金屬材料-6 鈦合金課件

1、第七章 鈦及鈦合金一、鈦及鈦合金的基本狀況二、鈦的分類與牌號三、鈦的合金化四、鈦合金相變分析及熱處理特點五、工業(yè)鈦合金六、鈦合金的發(fā)展一、鈦及鈦合金的基本狀況 1. 簡介 2. 產量與用量 3. 基本性能1. 簡介 鈦是20世紀50年代初走向工業(yè)化生產的一種重要金屬。 鈦性質優(yōu)良，儲量豐富。從工業(yè)價值和資源壽命的發(fā)展前景看，它僅次于鐵、鋁而被譽為正在崛起的“第三金屬”。 鈦是一種對社會經濟和國防具有重要戰(zhàn)略意義的稀有金屬。 鈦具有許多重要的特性，如密度低、比強度高、耐腐蝕、線膨脹系數低、導熱率低、無磁性、生理相容性好、表面可飾性強，具有儲氫、超導、形狀記憶、超彈和高阻尼等特殊功能。它既是優(yōu)質的

2、輕型耐腐蝕的結構材料，又是新型的功能材料以及重要的生物醫(yī)用材料。航空航天器常用：壓力容器、貯箱、發(fā)動機殼體和噴管地殼中儲量豐富，僅次于鋁、鐵、鎂。強度與優(yōu)質鋼相近，但密度僅有4.5g/cm3，比強度最高高溫（400-500）性能較鋁合金、鎂合金好抗蝕性可與不銹鋼媲美，酸性介質中的耐蝕優(yōu)于不銹鋼生物相容性好，人造骨頭，關節(jié)、心臟起搏器等500 以上高溫下軟化 高溫化學性質活潑、熔煉困難、加工困難 用鎂熱法還原TiCl4生成海綿鈦2. 產量與用量世界海綿鈦年產量多年來都在6-10萬噸之間；鈦材的年產量多在5-6萬噸之間世界鈦的主要應用領域 加工材多為板、棒、線、管和鍛件我國鈦材產量及用途 我國鈦資

3、源已探明近10108噸TiO2，居世界第一。 海綿鈦產量超過4000噸/年，用量大于6000噸/年，屬進口國 預計2010年達到2萬噸的用量，成為世界第三(同美、日)與俄、美相比，品種少、規(guī)格不全大型主承力結構件用鈦合金基本為空白；缺少滿足使用要求的厚板；沒有航母用高強(1250MPa)、高韌、可焊、耐蝕的鈦合金(國外21S合金)我國：在武器裝備上應用范圍窄，用量小。殲8飛機上用Ti合金量為2%，我國核潛艇上只有幾噸。國外：l美國第三代戰(zhàn)機鈦合金用量達到20-25%，第四代戰(zhàn)機約35%。l 俄國阿爾法核潛艇的鈦合金用量高達上千噸。l民用客機用鈦合金不斷增加，第四代B757和空客A320分別達到

4、6%和4.5%；第五代B777和空客A340分別達到7%和6%；新一代B787和空客A380更分別達到15%和10%。我國鈦合金的狀況3. 基本性能 (1) 鈦的原子構造及晶體結構 (2) 鈦的電性能 (3) 鈦的熱性能 (4) 鈦的化學及腐蝕性能 (5) 鈦的力學性能兩個最為顯著的優(yōu)點 兩個最為顯著的優(yōu)點：比強度高和耐腐蝕性好比強度高和耐腐蝕性好。 使鈦在空中、陸地、海洋和外層空間都有廣泛的用途：包括航空航天、常規(guī)兵器、艦艇及海洋工程、核電及火力發(fā)電、化工與石油化工、冶金、建筑、交通、體育與生活用品等。 與鋼鐵及鋁合金等量大面廣的金屬材料相比，鈦及鈦合金的生產和應用的規(guī)模及發(fā)展依然存在一定的

5、限制因素，最重要的是制造加工過程比較復雜制造加工過程比較復雜而成本價格偏高成本價格偏高。 (1) 鈦的原子構造及晶體結構 原子序數22。外層電子為3d24s2，d電子層不充滿，過渡金屬。 鈦的相對原子質量是47.90，其主要的同位素相對原于質量有46，47，48，49，50，其相對原子質量為48的同位素在自然界中的相對含量最高，達到73.45。 純鈦的熔化溫度為16401670。 鈦有兩種同素異晶體即和，轉變溫度為882.5；低溫為相(hcp)，高溫相(bcc)。 -Ti在25時的點陣常數為a=0.29503nm，c=0.46831nm，c/a=1.5873；-Ti在25時的點陣常數為0.32

6、320nm。 純鈦的密度為4.50g/cm3。 (2) 鈦的電性能 鈦的過渡金屬原子構造決定了它具有高電阻。 由于氧、氮、碳、鐵等雜質對鈦的電阻影響很大，所以鈦的電阻測定分散性較大。 純度最高的碘法鈦的電阻率0.45.m。隨溫度增高比電阻增加。當發(fā)生轉變時，比電阻下降， 的平均比電阻率為0.16.m 。 當溫度接近絕對零度時，鈦具有超導性，但因冷作硬化和微量雜質的影響很大，故純鈦的超導物理數據的分散性較大。 (3) 鈦的熱性能 鈦和鈦合金的線膨脹系數約為8.29.110-6K。 比熱容比較低，其熱導率熱導率大約只是鋁及鋁合金熱導率的115，是鋼的15。(4) 鈦的化學及腐蝕性能 有很高的化學活

7、性，并隨溫度升高而急劇增強。鈦的活性表面鈦的活性表面在室溫就開始吸氫，在在室溫就開始吸氫，在300300時吸氫量加大時吸氫量加大。 鈦氧開始明顯發(fā)生作用的溫度是600；而與氮發(fā)生作用的溫度高于700 。 通過真空退火，幾乎可以完全除去氫，而氧、氮則不可能除去。 鈦在空氣介質中加熱時，會在表面生或一種既薄、致密而穩(wěn)定的氧化膜，它具有保護作用。 鈦在500以下的空氣中是穩(wěn)定的，在800 以上時，氧化膜要分解，氧原子會進入晶格從而使金屬變脆。 工業(yè)純鈦在不同溫度下的空氣介質中，加熱半小時后氧化膜的厚度不同，會出現不同顏色。溫度從低到高的順序為：銀白、黃色、紫色(650)、紅灰色、灰色。 熔融狀態(tài)的鈦

8、與已知的所有耐火材料都發(fā)生強烈反應熔融狀態(tài)的鈦與已知的所有耐火材料都發(fā)生強烈反應。(只與ThO2不反應) 劇烈的氧化能發(fā)生燃燒，干鈦粉的自燃溫度為300600。粉狀、海綿鈦、塵狀、細屑狀鈦很容易由于火星或一個小火苗而引起燃燒。 鈦的電位僅低于鎳基合金，有良好的抗電化學腐蝕性能。在與大多數金屬構成的原電池系統中，鈦及其合鈦及其合金的電位是屬于高價的正電位金的電位是屬于高價的正電位從而使與其接觸的其他金屬腐蝕。 (5) 鈦的力學性能 鈦中的雜質含量對鈦的力學性能影響很大，雜質含量增加，可以提高其強度而降低塑性。 最純的鈦用碘化法或電解方法獲得。氧、碳、氮是鈦中普遍存在的雜質，能提高鈦的強度而降低其

9、塑性。其中氮的影響最大，碳最小，而氧居中。高純鈦的基本力學性能抗拉強度/ MPa屈服強度/MPa延伸率/%斷面收縮率/%HV/MPa彈性模量/GPa250300 140190 5070768889105108(25 )75(550) 氫脆：在鈦中氫的含量達到一定數值后，將大大提高鈦對缺口的敏感性，而急劇降低缺口試樣的沖擊韌性等性能。 鈦中氫的含量應低于0.0070.008(質量分數)，而不允許高于0.01250.015(質量分數)，高于這個含量，在組織上將析出氫化物，并出現明顯的氫脆現象。 除氧、碳、氮外，對鈦的強度影響較大的元素是硼、鈹和鋁。 其他元素對鈦的強度影響不那么強烈，影響程度依次排

10、列為鉻、鈷、鈮、錳、鐵、釩和錫。 對鈦及其合金來說，氫脆是一個重要問題氫脆是一個重要問題。鈦容易從酸洗液、腐蝕液和熱加工的高溫氣氛中吸氫。 氫脆表現為兩種形式：對工業(yè)純鈦和合金，氫脆表現為塑性降低，而強度稍有增加，同時在低于93時合金沖擊韌性降低；另一種形式則類似于鋼的脆化，在恒載荷或持續(xù)載荷下，進行慢速拉伸試驗時出現的一種脆化現象。二、鈦的分類與牌號工業(yè)純鈦變形鈦合金1. 工業(yè)純鈦系 指具有不同的鐵、碳、氮、氧等雜質含量的非合金鈦。它不能進行熱處理強化。其成形性能優(yōu)異，并且易于熔焊和釬焊。 主要用于制造各種非承力件，長期工作溫度可達300。半成品有厚板、薄板、棒材、絲材、管材、鍛件和鑄件。

11、工業(yè)純鈦牌號有TA1、TA1-1、TA1ELI、TA2、TA2ELI、TA3、TA3ELI、TA4、TA4ELI。 ELI (Eextra Low Interstitial grades) 表示“超低間隙雜質級”工業(yè)純鈦的牌號與雜質含量合金牌號化學成分，%雜質，不大于FeCNHO其他元素單一總和TA1ELI0.100.030.0120.0080.100.050.20TA10.200.080.030.0150.180.100.40TA1-10.150.050.030.0030.12-0.10TA2ELI0.200.050.030.0080.100.050.20TA20.300.080.030.0

12、150.250.100.40TA3ELI0.250.050.040.0080.180.050.20TA30.300.080.050.0150.350.100.40TA4ELI0.300.050.050.0080.250.050.20TA40.500.080.050.0150.400.100.40GB/T 3620.120072. 變形鈦合金 (1) 經典的鈦合金分類方法，是指麥克格維綸于1956年提出的按照退火態(tài)相組成而進行分類的方法，即將鈦合金劃分為型(TA)、 +型(TC)、型(TB)鈦合金。 (2) 近50年來，隨著鈦合金研究與應用的迅速發(fā)展，特別是熱處理強化的鈦合金，經常遇到的是非平衡

13、態(tài)的組織，因此按照亞穩(wěn)定狀態(tài)的相組成進行鈦合金的分類更為可取。 根據鈦合金從相區(qū)淬火后的相組成與穩(wěn)定元素含量關系，可以將鈦合金劃分成以下六種類型： 型鈦合金；近型鈦合金；馬氏體 +型鈦合金； 近亞穩(wěn)定型鈦合金；亞穩(wěn)定型鈦合金；穩(wěn)定型鈦合金。淬火后的相組成與穩(wěn)定元素含量關系1) 型鈦合金：工業(yè)純鈦和只含穩(wěn)定元素2) 近型鈦合金：KMo c13) 馬氏體+型鈦合金：c1 KMo ck，簡稱 + 型4) 近亞穩(wěn)定型鈦合金 ：ck KMo c3，簡稱近型5) 亞穩(wěn)定型鈦合金：c3 KMo c，簡稱為全型KMo稱為穩(wěn)定元素含量各類鈦合金的主要特征以Ti-6Al-4V為準： 向右側，隨著穩(wěn)定元素的增加。合

14、金的成形能力、應變速率敏感性、熱處理強化效果和室溫強度不斷提高； 向左側，隨著穩(wěn)定元素的減少，合金的轉變溫度，流變應力，可焊性和高溫強度有所增加。型和近型合金牌號名義化學成分合金牌號名義化學成分TA5Ti-4Al-0.005BTA11Ti-8Al-1Mo-1VTA6Ti-5AlTA15Ti-6.5Al-1Mo-1V-2ZrTA28Ti-3AlTA15-1Ti-2.5Al-1Mo-1V-1.5ZrTA15-2Ti-4Al-1Mo-1V-1.5ZrTA17Ti-4Al-2VTA22Ti-3Al-1Mo-1Ni-1ZrTA18Ti-3Al-2.5VTA22-1Ti-3Al-0.5Mo-0.5Ni-0

15、.5ZrTA20Ti-4Al-3V-1.5ZrTA24Ti-3Al-2Mo-2ZrTA25Ti-3Al-2.5V-0.05PdTA24-1Ti-2Al-1.5Mo-2ZrTA26Ti-3Al-2.5V-0.1RuGB/T 3620.12007型和近型 有37個牌號，含TA系 34個，及TC1、TC2、TC20型和近型合金牌號名義化學成分合金牌號名義化學成分TA7Ti-5Al-2.5SnTA21Ti-1Al-1MnTA7ELITi-5Al-2.5SnELITC1Ti-2Al-1.5MnTA14Ti-2.3Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.2SiTC2Ti-4Al-1.5MnTA12Ti-5.5

16、Al-4Sn-2Zr-1Mo-1Nd-0.25SiTA12-1Ti-5.0Al-4Sn-2Zr-1.5Mo-1Nd-0.25Si TA10Ti-0.3Mo-0.8NiTA19Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1SiTA8Ti-0.05PdTA16Ti-2Al-2.5ZrTA8-1Ti-0.05PdTA23Ti-2.5Al-2Zr-1FeTA9-1Ti-0.2PdTA23-1Ti-2.5Al-2Zr-1FeTA13Ti-2.5CuTA27Ti-0.10RuTC20Ti-6Al-7NbTA27-1Ti-0.10Ru馬氏體+型鈦合金牌號名義化學成分牌號名義化學成分TC3Ti-5Al-4VTC

17、15 Ti-5Al-2.5FeTC4Ti-6Al-4VTC16 Ti-3Al-5Mo-4.5VTC4ELITi-6Al-4VELITC17 Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4CrTC6Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si TC18 Ti-5Al-4.75Mo-4.75v-1Cr-1FeTC8Ti-6.5Al-3.5Mo-0.25SiTC19 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6MoTC9Ti-6.5Al-3.5Mo-2.5Sn-0.3SiTC10Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5FeTC21 Ti-13Nb-13ZrTC11Ti-6.5Al-3.5Mo-1

18、.5Zr-0.3SiTC22 Ti-6Al-4V-0.05PdTC12Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Zr-2Sn-1NbTC23 Ti-6Al-4V-0.1Ru馬氏體+型鈦合金有TC系 17個牌號近與型鈦合金牌號名義化學成分牌號名義化學成分TB2Ti-5Mo-5V-8Cr-3AlTB6Ti-10V-2Fe-3AlTB3Ti-3.5Al-10Mo-8V-1FeTB7Ti-32MoTB4Ti-4Al-7Mo-10V-2Fe-1ZrTB8Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25SiTB5Ti-15V-3Al-3Cr-3SnTB9Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr近與型有TB系 8個牌號

19、,其中TB7為型主要鈦合金的相對位置強度水平和顯微組織的變化規(guī)律在臨近成分Ckp附近的合金具有最細最均勻的顯微組織和最高的強度等級其他分類方法按照性能特點，鈦合金又可以分為結構鈦合金、熱強鈦合金、耐腐蝕鈦合金和功能鈦合金四大類按照應用領域，鈦合金可分為航空航天用鈦合金和非航空航天用鈦合金兩大類合金化：三大類元素 提高轉變溫度、擴大區(qū)且在中大量固溶-穩(wěn)定元素 降低轉變點、擴大區(qū)且在中大量固溶-穩(wěn)定元素 對轉變溫度影響小，在、均大量溶解-中性元素TTiAl, O, N, C 穩(wěn)定TTiTTi共析型穩(wěn)定H, Mn, Fe, CoNi, Cu, Si同晶型穩(wěn)定V, Nb, Ta, Mo, Re, Cr

20、, W 中性:Zr, Sn, HfTTi三、鈦的合金化相穩(wěn)定元素和中性元素主要對-Ti進行固溶強化。相穩(wěn)定元素對-Ti也有固溶強化作用。改變和相的組成量，從而控制鈦合金的性能，該類元素是可熱處理強化鈦合金中不可缺少的。 型鈦合金主要加入元素是Al，其次是中性元素Sn和Zr，起固溶強化作用起固溶強化作用。在退火狀態(tài)下的室溫組織是單相固溶體。型鈦合金的牌號與工業(yè)純鈦相同，均劃入TA系列。型鈦合金不能進行熱處理強化不能進行熱處理強化，熱處理對于它們只是為了消除應力或消除加工硬化。 +型鈦合金的退火組織為+。合金同時含有相穩(wěn)定元素和相穩(wěn)定元素。組織以相為主，相的數量通常不超過30%。合金可通過淬火及時

21、效進行強化淬火及時效進行強化，多在退火狀態(tài)下使用。+型鈦合金的室溫強度和塑性高于型鈦合金，生產工藝比較簡單，通過改變成分和選擇熱處理制度又能在很寬的范圍內改變合金的性能，應用比較廣泛，尤以TC4用途最廣，用量最多。 型鈦合金以TB加順序號表示其合金的牌號。合金加入了大量的多組元相穩(wěn)定元素，同時還加入相穩(wěn)定元素Al。應用的型鈦合金主要為亞穩(wěn)定的鈦合金，退火狀態(tài)為+兩相組織，將其加熱到單相區(qū)后淬火，因相來不及析出而得到的過飽和的相，稱為亞穩(wěn)相。 該類合金塑性好，易于冷加工成形，成形后可通過時效處理，使強度提高； 該類合金的淬透性高； 化學成分偏析嚴重，實際應用的以TB2為主 1 鈦合金熱處理應注意

22、的問題(1) 脆性：加熱溫度不超過/邊界，因為粗化、在組織中呈粗、長片狀析出，形成魏氏組織。(2) 導熱性差：變形開裂、淬透性差，限制熱處理。淬火時效用的少，主要為退火（退火時斷裂韌性提高）(3) 高的化學活性、吸氫傾向大：加熱時應防止氧化和吸氫四、鈦合金相變分析及熱處理特點2 鈦合金的退火無均勻化退火，主要是基于回復和再結晶的退火，另外還伴隨有相變重結晶。(1) 簡單退火：在低于再結晶開始溫度40退火，獲得多邊形化組織，基本消除加工硬化。(2) 等溫退火：先加熱到再結晶溫度(900)以上，再轉入較低溫度保溫(600)，空冷，獲得高塑性和穩(wěn)定組織(3) 雙重退火：與(2)基本同，第一段加熱后冷

23、至室溫，再升溫，以獲得更高的塑性和斷裂韌性。(2)(3)主要用于+型(4) 不完全退火：去應力退火(5) 退火：一般不用，TC4合金經退火后，析出針狀相，韌性和屈服強度提高1：六方馬氏體、稍高強、針2：斜方馬氏體、軟但可時效3：+/4：六方、硬脆性相、顆粒、塑性低5：過飽和的（固溶處理）13452MfMs TTi穩(wěn)定元素含量3 鈦合金淬火時形成的亞穩(wěn)相-區(qū)淬火五、工業(yè)鈦合金 1、工業(yè)純鈦 2、TA12鈦合金 3、TC4鈦合金(1) 基本特征含Ti量高于99%，可直接作結構材料，TAx885OC時多型性轉變；1672OC熔化導電、導熱率低彈性模量只約Fe、Ni的一半，不利于結構剛度活潑，但室溫生

24、成致密氧化膜， 600以下防氧化在HF、H2SO4、HCl、正磷酸和某些有機酸中易被腐蝕高溫下，鈦與除惰性氣體以外的所有氣體反應，熔體只與ThO2不反應（熔煉用坩鍋？）（熔煉用坩鍋？）1、工業(yè)純鈦(2) 顯微組織從相區(qū)緩冷為單一組織；快冷(200/s)發(fā)生馬氏體相變，獲得針狀組織；從+相區(qū)快冷，會獲得不同比例的+組織。(3)熔煉與鑄造工藝兩次以上真空自耗電弧爐熔煉(4)熱變形工藝10001050鑄錠開坯，每火4050%；900950毛坯鍛造，3040%變形量，終鍛溫度高于650，其后815(低于轉變溫度95)(5) 組織與力學性能： 區(qū)加工退火獲得等軸晶 區(qū)深沖時， 從中呈針狀析出，強度增加而

25、塑性降低 區(qū)淬火(很少采用)得到針狀馬氏體，強度升高但不穩(wěn)定 工業(yè)純鈦的強度隨雜質量提高，TA3與調制鋼水平接近 高溫下，強度迅速下降（污染變脆） 屈強比0.2/b=0.7-0.9，回彈大，不利于冷加工 疲勞強度高、耐磨性差、摩擦系數大 工業(yè)純鈦多為板、棒產品，制造350以下工作的零件 飛機蒙皮、隔熱板等2、TA12鈦合金 Ti-5.5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.25Si-1Nd合金，是一種稀土Nd強化的綜合性能良好的近熱強鈦合金。 長時間工作溫度可達550，用于航空發(fā)動機高壓段的壓氣機盤、鼓筒和葉片等零件。 室溫平衡組織為和相，還有富Nd稀土相，硅化物和Ti3X相 采用雙重退火、三重退

26、火或去應力退火TA12的基本力學性能3、TC4鈦合金 TC4(Ti一6Al一4V)鈦合金是由美國于1954年研制成功的Ti-Al-V系+型鈦合金，含有6%的穩(wěn)定元素Al和4的穩(wěn)定元素V； 鋁當量為7.0，鉬當量為2.9，退火狀態(tài)含1015 相； Al在Ti-Al-V系中通過固溶強化相提高合金的室溫強度和熱強性能； V是鈦合金中既提高強度又改善塑性的少數合金元素之一。V對鈦合金塑性的有利影響，是因為它不像大多數合金元素那樣增大鈦晶格c/a軸的比值，而是減小該比值，從而提高相的塑性變形能力。此外，V還能抑制2超結構相的形成，避免在長時間使用過程中出現合金脆化。優(yōu)異的綜合性能和良好的工藝特性。具有中等的室溫和高溫強度，良好的蠕變抗力和熱穩(wěn)定性，較高的疲勞性能和海水中的裂紋擴展抗力，以及滿意的斷裂韌性和熱鹽應力腐蝕性能，對氫的敏感性也比TC2、TCl合金為小，適于制造從-196450溫度范圍內工作的各種零件，