦合金主要用于制造400℃～－196℃以下工作的飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、火箭和導(dǎo)彈的液氫燃料箱部件及艦船耐壓殼體等。

生物醫(yī)用材料飛機(jī)壓氣機(jī)葉片2023/2/511.2.3.型鈦合金加入的合金元素有鉬、鉻、釩等。經(jīng)淬火加時(shí)效處理后，組織為相基體上分布著細(xì)小的相粒子。這類合金強(qiáng)度高，但冶煉工藝復(fù)雜，難于焊接，應(yīng)用受到限制。鈦合金管鈦合金管應(yīng)用2023/2/5型鈦合金有TB2、TB3、TB4三個(gè)牌號(hào)。主要用于350℃以下工作的結(jié)構(gòu)件和緊固件，如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、軸、彈簧、輪盤等。鈦合金棒β鈦合金眼鏡架鈦離心泵2023/2/511.3鈦及鈦合金的發(fā)展與應(yīng)用

1、鈦合金生產(chǎn)工藝冶煉技術(shù)：電子束重熔技術(shù)，真空冶煉等

2、鈦合金的新發(fā)展宇航工業(yè)：AlloyC是一個(gè)新型高溫鈦合金，使用溫度高達(dá)650℃

，用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管；船舶工業(yè)：深海潛水調(diào)查船的耐壓殼體。近α鈦合金

Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo和α+β鈦合金TC4；民品工業(yè):電磁烹調(diào)器具、網(wǎng)球球拍、高爾夫球頭；汽車工業(yè):進(jìn)、排氣閥，目前僅用于賽車和運(yùn)動(dòng)汽車；化學(xué)工業(yè):反應(yīng)器、熱交換器、吸收塔、冷卻器等；醫(yī)療領(lǐng)域:骨骼整補(bǔ)等嵌入材料。2023/2/5

鈦合金是20世紀(jì)出現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)材料。它具有密度小、強(qiáng)度高、耐高溫和耐腐蝕等特點(diǎn)，且資源豐富，已成為航天、化工等部門廣泛應(yīng)用的材料α鈦合金塑性差，且不能熱處理強(qiáng)化.β鈦合金主加元素是Cr、Mo、V等元素及少量鋁。主要是時(shí)效硬化，因其明顯的缺點(diǎn)，應(yīng)用受到一定的限制α+β鈦合金是目前最重要的鈦合金。同時(shí)加入α穩(wěn)定元素和β穩(wěn)定元素，使α和β同時(shí)得到強(qiáng)化。力學(xué)性能變化范圍較寬，可以適應(yīng)各種用途，約占航空工業(yè)使用的鈦合金70％以上。小結(jié)2023/2/51．對(duì)于α+β兩相鈦合金，可采用下述熱處理方法強(qiáng)化_______。a．再結(jié)晶退火b．淬火回火c．淬火時(shí)效d．上述方法都不能強(qiáng)化2.根據(jù)退火組織，鈦合金分為哪三類？3.Ti6Al4V屬于哪一類鈦合金？合金中Al和V對(duì)組織各有何作用？4.為什么在幾乎所有的鈦合金中，均有一定含量的合金元素鋁？為什么鋁的加入量都控制在6-7%以下？5.為什么國(guó)內(nèi)外目前應(yīng)用最廣泛的鈦合金是Ti-Al-V系的Ti-6Al-4V即TC4合金？6.簡(jiǎn)述鋁和錫在α鈦合金中的作用。α穩(wěn)定型合金是鈦與哪些元素形成的合金？2023/2/57.說明下列符號(hào)的物理意義TA7；TC4；TB2；8.根據(jù)鈦合金在退火狀態(tài)的相組成可分為

，

，

型鈦合金，分別以

,

,

表示。9.鈦合金淬火時(shí)會(huì)得到

，

組織。10.

鈦合金是發(fā)展高強(qiáng)鈦合金潛力最大的合金。2023/2/5測(cè)試題1．下列是什么鋼種？使用狀態(tài)組織？