鈦合金及其應(yīng)用_第1頁
鈦合金及其應(yīng)用_第2頁
鈦合金及其應(yīng)用_第3頁
鈦合金及其應(yīng)用_第4頁
鈦合金及其應(yīng)用_第5頁
已閱讀5頁,還剩106頁未讀 繼續(xù)免費(fèi)閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請(qǐng)進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)

文檔簡(jiǎn)介

1、引言:鈦合金的發(fā)現(xiàn)和命名 1791年,英國(guó)礦物學(xué)家和化學(xué)家William Gregor首次發(fā)現(xiàn)了鈦元素的存在。四年以后,德國(guó)柏林化學(xué)家Martin Klaproth獨(dú)立地分解出了氧化鈦。希臘神話中Uranos和Gaia的孩子們Titan兄弟的故事賦予了Martin Klaproth靈感,將其命名為鈦(Titanium, Ti) . Titan兄弟遭到他們父親的極端憎恨,被監(jiān)禁在地殼中,Martin Klaproth以此來形容提煉鈦礦石的困難程度。后人花了一百多年的時(shí)間才分解出純金屬鈦。目前使用最廣泛的Ti-6Al-4V合金,是在20世紀(jì)40年代晚期由美國(guó)開發(fā)出來的。現(xiàn)在,人們已經(jīng)開發(fā)出了大量的

2、鈦合金,從而開辟了輕合金在許多工業(yè)領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用的新局面。目錄目錄1 鈦資源及鈦產(chǎn)品的冶煉生產(chǎn)鈦資源及鈦產(chǎn)品的冶煉生產(chǎn)2 工業(yè)純鈦工業(yè)純鈦3 鈦合金及合金化原理鈦合金及合金化原理4 鈦合金的相變及熱處理鈦合金的相變及熱處理5 鈦合金的高溫性能鈦合金的高溫性能6 鈦及鈦合金的加工和制品生產(chǎn)鈦及鈦合金的加工和制品生產(chǎn)7 粉末冶金鈦及鈦合金復(fù)合材料粉末冶金鈦及鈦合金復(fù)合材料8 鈦及鈦合金的腐蝕性能鈦及鈦合金的腐蝕性能9 鈦合金的應(yīng)用鈦合金的應(yīng)用鈦資源及鈦產(chǎn)品的冶煉生產(chǎn)鈦資源及鈦產(chǎn)品的冶煉生產(chǎn) 提取金屬鈦的主要原料含鈦礦石,根據(jù)其形成的過程,主提取金屬鈦的主要原料含鈦礦石,根據(jù)其形成的過程,主要分

3、為巖礦和砂礦兩大類:要分為巖礦和砂礦兩大類:巖礦:原生礦,結(jié)構(gòu)比較致密,儲(chǔ)量較大,但多復(fù)合共生巖礦:原生礦,結(jié)構(gòu)比較致密,儲(chǔ)量較大,但多復(fù)合共生物,所以鈦礦物的品味較低,提取難度較大。主要出現(xiàn)在北物,所以鈦礦物的品味較低,提取難度較大。主要出現(xiàn)在北半球,如:中國(guó),美國(guó),加拿大,俄羅斯等國(guó)家。半球,如:中國(guó),美國(guó),加拿大,俄羅斯等國(guó)家。砂礦:次生礦,結(jié)構(gòu)比較疏松,由于多年的風(fēng)化和水流的砂礦:次生礦,結(jié)構(gòu)比較疏松,由于多年的風(fēng)化和水流的沖刷,礦物相對(duì)富集,品味較高。主要出現(xiàn)在南半球,如:沖刷,礦物相對(duì)富集,品味較高。主要出現(xiàn)在南半球,如:澳大利亞,新西蘭,肯尼亞,莫桑比亞,印度等國(guó)家。澳大利亞,新

4、西蘭,肯尼亞,莫桑比亞,印度等國(guó)家。 需要特別指出的是,我國(guó)攀枝花需要特別指出的是,我國(guó)攀枝花-西昌地區(qū)蘊(yùn)藏著極為豐西昌地區(qū)蘊(yùn)藏著極為豐富的釩鈦磁鐵礦,開發(fā)和合理利用它,對(duì)于發(fā)展我國(guó)的鈦工富的釩鈦磁鐵礦,開發(fā)和合理利用它,對(duì)于發(fā)展我國(guó)的鈦工業(yè)意義重大。業(yè)意義重大。富鈦料:是指鐵鈦礦等鈦精礦(選礦后獲得)經(jīng)過富集處理富鈦料:是指鐵鈦礦等鈦精礦(選礦后獲得)經(jīng)過富集處理后獲得的含鈦品位較高的物料,其后獲得的含鈦品位較高的物料,其TiO2含量一般大于含量一般大于85%(質(zhì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。主要包括人造金紅石和高鈦渣。量分?jǐn)?shù))。主要包括人造金紅石和高鈦渣。背景:鈦產(chǎn)品主要分為兩類:海綿鈦和鈦白粉。隨著金紅

5、石背景:鈦產(chǎn)品主要分為兩類:海綿鈦和鈦白粉。隨著金紅石和高品味鈦鐵礦的大量開采和使用,其資源已逐漸枯竭,而社和高品味鈦鐵礦的大量開采和使用,其資源已逐漸枯竭,而社會(huì)對(duì)鈦產(chǎn)品的需求量有增無減,這迫使人們?nèi)ダ弥?、低品位?huì)對(duì)鈦產(chǎn)品的需求量有增無減,這迫使人們?nèi)ダ弥?、低品位含鈦礦物。這些礦物含鈦礦物。這些礦物TiO2含量低,含大量雜質(zhì),無法適應(yīng)現(xiàn)行含量低,含大量雜質(zhì),無法適應(yīng)現(xiàn)行的海綿鈦和鈦白粉生產(chǎn)工藝,因此,生產(chǎn)中需要將含鈦礦物作的海綿鈦和鈦白粉生產(chǎn)工藝,因此,生產(chǎn)中需要將含鈦礦物作進(jìn)一步富集處理,成為富鈦料。進(jìn)一步富集處理,成為富鈦料。原理:鈦鐵礦成分復(fù)雜,理論分子式為原理:鈦鐵礦成分復(fù)雜,理

6、論分子式為FeTiO3,它實(shí)際上,它實(shí)際上是是FeO-TiO2組成的固溶體,屬于一般的剛玉結(jié)構(gòu)。在與某種組成的固溶體,屬于一般的剛玉結(jié)構(gòu)。在與某種試劑作用時(shí),由于鐵的氧化物比鈦的氧化物更活潑,更容易試劑作用時(shí),由于鐵的氧化物比鈦的氧化物更活潑,更容易與試劑反應(yīng)而被去除,而鈦的氧化物比較穩(wěn)定,往往被富集與試劑反應(yīng)而被去除,而鈦的氧化物比較穩(wěn)定,往往被富集在殘?jiān)小T跉堅(jiān)小?基于此,在生產(chǎn)富鈦料的工藝中一般都需對(duì)鈦鐵礦進(jìn)行預(yù)基于此,在生產(chǎn)富鈦料的工藝中一般都需對(duì)鈦鐵礦進(jìn)行預(yù)氧化處理,即利用氧氣或空氣預(yù)先將鈦鐵礦中的氧化處理,即利用氧氣或空氣預(yù)先將鈦鐵礦中的Fe2+氧化成氧化成Fe3+,這樣有利于

7、提高鈦鐵礦的還原性。(見下頁,圖,這樣有利于提高鈦鐵礦的還原性。(見下頁,圖1-1)以火法為主:多見于以火法為主:多見于巖礦,比較成熟,包括巖礦,比較成熟,包括電爐熔煉法、選擇氯化電爐熔煉法、選擇氯化法、等離子法等;法、等離子法等;以濕法為主:多見于砂以濕法為主:多見于砂礦,包括各種各樣的酸、礦,包括各種各樣的酸、堿浸出法。堿浸出法。工藝工藝電爐熔煉法電爐熔煉法特點(diǎn):工藝成熟,簡(jiǎn)單,三廢特點(diǎn):工藝成熟,簡(jiǎn)單,三廢少,但能耗大。少,但能耗大。主要工藝:以無煙煤或石油焦主要工藝:以無煙煤或石油焦作還原劑,與鈦鐵礦粉經(jīng)過混捏、作還原劑,與鈦鐵礦粉經(jīng)過混捏、造球,然后在礦熱式電弧爐內(nèi)造球,然后在礦熱式

8、電弧爐內(nèi)16001800高溫下進(jìn)行還原熔高溫下進(jìn)行還原熔煉。煉。產(chǎn)物:凝聚態(tài)的金屬鈦和鈦渣產(chǎn)物:凝聚態(tài)的金屬鈦和鈦渣(TiO2含量含量90%)。主要副產(chǎn))。主要副產(chǎn)品為金屬鐵和電爐煤氣。品為金屬鐵和電爐煤氣。酸浸法酸浸法特點(diǎn):有效除雜,但三廢量特點(diǎn):有效除雜,但三廢量大,副流程復(fù)雜。大,副流程復(fù)雜。主要工藝:先對(duì)鈦鐵礦進(jìn)行主要工藝:先對(duì)鈦鐵礦進(jìn)行不同程度的還原,然后用酸作不同程度的還原,然后用酸作浸出劑,浸出鈦鐵礦中的還原浸出劑,浸出鈦鐵礦中的還原產(chǎn)物,制取人造金紅石。典型產(chǎn)物,制取人造金紅石。典型發(fā)法有石原法、發(fā)法有石原法、Benilite法、法、Murso法。法。產(chǎn)物:產(chǎn)物:TiO2含量為

9、含量為90%96% 的高品位人造金紅石。的高品位人造金紅石。 選擇氯化法選擇氯化法特點(diǎn):生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了氯氣的再特點(diǎn):生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了氯氣的再生利用,對(duì)廢氣也進(jìn)行了再氧化,生利用,對(duì)廢氣也進(jìn)行了再氧化,這樣減輕了環(huán)境污染,并降低了成這樣減輕了環(huán)境污染,并降低了成本。本。主要工藝:利用鈦鐵礦中鐵的氧主要工藝:利用鈦鐵礦中鐵的氧化物更易于與氯氣反應(yīng),通過條件化物更易于與氯氣反應(yīng),通過條件的控制來實(shí)現(xiàn)鐵與鈦的分離制取的控制來實(shí)現(xiàn)鐵與鈦的分離制取TiCl4,以生產(chǎn)人造金紅石。,以生產(chǎn)人造金紅石。產(chǎn)物:人造金紅石產(chǎn)物:人造金紅石鈦白粉:化學(xué)式鈦白粉:化學(xué)式TiO2,晶型有銳鈦型(,晶型有銳鈦型(A-TiO2

10、)和金紅)和金紅石型(石型(R-TiO2)兩種工業(yè)產(chǎn)品。它是最好的白色顏料,還)兩種工業(yè)產(chǎn)品。它是最好的白色顏料,還是塑料、造紙業(yè)的重要原料。是塑料、造紙業(yè)的重要原料。生產(chǎn)方法:生產(chǎn)方法:硫酸法:既能生產(chǎn)金紅石型鈦白粉也能生產(chǎn)銳鈦型鈦白粉,硫酸法:既能生產(chǎn)金紅石型鈦白粉也能生產(chǎn)銳鈦型鈦白粉,為傳統(tǒng)工藝,廢料(硫酸亞鐵)處理問題尚未很好解決。為傳統(tǒng)工藝,廢料(硫酸亞鐵)處理問題尚未很好解決。氯化法:只能生產(chǎn)金紅石型鈦白粉,目前世界上氯化法:只能生產(chǎn)金紅石型鈦白粉,目前世界上60% 以上以上的鈦白粉由此種發(fā)法生產(chǎn),正在不斷取代。的鈦白粉由此種發(fā)法生產(chǎn),正在不斷取代。鎂熱還原法鎂熱還原法 TiCl4

11、和和Mg在在800-900度真空反應(yīng)度真空反應(yīng)TiCl4 電解法電解法TiO2電解還原電解還原 陰極還原驅(qū)趕陰極還原驅(qū)趕TiO2中的氧中的氧物理性質(zhì):純鈦是銀白色金屬,位于周期表物理性質(zhì):純鈦是銀白色金屬,位于周期表B族。族。表表2-1 鈦的基本物理性能數(shù)據(jù)鈦的基本物理性能數(shù)據(jù)4.505(20 ) ,4.35(870 ) ,4.32(900 ),約為綱的約為綱的57%比密度比密度/g/cm3相變潛熱:相變潛熱:3.47KJ/mol, 相變溫度相變溫度:882 , 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):(hcp), (bcc) -TiTi相變相變16685(屬難熔金屬)(屬難熔金屬)溶化溫度溶化溫度/0.145原子半徑原子

12、半徑47.9相對(duì)原子量相對(duì)原子量數(shù)值數(shù)值名稱名稱0.5超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度K22.08,只有鐵的只有鐵的1/4,是銅的是銅的1/7熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率/W/(mK)力學(xué)性能:力學(xué)性能:兼有鋼(強(qiáng)度高)和鋁(質(zhì)地輕)的優(yōu)點(diǎn)。高純鈦具有良兼有鋼(強(qiáng)度高)和鋁(質(zhì)地輕)的優(yōu)點(diǎn)。高純鈦具有良好的塑性,但雜質(zhì)含量超過一定時(shí),變得硬而脆。工業(yè)純鈦好的塑性,但雜質(zhì)含量超過一定時(shí),變得硬而脆。工業(yè)純鈦(99.5%)與高純鈦(與高純鈦(99.9%)相比強(qiáng)度明顯提高,而塑性顯著降)相比強(qiáng)度明顯提高,而塑性顯著降低。低。 工業(yè)純鈦在冷變形過程中,具有極高的冷加工硬化效應(yīng),沒工業(yè)純鈦在冷變形過程中,具有極高的冷加工硬化效

13、應(yīng),沒有明顯的屈服點(diǎn),其屈服強(qiáng)度與強(qiáng)度極限接近。有明顯的屈服點(diǎn),其屈服強(qiáng)度與強(qiáng)度極限接近。由于鈦的屈強(qiáng)比較高,彈性模量小(約為鐵的由于鈦的屈強(qiáng)比較高,彈性模量小(約為鐵的54%),成),成形時(shí)回彈量大,冷成形困難。這使得鈦合金能作為彈性材料使形時(shí)回彈量大,冷成形困難。這使得鈦合金能作為彈性材料使用。但是高彈鈦合金多屬用。但是高彈鈦合金多屬(或近(或近 )合金,具有六方結(jié)構(gòu),)合金,具有六方結(jié)構(gòu),其物理性能呈現(xiàn)強(qiáng)的各向異性,如彈性模量繞軸呈對(duì)稱分布,其物理性能呈現(xiàn)強(qiáng)的各向異性,如彈性模量繞軸呈對(duì)稱分布,軸方向的彈性模量為軸方向的彈性模量為14313GPa,底面各取向的彈性模量為,底面各取向的彈性

14、模量為10414GPa,這對(duì)合金的設(shè)計(jì)和使用有影響。,這對(duì)合金的設(shè)計(jì)和使用有影響。化學(xué)性能:化學(xué)性能:鈦的耐腐蝕性很好,雖然鈦是一種非常活潑的金屬,其鈦的耐腐蝕性很好,雖然鈦是一種非?;顫姷慕饘伲淦胶怆娢缓艿?,在介質(zhì)中的熱力學(xué)腐蝕傾向大,但是因?yàn)殁伷胶怆娢缓艿?,在介質(zhì)中的熱力學(xué)腐蝕傾向大,但是因?yàn)殁伜脱醯挠H和力大,在空氣或含氧介質(zhì)中,鈦表面生成一層致和氧的親和力大,在空氣或含氧介質(zhì)中,鈦表面生成一層致密、附著力強(qiáng)、惰性大的氧化膜,保護(hù)了鈦基體不受腐蝕,密、附著力強(qiáng)、惰性大的氧化膜,保護(hù)了鈦基體不受腐蝕,即使受到機(jī)械磨損,也會(huì)很快自愈或再生,這表明鈦是具有即使受到機(jī)械磨損,也會(huì)很快自愈或再生,

15、這表明鈦是具有強(qiáng)烈鈍化傾向的金屬。強(qiáng)烈鈍化傾向的金屬。對(duì)海水的抗腐蝕性很強(qiáng)。對(duì)海水的抗腐蝕性很強(qiáng)。O, N, C :提高:提高 轉(zhuǎn)變溫度,擴(kuò)大轉(zhuǎn)變溫度,擴(kuò)大相區(qū),是穩(wěn)定相區(qū),是穩(wěn)定的元素。的元素。占據(jù)鈦原子間隙位置形成間隙固溶體,鈦晶格畸變阻礙位錯(cuò)占據(jù)鈦原子間隙位置形成間隙固溶體,鈦晶格畸變阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生固溶強(qiáng)化;同時(shí),鈦晶格的運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生固溶強(qiáng)化;同時(shí),鈦晶格的c軸增加多,軸增加多,a軸增加軸增加少,致使長(zhǎng)短軸比少,致使長(zhǎng)短軸比c/a增大,當(dāng)其接近理論值增大,當(dāng)其接近理論值1.633時(shí),鈦的滑時(shí),鈦的滑移系減少,從而塑性降低。因而需限制它們的含量。移系減少,從而塑性降低。因而需限制它們的含

16、量。:是穩(wěn)定:是穩(wěn)定相的元素相的元素鈦在鈦在400以上以上大量吸氫,會(huì)引大量吸氫,會(huì)引起氫脆。起氫脆。Fe, Si:與鈦形成置換:與鈦形成置換固溶體,過量時(shí)形成脆固溶體,過量時(shí)形成脆性化合物。性化合物。 純鈦的組織純鈦的組織,500:(a)等軸晶粒組織等軸晶粒組織 ;(b)條狀的條狀的組織組織;(c);(c)呈鋸齒狀晶界呈鋸齒狀晶界等軸晶粒組織等軸晶粒組織 :鑄錠經(jīng)加工變形后鑄錠經(jīng)加工變形后,在在相變點(diǎn)以下退火相變點(diǎn)以下退火, ,再再結(jié)晶后得到結(jié)晶后得到條狀的條狀的組織組織:緩冷時(shí)得到緩冷時(shí)得到呈鋸齒狀晶界呈鋸齒狀晶界:緩慢冷卻退火后或者快冷緩慢冷卻退火后或者快冷純鈦的變形特點(diǎn)純鈦的變形特點(diǎn)

17、變形模式變形模式:滑移滑移+孿生孿生. 滑移面滑移面:10-10,10-11,0001;滑移方向滑移方向:11-20. 低低溫變形和循環(huán)變形過程中溫變形和循環(huán)變形過程中,孿生顯著并對(duì)變形起到重要作用孿生顯著并對(duì)變形起到重要作用,純鈦多晶材料純鈦多晶材料的孿晶系的孿晶系:10-12,11-21和和11-2-2. 牌號(hào)牌號(hào):我國(guó)采用的是新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)采用的是新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),TA為為型鈦合金型鈦合金, ,數(shù)字表示合金的序號(hào)數(shù)字表示合金的序號(hào), ,序號(hào)增大序號(hào)增大鈦的純度降低鈦的純度降低. .性能性能:工業(yè)純鈦實(shí)質(zhì)上是一種低雜質(zhì)含量的鈦合金工業(yè)純鈦實(shí)質(zhì)上是一種低雜質(zhì)含量的鈦合金,其強(qiáng)度不高其強(qiáng)度不高,塑性

18、好塑性好,耐腐蝕性好耐腐蝕性好,抗氧化性優(yōu)抗氧化性優(yōu),但耐熱性較差但耐熱性較差.鈦合金二元相圖鈦合金二元相圖(歸納為歸納為4類類)鈦的二元系相圖鈦的二元系相圖:和和鈦形成連續(xù)互溶的相圖鈦形成連續(xù)互溶的相圖. .這這種二元系只有兩個(gè)種二元系只有兩個(gè), ,即即Ti-ZrTi-Zr和和Ti-HfTi-Hf系系. . Ti,Zr,Hf Ti,Zr,Hf在周期表中是同周期元素在周期表中是同周期元素, ,其外層電子構(gòu)造一樣其外層電子構(gòu)造一樣, ,點(diǎn)陣類型相同點(diǎn)陣類型相同, ,原子半徑相近原子半徑相近, ,故而這兩個(gè)元素在故而這兩個(gè)元素在和和鈦中的溶解能力相同鈦中的溶解能力相同,對(duì)對(duì)和和鈦的穩(wěn)定鈦的穩(wěn)定性影

19、響不大性影響不大. Zr常作為熱強(qiáng)鈦合金的組元常作為熱強(qiáng)鈦合金的組元,另外另外Zr的加入可強(qiáng)化的加入可強(qiáng)化相相,目前應(yīng)用較多目前應(yīng)用較多.而而Hf十分稀缺十分稀缺,尚未應(yīng)用尚未應(yīng)用.:與與和和均有限溶解均有限溶解,并且有包析反應(yīng)并且有包析反應(yīng)的相圖的相圖.這樣的二元系有這樣的二元系有4個(gè)個(gè):Ti-V,Ti-Nb,Ti-Ta和和Ti-Mo系系. 由于由于V,Nb,Ta,Mo四種金屬只有一四種金屬只有一種體心立方點(diǎn)陣種體心立方點(diǎn)陣,所以它們只與具有相所以它們只與具有相同晶型的同晶型的-Ti形成連續(xù)固溶體形成連續(xù)固溶體,而與密而與密排六方點(diǎn)陣的排六方點(diǎn)陣的-Ti形成有限固溶體形成有限固溶體. V:屬

20、于穩(wěn)定屬于穩(wěn)定相的元素相的元素,在在Ti-V系中無系中無共析反應(yīng)和金屬化合物相共析反應(yīng)和金屬化合物相,這樣這樣,在與加在與加熱有關(guān)的工藝過程有誤時(shí)熱有關(guān)的工藝過程有誤時(shí),不致產(chǎn)生脆不致產(chǎn)生脆性性. Nb:屬于穩(wěn)定屬于穩(wěn)定相的元素相的元素,但作為穩(wěn)定但作為穩(wěn)定劑的效應(yīng)比劑的效應(yīng)比V低很多低很多. Mo:穩(wěn)定化效果最大穩(wěn)定化效果最大, ,其添加有效其添加有效提高了室溫和高溫強(qiáng)度提高了室溫和高溫強(qiáng)度, ,同時(shí)還使含鉻同時(shí)還使含鉻和鐵的合金的熱穩(wěn)定性提高和鐵的合金的熱穩(wěn)定性提高. .但是但是MoMo熔熔點(diǎn)高點(diǎn)高, ,與鈦不易形成均勻合金與鈦不易形成均勻合金. .鈦的二元系相圖鈦的二元系相圖:與與,均有

21、限溶解均有限溶解, ,并且有包析反并且有包析反應(yīng)的相圖應(yīng)的相圖. .形成這類的二元系有形成這類的二元系有:Ti-:Ti-Al,Ti-Sn,Ti-Ca,Ti-B,Ti-C,Ti-Al,Ti-Sn,Ti-Ca,Ti-B,Ti-C,Ti-N,Ti-ON,Ti-O等等. .鈦的二元系相圖鈦的二元系相圖:與與,均有限溶解均有限溶解,并且有共析分并且有共析分解的相圖解的相圖.形成這類相圖的二元系形成這類相圖的二元系有有:Ti-H,Ti-Cr,Ti-W,Ti-Fe等等.鈦的二元系相圖鈦的二元系相圖合金元素分類合金元素分類穩(wěn)定元素穩(wěn)定元素: :能提高能提高相變溫度的元素相變溫度的元素, ,它們?cè)谥芷诒碇械奈恢?/p>

22、離它們?cè)谥芷诒碇械奈恢秒xTiTi較遠(yuǎn)較遠(yuǎn), ,與鈦形與鈦形成包析反應(yīng)成包析反應(yīng). .這些元素的電子結(jié)構(gòu)這些元素的電子結(jié)構(gòu), ,化學(xué)性質(zhì)與鈦的差別較大化學(xué)性質(zhì)與鈦的差別較大. .如如:Al.:Al. (2) 中性元素中性元素:對(duì)對(duì)Ti的的元素轉(zhuǎn)變溫度影響不明顯的元素元素轉(zhuǎn)變溫度影響不明顯的元素, ,如如ZrZr和和SnSn(3) 穩(wěn)定元素穩(wěn)定元素:降低降低Ti 轉(zhuǎn)變溫度的元素轉(zhuǎn)變溫度的元素,又可分為又可分為 同晶元素同晶元素:如如V,Mo等等,在周期表在周期表上的位置靠近上的位置靠近Ti,具有與具有與-Ti相同的相同的晶格類型晶格類型,能與能與-Ti無限互溶無限互溶,而在而在-Ti中溶解度有限中

23、溶解度有限. 共析元素共析元素:如如Mn,Fe,Si,Cu等等,在在和和鈦中具有有限溶解度鈦中具有有限溶解度,但在但在鈦中的鈦中的溶解度大于在溶解度大于在鈦中的鈦中的,以存在共析反以存在共析反應(yīng)為特征應(yīng)為特征.起固溶強(qiáng)化作用起固溶強(qiáng)化作用.提高室溫抗拉強(qiáng)度最顯著的是提高室溫抗拉強(qiáng)度最顯著的是Fe,Mn,Cr,Si.升高或降低相變點(diǎn)升高或降低相變點(diǎn),起穩(wěn)定起穩(wěn)定相或相或相的作用相的作用. .添加添加穩(wěn)定元素穩(wěn)定元素,增加合金的淬透性增加合金的淬透性,從而增強(qiáng)熱處理強(qiáng)化效果從而增強(qiáng)熱處理強(qiáng)化效果.Al,Sn,Zr有防止有防止脆性相形成的作用脆性相形成的作用;稀土可抑制稀土可抑制2相析出相析出; 同

24、晶元素有同晶元素有組織組織相共析分解的作用相共析分解的作用.Al,Si,Zr,稀土元素等可改善合金的耐熱性稀土元素等可改善合金的耐熱性.Ru,Pd,Pt等提高合金的耐蝕性和擴(kuò)大鈍化范圍等提高合金的耐蝕性和擴(kuò)大鈍化范圍.分類分類按退火組織分為:按退火組織分為:鈦合金:退火組織以鈦合金:退火組織以鈦為基體的單相固溶體鈦為基體的單相固溶體的合金。高溫性能好,組織穩(wěn)定,焊接性能好,的合金。高溫性能好,組織穩(wěn)定,焊接性能好,是耐熱是耐熱Ti合金的主要組成成分,但常溫強(qiáng)度低,合金的主要組成成分,但常溫強(qiáng)度低,塑性不夠高。塑性不夠高。鈦合金:含鈦合金:含穩(wěn)定元素較多的合金。目前工業(yè)穩(wěn)定元素較多的合金。目前工

25、業(yè)上應(yīng)用的上應(yīng)用的合金在平衡狀態(tài)均為(合金在平衡狀態(tài)均為( + )兩相組)兩相組織,但空冷時(shí),可將高溫的織,但空冷時(shí),可將高溫的相保持到室溫,得到相保持到室溫,得到全全組織。其塑性加工性能好,是發(fā)展高強(qiáng)度合金組織。其塑性加工性能好,是發(fā)展高強(qiáng)度合金的基礎(chǔ),但組織不夠穩(wěn)定,冶煉復(fù)雜。的基礎(chǔ),但組織不夠穩(wěn)定,冶煉復(fù)雜。 + 鈦合金:退火組織為鈦合金:退火組織為+ 相的合金。常溫相的合金。常溫強(qiáng)度高,中等溫度的耐熱性也不錯(cuò),但組織不穩(wěn)強(qiáng)度高,中等溫度的耐熱性也不錯(cuò),但組織不穩(wěn)定,焊接性能良好。是當(dāng)前應(yīng)用最多的鈦合金。定,焊接性能良好。是當(dāng)前應(yīng)用最多的鈦合金。按性能特點(diǎn)分類:按性能特點(diǎn)分類:可分為低強(qiáng)

26、,中強(qiáng),高強(qiáng),低溫,鑄造及粉末冶可分為低強(qiáng),中強(qiáng),高強(qiáng),低溫,鑄造及粉末冶金鈦合金等。金鈦合金等。牌號(hào)牌號(hào)4 鈦合金的相變及熱處理鈦合金的相變及熱處理引言:鈦合金中可以發(fā)生多種固態(tài)相變,不同的相變導(dǎo)致引言:鈦合金中可以發(fā)生多種固態(tài)相變,不同的相變導(dǎo)致形成不同的組織,而組織決定性能。故而了解和掌握合金中形成不同的組織,而組織決定性能。故而了解和掌握合金中的相變規(guī)律意義重大。的相變規(guī)律意義重大。其是鈦合金中各種相變的基礎(chǔ)。純鈦的其是鈦合金中各種相變的基礎(chǔ)。純鈦的轉(zhuǎn)變過程容易進(jìn)轉(zhuǎn)變過程容易進(jìn)行,相變是以擴(kuò)散方式完成的。當(dāng)冷卻速度大于行,相變是以擴(kuò)散方式完成的。當(dāng)冷卻速度大于200/S時(shí),時(shí),以無擴(kuò)散

27、發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,試樣表面出現(xiàn)浮凸,顯微組織中以無擴(kuò)散發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,試樣表面出現(xiàn)浮凸,顯微組織中出現(xiàn)針狀出現(xiàn)針狀。具體相變過程可用圖具體相變過程可用圖4-1說明。說明。與鐵的同素異晶相比,鈦和鈦合金的同素異晶轉(zhuǎn)變具有下列與鐵的同素異晶相比,鈦和鈦合金的同素異晶轉(zhuǎn)變具有下列特點(diǎn)。特點(diǎn)。新相和母相存在嚴(yán)格的取向關(guān)系,如在冷卻過程中,新相和母相存在嚴(yán)格的取向關(guān)系,如在冷卻過程中,相以相以片狀或針狀有規(guī)則的析出,形成魏氏組織。片狀或針狀有規(guī)則的析出,形成魏氏組織。由于由于相中原子擴(kuò)散系數(shù)大,鈦合金的加熱溫度超過相變點(diǎn)相中原子擴(kuò)散系數(shù)大,鈦合金的加熱溫度超過相變點(diǎn)后,后, 相的長(zhǎng)大傾向特別大,極易形成粗

28、大晶粒。相的長(zhǎng)大傾向特別大,極易形成粗大晶粒。鈦及鈦合金在鈦及鈦合金在相區(qū)加熱造成的粗大晶粒,不能像鐵那樣,相區(qū)加熱造成的粗大晶粒,不能像鐵那樣,利用同素異晶轉(zhuǎn)變進(jìn)行重結(jié)晶使晶粒細(xì)化。這是因?yàn)殁伒膬衫猛禺惥мD(zhuǎn)變進(jìn)行重結(jié)晶使晶粒細(xì)化。這是因?yàn)殁伒膬蓚€(gè)同素異晶體的比容差小,僅為個(gè)同素異晶體的比容差小,僅為0.17%,而鐵的同素異晶體的,而鐵的同素異晶體的比容差為比容差為4.7%,同時(shí)鈦的彈性模量小,在相變過程中不能產(chǎn),同時(shí)鈦的彈性模量小,在相變過程中不能產(chǎn)生足夠的形變硬化,不能使基體相發(fā)生再結(jié)晶。另外,鈦進(jìn)生足夠的形變硬化,不能使基體相發(fā)生再結(jié)晶。另外,鈦進(jìn)行同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí),各相之間具有嚴(yán)格的

29、晶體學(xué)取向關(guān)系和行同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí),各相之間具有嚴(yán)格的晶體學(xué)取向關(guān)系和強(qiáng)烈的組織遺傳性。強(qiáng)烈的組織遺傳性。 鈦合金加熱到鈦合金加熱到相區(qū)后,自高溫冷卻時(shí),根據(jù)合金成分和冷卻條件不同,可相區(qū)后,自高溫冷卻時(shí),根據(jù)合金成分和冷卻條件不同,可能發(fā)生下列轉(zhuǎn)變:能發(fā)生下列轉(zhuǎn)變:+; +TixM y;或或, 相在快冷過程中的轉(zhuǎn)變相在快冷過程中的轉(zhuǎn)變馬氏體相變:馬氏體相變:產(chǎn)物:產(chǎn)物:和和。:具有六方過渡晶格的過飽和固溶體,稱六:具有六方過渡晶格的過飽和固溶體,稱六方馬氏體。馬氏體方馬氏體。馬氏體的硬度只略高于的硬度只略高于固溶體。固溶體。(相穩(wěn)定元素少,相變阻力?。┫喾€(wěn)定元素少,相變阻力?。壕哂行狈骄Ц竦?/p>

30、馬氏體,稱斜方馬氏體,:具有斜方晶格的馬氏體,稱斜方馬氏體,當(dāng)合金中出現(xiàn)當(dāng)合金中出現(xiàn)時(shí),合金的強(qiáng)度、硬度、特別時(shí),合金的強(qiáng)度、硬度、特別是屈服強(qiáng)度明顯下降。(是屈服強(qiáng)度明顯下降。( 相穩(wěn)定元素含量高,相穩(wěn)定元素含量高,相變阻力大)相變阻力大)過程:在快速冷卻過程中,由于過程:在快速冷卻過程中,由于析出析出相的相的過程來不及進(jìn)行,但是過程來不及進(jìn)行,但是相的晶體結(jié)構(gòu),不易為相的晶體結(jié)構(gòu),不易為冷卻所抑制,仍然發(fā)生了改變。這種原始冷卻所抑制,仍然發(fā)生了改變。這種原始相的相的成分未發(fā)生變化,但晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化的過成分未發(fā)生變化,但晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化的過飽和固溶體是馬氏體。飽和固溶體是馬氏體。,相的

31、晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系如下圖所示。相的晶體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系如下圖所示。相變相變產(chǎn)物產(chǎn)物:相相, ,具有六方結(jié)構(gòu),尺寸很小,在電鏡下才能看見,高度彌散。具有六方結(jié)構(gòu),尺寸很小,在電鏡下才能看見,高度彌散。相相硬度很高,脆性極大,位錯(cuò)不能在其中移動(dòng),能顯著提高合金的強(qiáng)度,硬度,硬度很高,脆性極大,位錯(cuò)不能在其中移動(dòng),能顯著提高合金的強(qiáng)度,硬度,彈性模量,但使塑性急劇下降。彈性模量,但使塑性急劇下降。過程:主要受合金成分和熱處理工藝的影響過程:主要受合金成分和熱處理工藝的影響.當(dāng)合金中元素的含量在臨界濃度當(dāng)合金中元素的含量在臨界濃度附近時(shí)附近時(shí),快速冷卻快速冷卻,將形成將形成相相. . 穩(wěn)定元素超過臨界濃

32、度的合金穩(wěn)定元素超過臨界濃度的合金, ,淬火時(shí)不形成淬火時(shí)不形成相相,但可得到亞穩(wěn)定但可得到亞穩(wěn)定 相相,亞穩(wěn)定亞穩(wěn)定 相在相在500以下回火轉(zhuǎn)變?yōu)橐韵禄鼗疝D(zhuǎn)變?yōu)橄嘞?稱為回火稱為回火相相.回火過程中回火過程中,亞穩(wěn)定的亞穩(wěn)定的 相相內(nèi)部發(fā)生溶質(zhì)原子偏聚內(nèi)部發(fā)生溶質(zhì)原子偏聚,使許多顯微區(qū)域溶質(zhì)原子富集使許多顯微區(qū)域溶質(zhì)原子富集,相鄰的區(qū)域則貧化相鄰的區(qū)域則貧化.繼續(xù)加繼續(xù)加熱時(shí)熱時(shí),貧化區(qū)的濃度接近臨界濃度時(shí)即轉(zhuǎn)變?yōu)樨毣瘏^(qū)的濃度接近臨界濃度時(shí)即轉(zhuǎn)變?yōu)橄嘞? 的轉(zhuǎn)變是無擴(kuò)散型相變的轉(zhuǎn)變是無擴(kuò)散型相變,極快的冷速也不能抑制其進(jìn)行極快的冷速也不能抑制其進(jìn)行.過冷過冷 亞穩(wěn)相亞穩(wěn)相 當(dāng)當(dāng) 穩(wěn)定元素含量

33、較高時(shí),淬火後保留穩(wěn)定元素含量較高時(shí),淬火後保留 結(jié)構(gòu),稱為結(jié)構(gòu),稱為 相,實(shí)際上是過冷相,實(shí)際上是過冷 相。即固溶處理。相。即固溶處理。 相在慢冷時(shí)的轉(zhuǎn)變相在慢冷時(shí)的轉(zhuǎn)變 對(duì)鈦合金相變影響最大的是對(duì)鈦合金相變影響最大的是穩(wěn)定穩(wěn)定元素。右圖示意地表示了元素。右圖示意地表示了Ti - 同晶元同晶元素相圖。相圖中的素相圖。相圖中的t0點(diǎn)為純鈦的同素點(diǎn)為純鈦的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度。若相圖原點(diǎn)不是純鈦異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度。若相圖原點(diǎn)不是純鈦而是鈦合金,則而是鈦合金,則t0擴(kuò)展為一個(gè)溫區(qū)。擴(kuò)展為一個(gè)溫區(qū)。 相相的析出過程是一個(gè)形核和核長(zhǎng)大的析出過程是一個(gè)形核和核長(zhǎng)大的過程的過程,形核的位置形核的位置,晶核數(shù)量晶核數(shù)

34、量,長(zhǎng)大速長(zhǎng)大速率與合金的成分及過冷條件有關(guān)率與合金的成分及過冷條件有關(guān).圖圖4-13 鈦合金的亞穩(wěn)相圖鈦合金的亞穩(wěn)相圖退火溫度及合金成分決定淬火后的組織退火溫度及合金成分決定淬火后的組織.圖圖4-9 圖中圖中,成分為成分為x的合金的合金,分別在分別在tp, tq, tr溫度下退火溫度下退火,然后經(jīng)淬火得到的室然后經(jīng)淬火得到的室溫組織各不相同溫組織各不相同. 將不同成分的合金自不同溫度淬將不同成分的合金自不同溫度淬火所得的組織類型如下如圖火所得的組織類型如下如圖4-14所所示示,根據(jù)此圖可以預(yù)測(cè)任何成分的合根據(jù)此圖可以預(yù)測(cè)任何成分的合金自任何溫度淬火所得的組織金自任何溫度淬火所得的組織.圖圖4

35、-14不同的組織對(duì)應(yīng)了不同的性能不同的組織對(duì)應(yīng)了不同的性能. 右圖中第一個(gè)峰顯示合金中有馬氏體右圖中第一個(gè)峰顯示合金中有馬氏體 生成生成,第二第二峰顯示合金中有峰顯示合金中有相生成相生成. .圖圖4-15共析轉(zhuǎn)變共析轉(zhuǎn)變反應(yīng)形式反應(yīng)形式: 鈦與鈦與 共析元素共析元素(如如:Cr,Mn,Fe,Ni,Cu,Si,Co等等)組成的合金系組成的合金系,在一定在一定成分和溫度范圍內(nèi)發(fā)生共析反應(yīng)成分和溫度范圍內(nèi)發(fā)生共析反應(yīng),即即 +TixMy產(chǎn)物組織產(chǎn)物組織:類似于鋼種的珠光體片層狀組織類似于鋼種的珠光體片層狀組織.共析反應(yīng)速度共析反應(yīng)速度:合金元素的影響合金元素的影響:Ti與與Si,Cu,Ag等活性共析

36、元素組成的合金系等活性共析元素組成的合金系,共析反應(yīng)容易進(jìn)行共析反應(yīng)容易進(jìn)行 且反應(yīng)極快且反應(yīng)極快,淬火都不能抑制其發(fā)生淬火都不能抑制其發(fā)生;而而Ti與與Mn,Fe,Cr等非活性共等非活性共 析元素組成的合金系析元素組成的合金系,共析反應(yīng)極慢共析反應(yīng)極慢.雜質(zhì)元素的影響雜質(zhì)元素的影響:與與 -Ti形成間隙固溶體的元素形成間隙固溶體的元素O,N,C降低降低 相的穩(wěn)定性相的穩(wěn)定性,加快過冷加快過冷 相的分解過程相的分解過程;與與 -Ti形成間隙固溶體的元素形成間隙固溶體的元素H,阻礙過冷阻礙過冷 相分相分 解解.共析轉(zhuǎn)變對(duì)合金性能的影響共析轉(zhuǎn)變對(duì)合金性能的影響: 對(duì)塑性和韌性十分不利對(duì)塑性和韌性十

37、分不利,并降低合金熱穩(wěn)性并降低合金熱穩(wěn)性.等溫轉(zhuǎn)變等溫轉(zhuǎn)變C曲線曲線類型類型:分為高溫和低溫分為高溫和低溫(450)兩部分兩部分,產(chǎn)物不同產(chǎn)物不同圖圖4-16作用作用:近似的判斷連續(xù)冷卻時(shí)合金的組織轉(zhuǎn)變過程和最終得到的組織近似的判斷連續(xù)冷卻時(shí)合金的組織轉(zhuǎn)變過程和最終得到的組織圖圖4-17圖圖4-18影響影響C曲線形狀和位置的因素曲線形狀和位置的因素:合金元素合金元素:隨著加入的隨著加入的 穩(wěn)定元素含量的增加穩(wěn)定元素含量的增加,C曲線向右下方移動(dòng)曲線向右下方移動(dòng);若加入若加入 穩(wěn)定元穩(wěn)定元 素素(Al,O,N)則促使則促使 相形核相形核,加速加速 相的分解相的分解,C曲線左移曲線左移.塑性變形塑

38、性變形:有利于有利于 相在滑移帶上析出相在滑移帶上析出,加速加速 相分解相分解,C曲線左移曲線左移. 鈦合金淬火形成的亞穩(wěn)相鈦合金淬火形成的亞穩(wěn)相、和過冷和過冷相,在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定相,在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的,加熱時(shí)會(huì)發(fā)生分解,最終的分解產(chǎn)物均為平衡組織的,加熱時(shí)會(huì)發(fā)生分解,最終的分解產(chǎn)物均為平衡組織+ 。若合金有共析反。若合金有共析反應(yīng),則最終產(chǎn)物為應(yīng),則最終產(chǎn)物為+TixMy,即,即 在時(shí)效分解的一定階段,可以獲得彌散的在時(shí)效分解的一定階段,可以獲得彌散的+ 相,使得合金產(chǎn)生彌散強(qiáng)相,使得合金產(chǎn)生彌散強(qiáng)化,這就是鈦合金淬火時(shí)效強(qiáng)化的基本原理?;?,這就是鈦合金淬火時(shí)效強(qiáng)化的基本原理。馬氏體的分

39、解過程馬氏體的分解過程六方馬氏體六方馬氏體的分解(的分解(3種方式)種方式)+:含:含同晶元素的鈦合金。同晶元素的鈦合金。 過渡相過渡相 +TixMy:含活性共析元素的鈦合金,分解過程與鋁合金時(shí):含活性共析元素的鈦合金,分解過程與鋁合金時(shí) 效分解類似,整個(gè)過程中發(fā)生明顯的沉淀硬化效應(yīng)。效分解類似,整個(gè)過程中發(fā)生明顯的沉淀硬化效應(yīng)。(3) +TixMy:含非活性共析元素的鈦合金,分解過程十分緩慢。:含非活性共析元素的鈦合金,分解過程十分緩慢。斜方馬氏體斜方馬氏體的分解(的分解(43種方式)種方式)不同成分及狀態(tài)的合金,其分解的具體過程不同。不同成分及狀態(tài)的合金,其分解的具體過程不同。 亞亞+ 貧

40、貧 亞亞+ + + 富富 亞亞+ + 富富+ 貧貧 亞亞+ 貧貧 +(1) 相的分解相的分解 相實(shí)際上是相實(shí)際上是穩(wěn)定元素在穩(wěn)定元素在-Ti 中一種過飽和固溶體,其在回火時(shí)發(fā)生的中一種過飽和固溶體,其在回火時(shí)發(fā)生的 分解分解 過程與上述過程與上述的分解過程基本相同。的分解過程基本相同。相在原來相在原來晶界和晶界和/ 相界上不均勻形核,長(zhǎng)大并吞食相界上不均勻形核,長(zhǎng)大并吞食相。相。 相先溶解,然后從相先溶解,然后從相中析出相中析出相。相。(1) 延長(zhǎng)實(shí)效時(shí)間或提高實(shí)效溫度,延長(zhǎng)實(shí)效時(shí)間或提高實(shí)效溫度, 相逐漸失去穩(wěn)定性而直接轉(zhuǎn)變?yōu)橄嘀饾u失去穩(wěn)定性而直接轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗷蛳嗷蛳?。相。亞穩(wěn)亞穩(wěn)相的分解相的分

41、解亞亞 +:合金濃度較低的合金在高溫(:合金濃度較低的合金在高溫(500)時(shí)效。)時(shí)效。亞亞+ + + +:合金濃度較高的合金在低溫(:合金濃度較高的合金在低溫(300 400)時(shí)效。)時(shí)效。(3) 亞亞 + + + +:對(duì)合金濃度高或添加抑制:對(duì)合金濃度高或添加抑制形成元素形成元素 的合金。的合金。由于平衡的由于平衡的相是在相是在相的溶質(zhì)原子貧化區(qū)的位置上形核析出,相的溶質(zhì)原子貧化區(qū)的位置上形核析出,而溶質(zhì)原子貧而溶質(zhì)原子貧 化區(qū)均勻的分布在整個(gè)基體上,所以利用低溫化區(qū)均勻的分布在整個(gè)基體上,所以利用低溫回火細(xì)化或控制合金的組織,改善合金的力學(xué)性能。回火細(xì)化或控制合金的組織,改善合金的力學(xué)性

42、能。 時(shí)效過程中形成的過渡相時(shí)效過程中形成的過渡相,結(jié)構(gòu)與性能與淬火形成的,結(jié)構(gòu)與性能與淬火形成的相相相似,但是其轉(zhuǎn)變伴隨著成分的變化,屬于擴(kuò)散型相變。相似,但是其轉(zhuǎn)變伴隨著成分的變化,屬于擴(kuò)散型相變。4.5.1 鈦合金的熱處理基礎(chǔ)鈦合金的熱處理基礎(chǔ) 大多數(shù)鈦合金只是通過熱處理控制大多數(shù)鈦合金只是通過熱處理控制相變相變, ,合金成分合金成分, ,特別是特別是相穩(wěn)定元素含量以及冷卻速度相穩(wěn)定元素含量以及冷卻速度,對(duì)對(duì)相變有重要影響相變有重要影響.轉(zhuǎn)變溫度和冷卻速度對(duì)相變產(chǎn)物的影響轉(zhuǎn)變溫度和冷卻速度對(duì)相變產(chǎn)物的影響: TTT曲線曲線 如右圖所示如右圖所示,不同的轉(zhuǎn)變溫度不同的轉(zhuǎn)變溫度T1,T2,T

43、3對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變過對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)變過程不同程不同;不同的冷卻速度對(duì)應(yīng)的相變過程和產(chǎn)物也有不同的冷卻速度對(duì)應(yīng)的相變過程和產(chǎn)物也有差別差別.慢冷慢冷: + ,相變產(chǎn)物為片層狀魏氏組織相變產(chǎn)物為片層狀魏氏組織;快冷快冷:逐步由逐步由 + + +過渡到過渡到 +;含有較高含有較高穩(wěn)定元素的合金易得到網(wǎng)籃狀組織穩(wěn)定元素的合金易得到網(wǎng)籃狀組織.再增加冷卻速度再增加冷卻速度: 亞穩(wěn)亞穩(wěn) 相或相或 馬氏體相變馬氏體相變圖圖4-194.5.2 鈦合金熱處理的特點(diǎn)鈦合金熱處理的特點(diǎn)概括如下概括如下:馬氏體相變不引起合金的顯著強(qiáng)化馬氏體相變不引起合金的顯著強(qiáng)化.這個(gè)特點(diǎn)與鋼的馬氏體相變不同這個(gè)特點(diǎn)與鋼的馬氏體相變不同.鈦合金

44、鈦合金的熱處理強(qiáng)化只能依賴淬火形成的亞穩(wěn)相的時(shí)效分解的熱處理強(qiáng)化只能依賴淬火形成的亞穩(wěn)相的時(shí)效分解. 應(yīng)盡量避免生成應(yīng)盡量避免生成相相.形成形成相會(huì)使合金變脆相會(huì)使合金變脆,正確選擇失時(shí)效工藝正確選擇失時(shí)效工藝(如采用如采用高一些的時(shí)效溫度高一些的時(shí)效溫度),即可使即可使相平衡分解相平衡分解. 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變難于細(xì)化晶粒同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變難于細(xì)化晶粒. 導(dǎo)熱性差導(dǎo)熱性差. 化學(xué)性活潑化學(xué)性活潑.鈦合金易與氧和水蒸汽反應(yīng)鈦合金易與氧和水蒸汽反應(yīng),在工件表面形成具有一定深度的在工件表面形成具有一定深度的富氧層或氧化皮富氧層或氧化皮,使合金性能破壞使合金性能破壞.鈦合金熱處理時(shí)容易吸氫鈦合金熱處理時(shí)容易吸氫

45、,引起氫脆引起氫脆. 相變點(diǎn)差異大相變點(diǎn)差異大.即使是同一成分即使是同一成分,但是冶煉爐次不同的合金但是冶煉爐次不同的合金,其其相變點(diǎn)有時(shí)相變點(diǎn)有時(shí)差異很大差異很大(一般差一般差570).這是制定工件加熱溫度時(shí)要特別注意的這是制定工件加熱溫度時(shí)要特別注意的. 在在相區(qū)加熱時(shí)相區(qū)加熱時(shí)晶粒長(zhǎng)大傾向大晶粒長(zhǎng)大傾向大. 晶粒粗化可使塑性急劇下降晶粒粗化可使塑性急劇下降,故應(yīng)嚴(yán)格故應(yīng)嚴(yán)格控制加熱溫度與時(shí)間控制加熱溫度與時(shí)間,并慎用在并慎用在相區(qū)加熱的熱處理相區(qū)加熱的熱處理.以上特點(diǎn)以上特點(diǎn),在鈦合金熱處理工藝的制定與實(shí)施過程中必須給與充分的注意在鈦合金熱處理工藝的制定與實(shí)施過程中必須給與充分的注意.在

46、不同的加熱在不同的加熱,冷卻條件下冷卻條件下,鈦合金中出現(xiàn)各種相變鈦合金中出現(xiàn)各種相變,得到不同的組織得到不同的組織.圖圖4-22圖圖4-23圖圖4-254.5.3 鈦合金的熱處理種類鈦合金的熱處理種類理論基礎(chǔ)理論基礎(chǔ):鈦合金的相變鈦合金的相變強(qiáng)化熱處理機(jī)理強(qiáng)化熱處理機(jī)理:固溶相的彌散分布固溶相的彌散分布種類種類:退火退火,時(shí)效時(shí)效,化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理,形變熱處理等形變熱處理等退火退火 目的是消除內(nèi)應(yīng)力目的是消除內(nèi)應(yīng)力,提高塑性及穩(wěn)定組織提高塑性及穩(wěn)定組織.常見的退火方式有去應(yīng)力退火常見的退火方式有去應(yīng)力退火,再結(jié)再結(jié)晶退火晶退火,雙重退火雙重退火,真空去應(yīng)力退火等真空去應(yīng)力退火等.圖圖4-

47、26表4-2表4-3淬火時(shí)效淬火時(shí)效利用相變產(chǎn)生強(qiáng)化效果利用相變產(chǎn)生強(qiáng)化效果,又稱強(qiáng)化熱處理又稱強(qiáng)化熱處理.影響熱處理強(qiáng)化效果的因素主要有合金影響熱處理強(qiáng)化效果的因素主要有合金成分成分,熱處理工藝和原始組織熱處理工藝和原始組織.圖圖4-27圖圖4-28表4-4表4-5形變熱處理形變熱處理對(duì)工件進(jìn)行形變使合金強(qiáng)化對(duì)工件進(jìn)行形變使合金強(qiáng)化,將變形和將變形和熱處理結(jié)合起來的工藝熱處理結(jié)合起來的工藝.圖圖4-29表表4-6表表4-7圖4-32化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理 為了改善鈦合金的那腐蝕性能為了改善鈦合金的那腐蝕性能,可采用電鍍可采用電鍍,噴涂和化學(xué)處理的方法噴涂和化學(xué)處理的方法.化學(xué)處化學(xué)處理理 包括

48、滲包括滲N,滲滲C,滲滲B,滲金屬等滲金屬等 鈦合金的化學(xué)熱處理與鋼的化學(xué)熱處理類似鈦合金的化學(xué)熱處理與鋼的化學(xué)熱處理類似.即采用一定的方法即采用一定的方法,將待滲元素將待滲元素轉(zhuǎn)變成活性原子或離子狀態(tài)轉(zhuǎn)變成活性原子或離子狀態(tài),在熱能或電場(chǎng)的作用下在熱能或電場(chǎng)的作用下,相工件表面滲透相工件表面滲透,并擴(kuò)散至一并擴(kuò)散至一定的深度定的深度,形成一定厚度的滲層形成一定厚度的滲層,提高合金表面的硬度提高合金表面的硬度,耐磨性和耐蝕性耐磨性和耐蝕性.鈦合金在熱處理過程中的污染問題鈦合金在熱處理過程中的污染問題 鈦合金在熱處理過程中鈦合金在熱處理過程中,當(dāng)溫度高于當(dāng)溫度高于550600以后以后,H,O,N

49、,C等間隙元素極等間隙元素極易滲入金屬表層易滲入金屬表層.O,N滲入后可形成滲層滲入后可形成滲層,提高金屬的耐磨性提高金屬的耐磨性,但使材料的塑性和疲但使材料的塑性和疲勞強(qiáng)度下降勞強(qiáng)度下降,多用作耐磨零件使用多用作耐磨零件使用.其他用途的零件其他用途的零件,表面滲入表面滲入H,O,N等元素后形成等元素后形成污染層污染層.5 鈦合金的高溫性能鈦合金的高溫性能5.1 金屬高溫蠕變現(xiàn)象金屬高溫蠕變現(xiàn)象蠕變和蠕變斷裂蠕變和蠕變斷裂蠕變:金屬在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫,恒應(yīng)力(即使應(yīng)力小于該溫度下的屈服強(qiáng)蠕變:金屬在長(zhǎng)時(shí)間的恒溫,恒應(yīng)力(即使應(yīng)力小于該溫度下的屈服強(qiáng) 度)作用下緩慢的產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。度)作用下緩

50、慢的產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。蠕變斷裂:由蠕變導(dǎo)致的斷裂蠕變斷裂:由蠕變導(dǎo)致的斷裂高溫材料的力學(xué)性能高溫材料的力學(xué)性能約比溫度:約比溫度:T/Tm(T為實(shí)驗(yàn)溫度,為實(shí)驗(yàn)溫度,Tm為金屬熔點(diǎn),均采用熱力學(xué)溫度)。當(dāng)為金屬熔點(diǎn),均采用熱力學(xué)溫度)。當(dāng) T/Tm0.5時(shí),為時(shí),為”高高“溫,反之為溫,反之為”低低“溫。溫。力學(xué)性能:在高溫金屬力學(xué)行為的一個(gè)重要特點(diǎn)就是發(fā)生蠕變。對(duì)于不同的力學(xué)性能:在高溫金屬力學(xué)行為的一個(gè)重要特點(diǎn)就是發(fā)生蠕變。對(duì)于不同的 材料,在相同的約比溫度下,其蠕變行為相似,因而力學(xué)性能的材料,在相同的約比溫度下,其蠕變行為相似,因而力學(xué)性能的 變化也是相同的。變化也是相同的。蠕變曲線

51、蠕變曲線 金屬的蠕變過程可用蠕變曲線來描述,典型的蠕變曲線如下圖所示。曲線可分金屬的蠕變過程可用蠕變曲線來描述,典型的蠕變曲線如下圖所示。曲線可分為為3段:段:ab段:過渡蠕變階段,這一階段開始的蠕變速率很大,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),蠕變速段:過渡蠕變階段,這一階段開始的蠕變速率很大,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),蠕變速 率逐漸減小,到率逐漸減小,到b點(diǎn)蠕變速率達(dá)最小值。點(diǎn)蠕變速率達(dá)最小值。bc段:穩(wěn)定蠕變階段,這一階段蠕變速率幾乎保持不變,通常所值的蠕變速率,段:穩(wěn)定蠕變階段,這一階段蠕變速率幾乎保持不變,通常所值的蠕變速率, 就是以這一階段的變形速率就是以這一階段的變形速率 (=d /dt)表示。)表示。cd段

52、:加速蠕變階段,隨時(shí)間的延長(zhǎng),蠕變速率逐漸增大。至段:加速蠕變階段,隨時(shí)間的延長(zhǎng),蠕變速率逐漸增大。至d點(diǎn)發(fā)生斷裂。點(diǎn)發(fā)生斷裂。圖圖5-2同一種材料在不同條件下的蠕變曲線是不同的,隨應(yīng)力大小和溫度的高低而異。同一種材料在不同條件下的蠕變曲線是不同的,隨應(yīng)力大小和溫度的高低而異。圖圖5-3應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛 對(duì)于在高溫下工作并依靠原始彈性變形獲得工作應(yīng)力的對(duì)于在高溫下工作并依靠原始彈性變形獲得工作應(yīng)力的機(jī)件,如高溫管道法蘭接頭的緊固螺栓,用壓緊配合固定于機(jī)件,如高溫管道法蘭接頭的緊固螺栓,用壓緊配合固定于軸上的汽輪機(jī)葉輪等,可能隨著時(shí)間的延長(zhǎng),在總變形量不軸上的汽輪機(jī)葉輪等,可能隨著時(shí)間的延長(zhǎng),在

53、總變形量不變的情況下,彈性變形不斷的轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?,從而使工作變的情況下,彈性變形不斷的轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?,從而使工作?yīng)力逐漸降低,以致失效,此種現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛??梢詫?yīng)力逐漸降低,以致失效,此種現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛??梢詫?yīng)力松弛現(xiàn)象視為應(yīng)力不斷減小條件下的一種蠕變過程,這應(yīng)力松弛現(xiàn)象視為應(yīng)力不斷減小條件下的一種蠕變過程,這兩者的本質(zhì)是一樣的,只是由于外界條件不同而有不同的表兩者的本質(zhì)是一樣的,只是由于外界條件不同而有不同的表現(xiàn)?,F(xiàn)。5.2 鈦合金高溫變形時(shí)的微結(jié)構(gòu)演變鈦合金高溫變形時(shí)的微結(jié)構(gòu)演變高溫鈦合金熱處理主要方式高溫鈦合金熱處理主要方式處理:在處理:在轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上進(jìn)行,所得組織為粗大原始轉(zhuǎn)變

54、點(diǎn)以上進(jìn)行,所得組織為粗大原始晶粒內(nèi)部析出晶粒內(nèi)部析出 一定取向一定取向 的的片。稱為魏氏組織。片。稱為魏氏組織。+ +處理:在處理:在+兩相區(qū)進(jìn)行,所得組織為細(xì)等軸初生兩相區(qū)進(jìn)行,所得組織為細(xì)等軸初生相,分布在相,分布在 轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變相相 基體中,也稱等軸組織?;w中,也稱等軸組織。近近鍛造:在相變點(diǎn)以下鍛造:在相變點(diǎn)以下1015加熱,變形。變形后快淬的鍛件經(jīng)加熱,變形。變形后快淬的鍛件經(jīng) 兩次高溫加一次低溫的強(qiáng)韌化處理,其組織由一定數(shù)量的兩次高溫加一次低溫的強(qiáng)韌化處理,其組織由一定數(shù)量的 等軸初生等軸初生,條,條 狀狀構(gòu)成的網(wǎng)籃和轉(zhuǎn)變構(gòu)成的網(wǎng)籃和轉(zhuǎn)變基體組成,稱為三基體組成,稱為三 態(tài)組織。態(tài)

55、組織。高溫條件下鈦合金的組織對(duì)于變形行為有重要影響。高溫條件下鈦合金的組織對(duì)于變形行為有重要影響。表表5-1圖圖5-4圖5-5圖5-6圖5-8圖5-95.3 鈦合金的高溫性能及影響因素鈦合金的高溫性能及影響因素晶粒尺寸的大小以及晶粒尺寸的大小以及相的體積分?jǐn)?shù)對(duì)高溫變形的影相的體積分?jǐn)?shù)對(duì)高溫變形的影響顯著響顯著表表5-3圖5-12圖5-13變形溫度及變形速度對(duì)鈦合金顯微組織的影響。變形溫度及變形速度對(duì)鈦合金顯微組織的影響。圖圖5-16圖圖5-17不同蠕變條件下的顯微組織觀察不同蠕變條件下的顯微組織觀察圖圖5-21圖圖5-185.4 我國(guó)高溫鈦合金的研究進(jìn)展我國(guó)高溫鈦合金的研究進(jìn)展 國(guó)內(nèi)研制高溫鈦

56、合金與國(guó)外有較大差距,尤其是在應(yīng)國(guó)內(nèi)研制高溫鈦合金與國(guó)外有較大差距,尤其是在應(yīng)用方面。國(guó)內(nèi)用方面。國(guó)內(nèi)500以上高溫鈦合金品種雖多,但目前得以上高溫鈦合金品種雖多,但目前得到實(shí)際應(yīng)用的只有到實(shí)際應(yīng)用的只有Ti53311S合金,多數(shù)是實(shí)驗(yàn)室或半工合金,多數(shù)是實(shí)驗(yàn)室或半工業(yè)試制性的結(jié)果。業(yè)試制性的結(jié)果。6 鈦及鈦合金的加工和制品生產(chǎn)鈦及鈦合金的加工和制品生產(chǎn)6.1 鈦合金鑄錠的制備鈦合金鑄錠的制備鈦及鈦合金鑄錠熔煉方法鈦及鈦合金鑄錠熔煉方法圖圖6-1表6-1鈦及鈦合金鑄錠制備過程中的問題鈦及鈦合金鑄錠制備過程中的問題鑄錠的均勻性:易發(fā)生宏觀和微觀偏析。鑄錠的均勻性:易發(fā)生宏觀和微觀偏析。外在夾雜:

57、高密度夾雜和低熔點(diǎn)夾雜。外在夾雜:高密度夾雜和低熔點(diǎn)夾雜。殘料的回收熔化:采用消耗電極渣殼熔化方法,可殘料的回收熔化:采用消耗電極渣殼熔化方法,可 使使用返回料大使使用返回料大100%。6.2 鈦及鈦合金的鑄造鈦及鈦合金的鑄造 鈦合金難熔且化學(xué)性質(zhì)活潑,在熔融狀態(tài)下能與幾乎所有的鈦合金難熔且化學(xué)性質(zhì)活潑,在熔融狀態(tài)下能與幾乎所有的耐火材料和氣體反應(yīng),大大增加了鑄造的困難。鑄鈦的造型材耐火材料和氣體反應(yīng),大大增加了鑄造的困難。鑄鈦的造型材料應(yīng)具有:高的化學(xué)惰性,高的耐火度和抗熱沖擊性能,材料料應(yīng)具有:高的化學(xué)惰性,高的耐火度和抗熱沖擊性能,材料均勻細(xì)致,對(duì)水分和氣體的吸附能力小,導(dǎo)熱性能低,價(jià)格

58、低均勻細(xì)致,對(duì)水分和氣體的吸附能力小,導(dǎo)熱性能低,價(jià)格低廉和無毒等特點(diǎn)。廉和無毒等特點(diǎn)。表6-2熔煉鑄造方法:主要有自耗電極真空凝殼熔煉和感應(yīng)加熔煉鑄造方法:主要有自耗電極真空凝殼熔煉和感應(yīng)加 熱熔煉。熱熔煉。圖圖6-26.3 鈦及鈦合金的鍛造鈦及鈦合金的鍛造鍛造溫度對(duì)組織性能的影響鍛造溫度對(duì)組織性能的影響 鍛造溫度以鍛造溫度以相變點(diǎn)以上相變點(diǎn)以上5050150的的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行粗緞,區(qū)域內(nèi)進(jìn)行粗緞,在低于在低于相變點(diǎn)相變點(diǎn)50 150的的+ +區(qū)域進(jìn)行精椴。區(qū)域進(jìn)行精椴。表表6-9 鍛造溫度對(duì)鍛造溫度對(duì)+鈦合金的鈦合金的室溫性能和室溫性能和晶粒尺寸的影晶粒尺寸的影響見右圖。響見右圖。圖圖6-10

59、 鍛造溫度對(duì)鍛造溫度對(duì)鈦合金的鈦合金的室溫塑性和晶粒尺寸有類室溫塑性和晶粒尺寸有類似的影響。似的影響。圖圖6-11鈦合金的鍛造工藝特點(diǎn)鈦合金的鍛造工藝特點(diǎn)變形抗力大變形抗力大導(dǎo)熱性差導(dǎo)熱性差黏性大,流動(dòng)性差黏性大,流動(dòng)性差鈦合金鍛造的分類鈦合金鍛造的分類 鈦合金的鍛造可分為開坯鍛造,自由鍛造,模鍛,鈦合金的鍛造可分為開坯鍛造,自由鍛造,模鍛,旋鍛,等溫模鍛,冷模鍛等。旋鍛,等溫模鍛,冷模鍛等。圖圖6-157 粉末冶金鈦及鈦合金復(fù)合材料粉末冶金鈦及鈦合金復(fù)合材料7.1 粉末冶金鈦粉末冶金鈦 鈦材加工生產(chǎn)工藝復(fù)雜,成材率較低,成產(chǎn)過程中產(chǎn)生鈦材加工生產(chǎn)工藝復(fù)雜,成材率較低,成產(chǎn)過程中產(chǎn)生 大量殘鈦

60、。而粉末冶金鈦工藝流程短,可直接制取成品或接大量殘鈦。而粉末冶金鈦工藝流程短,可直接制取成品或接近成品尺寸的零件,能大幅降低鈦制件成本。此外,有些鈦近成品尺寸的零件,能大幅降低鈦制件成本。此外,有些鈦制品,如難溶氧化物彌散鈦合金,高鎂含量的鈦合金,高難制品,如難溶氧化物彌散鈦合金,高鎂含量的鈦合金,高難溶粗粉的鈦合金,儲(chǔ)氫鈦合金和快速冷凝鈦合金等,只能用溶粗粉的鈦合金,儲(chǔ)氫鈦合金和快速冷凝鈦合金等,只能用粉末冶金工藝制造。粉末冶金工藝制造。表7-1鈦粉末冶金制品的應(yīng)用鈦粉末冶金制品的應(yīng)用 鈦粉末冶金制品應(yīng)用廣泛,涉及許多領(lǐng)域以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的鈦粉末冶金制品應(yīng)用廣泛,涉及許多領(lǐng)域以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請(qǐng)下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請(qǐng)聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對(duì)任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請(qǐng)與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對(duì)自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評(píng)論

0/150

提交評(píng)論