鈦合金及其熱處理工藝簡述

鈦合金及其熱處理工藝簡述寶雞鈦業(yè)股份有限公司：楊新林摘要：本文對鈦及其合金的基本信息進(jìn)行了簡要介紹，對鈦的幾類固溶體劃分進(jìn)行了簡述，對鈦合金固態(tài)相變也進(jìn)行了概述。重點概述了鈦合金的熱處理類型及工藝，為之后生產(chǎn)實習(xí)中對鈦合金的熱處理工藝認(rèn)識提供指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：鈦合金，熱處理1引言鈦在地殼中的蘊(yùn)藏量位于結(jié)構(gòu)金屬的第四位,但其應(yīng)用遠(yuǎn)比銅、鐵、錫等金屬滯后。鈦合金中溶解的少量氧、氮、碳、氫等雜質(zhì)元素,使其產(chǎn)生脆性,從而妨礙了早期人們對鈦合金的開發(fā)和利用。直至二十世紀(jì)四五十年代,隨著英、美及蘇聯(lián)等國鈦合金熔煉技術(shù)的改進(jìn)和提高,鈦合金的應(yīng)用才逐漸開展[5]。純鈦的熔點為1668℃,高于鐵的熔點。鈦在固態(tài)下具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,在℃以上為體心立方晶格的β相,在℃以下為密排六方晶格的α相。鈦合金根據(jù)其退火后的室溫組織類型進(jìn)行分類,退火組織為α相的鈦合金記為TAX,也稱為α型鈦合金；退火組織為β相的鈦合金記為TBX,也稱為β型鈦合金；退火組織為α+β兩相的鈦合金記為TCX,也稱為α+β型鈦合金,其中的“X”為順序號。我國目前的鈦合金牌號已超過50個,其中TA型26個,TB型8個以上,TC型15個以上[5]。鈦合金具有如下特點：（1）與其他的合金相比,鈦合金的屈強(qiáng)比很高,屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度極為接近；（2）鈦合金的密度為4g/cm3,大約為鋼的一半,因此,它具有較高的比強(qiáng)度；（3）鈦合金的耐腐蝕性能優(yōu)良,在海水中其耐蝕性甚至比不銹鋼還要好；（4）鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)小,摩擦系數(shù)大,因而機(jī)械加工性不好；（5）在焊接時,鈦合金焊縫金屬和高熱影響區(qū)容易被氧、氫、碳、氮等元素污染,使接頭性能變壞。在熔煉和各種加工過程完成之后,為了消除材料中的加工應(yīng)力，達(dá)到使用要求的性能水平，穩(wěn)定零件尺寸以及去除熱加工或化學(xué)處理過程中增加的有害元素(例如氫)等,往往要通過熱處理工藝來實現(xiàn)。鈦合金熱處理工藝大體可分為退火、固溶處理和時效處理三個類型。由于鈦合金高的化學(xué)活性,鈦合金的最終熱處理通常在真空的條件下進(jìn)行。熱處理是調(diào)整鈦合金強(qiáng)度的重要手段之一。2鈦合金的合金化特點鈦合金的性能由Ti同合金元素間的物理化學(xué)反應(yīng)特點來決定，即由形成的固溶體和化合物的特性以及對α?β轉(zhuǎn)變的影響等來決定。而這些影響又與合金元素的原子尺寸、電化學(xué)性質(zhì)（在周期表中的相對位置）、晶格類型和電子濃度等有關(guān)。但作為Ti合金與其它有色金屬如Al、Cu、Ni等比較，還有其獨有的特點，如：（1）利用Ti的α?β轉(zhuǎn)變，通過合金化和熱處理可以隨意得到α、α+β和β相組織；（2）Ti是過渡族元素，有未填滿的d電子層，能同原子直徑差位于±20％以內(nèi)的置換式元素形成高濃度的固溶體；（3）Ti及其合金在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熔點的溫度中能同O、N、H、C等間隙式雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使性能發(fā)生強(qiáng)烈的改變；（4）Ti同其它元素能形成金屬鍵、共價鍵和離子鍵固溶體和化合物。Ti合金合金化的主要目的是利用合金元素對α或β相的穩(wěn)定作用，來控制α和β相的組成和性能。各種合金元素的穩(wěn)定作用又與元素的電子濃度（價電子數(shù)與原子的比值）有密切關(guān)系，一般來說，電子濃度小于4的元素能穩(wěn)定α相，電子濃度大于4的元素能穩(wěn)定β相，電子濃度等于4的元素，既能穩(wěn)定α相，也能穩(wěn)定β相。工業(yè)用Ti合金的主要合金元素有Al、Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu和Si等，按其對轉(zhuǎn)變溫度的影響和在α或β相中的固溶度可以分為三大類：α穩(wěn)定元素、β穩(wěn)定元素、中性元素[6,7]。α穩(wěn)定元素能提高相變點，在α相中大量溶解和擴(kuò)大α相區(qū)。例如鋁、鎵、硼、碳、氧、氮等。這其中,鋁在配制合金中得到了廣泛的應(yīng)用。鋁的固溶強(qiáng)化效果最顯著,還可提高合金的高溫強(qiáng)度,提高α+β型合金的時效能力,改善合金抗氧化性,減小合金密度,提高彈性模量。β穩(wěn)定元素能降低相變溫度，在β相中大量溶解和擴(kuò)大β相區(qū)。其中鋁、釩、鈮、鉭、鎢等屬于β同晶型的,在β鈦中可以無限固溶,而鐵、錳、鈷、鎳、銅、硅等,在β鈦中只形成有限的固溶體,在含量相同時,它們的固溶強(qiáng)化效果大于同晶型β穩(wěn)定元素的固溶強(qiáng)化效果。就氧而言,Ti-6Al-4V(TC4)根據(jù)碳、氧、氮、氫等元素含量的不同有工業(yè)級(含氧%~%wt)和ELI級(超低間隙,含氧%~%wt)。因為氧元素為α穩(wěn)定元素,使得合金的β轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生變化,對工業(yè)級而言,為1010~1020℃,對ELI級為970~980℃[8]。中性元素在實用含量范圍內(nèi),對p相向a相的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度的影響不大，在α和β相中均能大量溶解或完全互溶。中性元素主要有錫、鋯、鉿。α穩(wěn)定型二元相圖、β穩(wěn)定型二元相圖及β共析型二元相圖分別如圖1~圖3。3鈦合金固態(tài)相變純Ti的β→α轉(zhuǎn)變，是體心立方晶格向密排六方晶格的轉(zhuǎn)變，完全符合Burgers的取向關(guān)系：(110)β莫畏，王群驕，等.鈦的金屬學(xué)和熱處理.北京.冶金工業(yè)出版社.2009趙永慶,洪權(quán),葛鵬.鈦及鈦合金金相圖譜.長沙.中南大學(xué)出版社.2011,6英.鄧肯、.漢森著.欽應(yīng)用與選擇(周光爵,王桂生等譯).北京:冶金工業(yè)出版社,~2.國家技術(shù)監(jiān)督局.GBT/一1994.欽及欽合金牌號和化學(xué)成分.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1994.利索娃EA.欽合金金相學(xué).北京:國防工業(yè)出版社,1986.王金友,葛志明,周彥邦.航空用欽合金.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1985.孫毓蔚.Ti6Al-4V合金加工.欽工業(yè)進(jìn)展,2001,(