鈦合金熱處理綜述

1、鈦合金熱處理綜述姓名學(xué)號目錄引言一、鈦合金在航空航天的應(yīng)用 二、鈦合金綜述1.鈦合金的分類及特占八、A.分類B.各類鈦合金的特點2.合金元素A.合金元素分類B.合金元素作用3.鈦的相變A.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變B. S相轉(zhuǎn)變C.時效過程中亞穩(wěn)定相的分解D.鈦合 金 二 元 相 圖三、熱處理引言四、熱處理基本原理4.退火A.回復(fù)B.再結(jié)晶C.去應(yīng)力退火D.簡單退火E.完全退火F.等溫退火和雙重退火G.真空退火5.固溶與時效處理（強化熱處理）A.固溶處理B.時效處理C.固溶時效處理6.形變熱處理（熱機械處理）7.化學(xué)熱處理五、熱處理缺陷和防治六、鈦合金組織與性能 1.鈦合金相組成2.鈦合金組織類型A.魏氏體

2、組織B.網(wǎng)籃rirk組織雙態(tài)組織金 合 鈦3熱 的處m 二 理與組性、織匕匕 厶冃關(guān)的系常代規(guī)拉伸性匕匕 厶冃疲B勞性匕匕 厶冃斷裂韌性應(yīng)力腐蝕斷裂理機 耐無 鈦滲1七- 元- 素-表 面熱處m 二 理滲代碳滲B氮滲硼C.等軸組織2.滲 金 屬 元 素 表 面 熱 處引言鈦是 20 世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，因其具有 質(zhì)輕、高強、耐蝕、耐熱、無磁等一系列優(yōu)良性能，以及形狀記憶、 超導(dǎo)、儲氫、生物相容性四大獨特功能，被廣泛應(yīng)用在航空航天、艦 船、軍工、冶金、化工、海水淡化、輕工、環(huán)境保護、醫(yī)療器械等領(lǐng) 域，并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟和社會效益， 在國民經(jīng)濟發(fā)展和國防中占有 重要的地位

3、和作用。鈦是金屬材料王國中“全能的金屬”、“海洋金屬”、 “太空的金屬”，從工業(yè)價值、資源壽命和發(fā)展前景來看，鈦被視為 繼鐵、鋁之后處于發(fā)展中的“第三金屬”和“戰(zhàn)略金屬” 。根據(jù)在鈦 中加入B穩(wěn)定元素的多少及退火后的組織，鈦合金可分為a、近a、 a +B、近B和B鈦合金。美、日、俄羅斯以及中國等許多國家都高 度重視鈦合金的發(fā)展，各國根據(jù)不同國情和需求進(jìn)行了各自的研發(fā)， 現(xiàn)已得到了廣泛的應(yīng)用。第一個實用的鈦合金是 1954年美國研制成功的 Ti-6Al-4V 合金， 由于它的耐熱性、強度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生 物相容性均較好， 而成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金， 該合金使用量已 占

4、全部鈦合金的75%- 85%其他許多鈦合金都可以看作是Ti-6AI-4V 合金的改型。隨后，美國在高強鈦合金、鈦鋁金屬間化合物、鈦基和鈦鋁基復(fù) 合材料及其相關(guān)的高新技術(shù)研究和應(yīng)用方面都遙遙領(lǐng)先。 除航空外領(lǐng) 域，美國也將鈦用在海洋開發(fā)、 地?zé)岚l(fā)電以及制作放射性廢物處理的 容器等方面，其發(fā)展的趨勢是由軍工到民品，由飛機發(fā)動機到機體，由航空航天到一般產(chǎn)業(yè)。重點放在基礎(chǔ)研究、合金設(shè)計、熔煉技術(shù)、 加工工藝方面。 目前美國在航空航天等軍工領(lǐng)域的用鈦量最大， 自上 世紀(jì) 80 年代后，各種先進(jìn)戰(zhàn)機和轟炸機中，鈦及其合金的用量已穩(wěn) 定在 20%以上。近年來， 日本除了繼續(xù)開拓鈦在航空工業(yè)的應(yīng)用外， 仍以民

5、用為 主，而俄羅斯則以提高結(jié)構(gòu)鈦合金材料強度、改善加工性能、提高使 用溫度及改善熔煉技術(shù)為重點。我國鈦產(chǎn)品 80%以上用于石油、化工 等民用工業(yè)，近期發(fā)展的主要目標(biāo)是國內(nèi)市場。目前，鈦工業(yè)發(fā)展中 呈現(xiàn)出許多技術(shù)上的創(chuàng)新， 其中工藝性創(chuàng)新較成分創(chuàng)新多， 體現(xiàn)在阻 燃鈦合金、鈦基復(fù)合材料、纖維 / 鈦層板等研發(fā)方面。20 世紀(jì)5060年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動機用的高溫鈦合金和 機體用的結(jié)構(gòu)鈦合金， 70 年代開發(fā)出一批耐蝕鈦合金， 80 年代以來， 耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進(jìn)一步發(fā)展。 耐熱鈦合金的使用溫度已 從50年代的400C提高到90年代的600650C。A2（Ti3AI）和（TiAl ）

6、 基合金的出現(xiàn)， 使鈦在發(fā)動機的使用部位正由發(fā)動機的冷端 （風(fēng)扇和 壓氣機）向發(fā)動機的熱端（渦輪）方向推進(jìn)。結(jié)構(gòu)鈦合金向高強、高 塑、高強高韌、高模量和高損傷容限方向發(fā)展。另外， 20 世紀(jì) 70 年代以來，還出現(xiàn)了 Ti-Ni 、Ti-Ni-Fe 、Ti-Ni-Nb 等形狀記憶合金，并在工程上獲得日益廣泛的應(yīng)用。世界上已研制出的鈦合金有數(shù)百種， 最著名的合金有 2030種， 如 Ti-6Al-4V 、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni 、Ti-Pd 、SP-700、Ti-6242 、 Ti-10-5-3 、Ti-1023 、BT9、BT20、IMI829、IMI834 等2,4 。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)

7、據(jù)，2012年我國化工行業(yè)用鈦量達(dá)萬噸，比2011 年有所減少。這是自2009年以來，我國化工用鈦市場首次出現(xiàn)負(fù)增 長。近些年來，化工行業(yè)一直是鈦加工材最大的用戶，其用量在鈦材 總用量的占比一直保持在 50%以上，2011年占比高達(dá)55%但隨著經(jīng) 濟陷入低迷期，化工行業(yè)不但新建項目明顯減少，同時還將面臨產(chǎn)業(yè) 結(jié)構(gòu)調(diào)整，部分產(chǎn)品新建產(chǎn)能受到控制，落后產(chǎn)能也將逐步淘汰的境 地。受此影響，其對鈦加工材用量的萎縮也變得順理成章。 在此之前， 便有業(yè)內(nèi)人士預(yù)測化工行業(yè)用鈦量在 20132015年間達(dá)到峰值。以當(dāng) 前市場表現(xiàn)看來，2012年整體經(jīng)濟的疲軟有可能使得化工用鈦的衰 退期提前。鈦合金在航空航天的

8、應(yīng)用鈦的熔點1668 土 4C,熔化潛熱千卡/克原子，沸點3260 ± 20 C,汽化潛熱千卡/克原子， 臨界溫度4350C，臨界壓力1130大氣壓。鈦的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性能較差，近似或略低于不銹 鋼，鈦具有超導(dǎo)性，純鈦的超導(dǎo)臨界溫度為。在25C時，鈦的熱容為卡/克原子度，熱焓1149卡/克原子，熵為卡/克原子度，金屬鈦是順磁性物質(zhì)，導(dǎo)磁率為。 鈦具有可塑性，高純鈦的延伸率可達(dá) 50-60%，斷面收縮率可達(dá) 70-80%，但強度低，不宜作結(jié)構(gòu)材料。鈦合 金具有密度低、比強度高、耐蝕性好、導(dǎo)熱率低、無毒無磁、可焊接、生物相容性好、表面 可裝飾性強等特性，是一種輕質(zhì)高強度耐蝕結(jié)構(gòu)材料，在武器

9、裝備中具有廣泛應(yīng)用前景，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工、石油、電力、醫(yī)療、建筑、體育用品等領(lǐng)域。鈦合金主要用于制作飛機發(fā)動機壓氣機部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機的結(jié)構(gòu)件。60年代中期，鈦及其合金已在一般工業(yè)中應(yīng)用，用于制作電解工業(yè)的電極，發(fā)電站的冷凝 器，石油精煉和海水淡化的加熱器以及環(huán)境污染控制裝置等。鈦及其合金已成為一種耐蝕結(jié)構(gòu)材料。此外還用于生產(chǎn)貯氫材料和形狀記憶合金等。中國于1956年開始鈦和鈦合金研究；60年代中期開始鈦材的工業(yè)化生產(chǎn)并研制成TB2合金。鈦合金是航空航天工業(yè)中使用的一種新的重要結(jié)構(gòu)材料，比重、強度和使用溫度介于鋁和鋼之間，但比強度高并具有優(yōu)異的抗海水腐蝕性能和超低

10、溫性能。1950年美國首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機上用作后機身隔熱板、導(dǎo) 風(fēng)罩、機尾罩等非承力構(gòu)件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機身移向中機身、部分地代替結(jié)構(gòu)鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件。鈦合金在軍用飛機中的用量迅速增加， 達(dá)到飛機結(jié)構(gòu)重量的 20% 25%70年代起，民用機開始大量使用鈦合金，如波音747客機用鈦量達(dá)3640公斤以上。馬赫數(shù)小于 的飛機用鈦主要是為了代替鋼，以減輕結(jié)構(gòu)重量。又如，美國SR-71高空高速偵察機（飛行馬赫數(shù)為3，飛行高度26212米），鈦占飛機結(jié)構(gòu)重量的 93%號稱“全鈦”飛機。 當(dāng)航空發(fā)動機的推重比從46提高到810,壓氣機出口溫度相應(yīng)地從 20030

11、0° C增加到500600° C時，原來用鋁制造的低壓壓氣機盤和葉片就必須改用鈦合金，或用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機盤和葉片，以減輕結(jié)構(gòu)重量。70年代，鈦合金在航空發(fā)動機中的用量一般占結(jié)構(gòu)總重量的20%30%主要用于制造壓氣機部件，如鍛造鈦風(fēng)扇、壓氣機盤和葉片、鑄鈦壓氣機機匣、中介機匣、軸承殼體等。航天器主要利用鈦合金的高比強度，耐 腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構(gòu)架和火箭殼體。 人造地球衛(wèi)星、登月艙、載人飛船和航天飛機也都使用鈦合金板材焊接件。作為飛機機體結(jié)構(gòu)和飛機發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)材料之一，鈦合金的應(yīng)用水平是衡量飛機選材先進(jìn)程度的重要

12、標(biāo)志之一， 是影響飛機戰(zhàn)術(shù)性能的一個重要方面。在國外第三代戰(zhàn)斗機上，鈦合金用量占機體結(jié)構(gòu)重量比為20%25%在第四代戰(zhàn)斗機 F-22 （EMD上已高達(dá)41%其應(yīng)用呈大幅度上升趨勢。航空發(fā)動機的用鈦量也在逐步增加，國外先進(jìn)航空發(fā)動機的鈦用量已達(dá)30%左右，例如V2500發(fā)動機的鈦用量就高達(dá) 31%第四代發(fā)動機F119的鈦合金用量為 40%在民用飛機方面，鈦合金用量也在逐步增長，A380用鈦占總重量的10%單機用鈦材約60噸?？罩锌蛙嚨拟佊昧恳褟牡谌鶤320的曽至第四代 A340的6%而即將問世的 A350客機的鈦用量進(jìn)一步提高至 15%世界各國國防系統(tǒng)和民航系統(tǒng)日新月異的發(fā)展，要求飛機及其發(fā)動

13、機通過減輕結(jié)構(gòu)重量等有效途徑不斷改善使用性能，提高安全可靠性和降低全壽命成本。60年來，鈦合金通過持續(xù)的合金創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新和工程應(yīng)用，永不止步地一再挖掘出鈦潛在的能力，其比強度、 耐熱性、抗蝕性等方面的優(yōu)越性日益充分地發(fā)揮出來，成本較高的問題則逐漸得到不同程度的解決，使用可靠性也隨設(shè)計應(yīng)用經(jīng)驗的日積月累而不斷提高。鈦合金的發(fā)展態(tài)勢恰恰適應(yīng)了航空工業(yè)不斷提升的需求，甚至在某些方面以超前的姿態(tài)促進(jìn)了飛機及其發(fā)動機的發(fā)展。 飛機結(jié)構(gòu)鈦合金按抗拉強度這一特征要素可分為低強度鈦合金、中強度鈦合金、高強度鈦合金、超高強度鈦合金。低強度結(jié)構(gòu)鈦合金 抗拉強度700MP【如TA1（370MP3、TA2（440M

14、P3、 TA3 （ 540MPa、TA16 （ 480 667MPa、TA17 （638 882MP3、TA18 （620MPa、TA21、 TC1 （590MPa、TC2、Ti31 （637MPa、ZTA5 （480MP3、TA5 （TA5-A） （ 585MPa、Ti70（700MPa、ZTi60 （590MPa等合金】其共同的特點是低合金化、高塑性和高韌性，并具 有高可焊性、可成型性和優(yōu)良的耐海水腐蝕性等，主要用來制造各種鈑金件、蒙皮、管材零件等。根據(jù)低強度結(jié)構(gòu)鈦合金在各應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用情況分析【確定低強度結(jié)構(gòu)鈦合金主干牌號有TA17 （板材）、TC2（板材）、TA18 （管材、Ti31

15、（板材、鍛件、鈦管、 Ti70 （板 材、ZTi60 （鑄件、等】。中強度結(jié)構(gòu)鈦合金700MPaw抗拉強度1000MPa【主要有TC4TC4-DT、TC6 TA15 Ti75 （730MP3、Ti80 （880MPa等】其主要特點是具有良好的綜合 性能，既有較高的強度，又有足夠的塑性以及優(yōu)良的焊接性能，多用于制造承力構(gòu)件與厚板。經(jīng)分析，中強度結(jié)構(gòu)鈦合金主干牌號有TA7 （板材、鍛件、TC4 （鈦板、鍛件、絲材、TA15 （厚板、鍛件、Ti75 （鍛件、Ti80 （板材、鍛件）。高強度結(jié)構(gòu)鈦合金1000MPaw抗拉強度1250MPa主要有TB5、TB6 TB8、TC16 TC18 TC21等，主

16、要用于制造強度要 求高、代替鋼可達(dá)到高減重效果的承力結(jié)構(gòu)件、鈑金零件和緊固件等。經(jīng)綜合分析，高強度結(jié)構(gòu)鈦合金主干牌號確定為TC21 （鍛件、TC16 （絲材、TB6 （鍛件、。鈦合金綜述1. 鈦合金的分類及特點A. 分類按照退火后組織特點可以分為如下三大類：(1) a型鈦合金此合金是指其退火組織以a鈦為基體的單相固溶體的合金。我國 a型鈦合金的牌號為TA后加一個代表合金序號的數(shù)字，如TA1、TA2、 TA3等。a型鈦合金又可細(xì)分為全 a型合金，近a型合金，a +化 合物型合金。(2) a + B型鈦合金這種合金是指其退火組織為a + B相的鈦合金，也稱為兩相鈦合 金。我國這類合金的牌號為 TC

17、后跟合金序號，如 TC4 TC5 TC6 等。(3) B型鈦合金此類合金含B穩(wěn)定元素較多。我國這類合金的牌號為 TB,后跟合 金序號，如TB1、TB2等。B型鈦合金可進(jìn)一步分為熱穩(wěn)定 B型合 金、亞穩(wěn)定B型合金、近B型合金。B.各類鈦合金的特點分類成分特點組織特點性能特點典型合 金a型鈦 合金全a含有6%以下的 鋁和少量中性退火后，除雜 質(zhì)兀素造成密度小，熱性能好， 焊接性能好，低間隙TA1TA7、型合 金1兒糸少量B相 夕卜，幾乎全是 a相元素含量有好的超 低溫韌性TA7ELI近a 型合 金除鋁和中性元 素外，還含有 少量（不超過 4%的B穩(wěn)定=1= 元素退火后，除有 大量的a相 夕卜，還有

18、少量 的（10淋積 左右）B相可熱處理強化，有很 好的熱強性和熱穩(wěn) 定性，焊接性能良好Ti75、TA12a +化合 物型 合金在全a合金 基礎(chǔ)上添加少 量的活性共析=1= 元素退火后，除有 大量的a相 夕卜，還有少量 的B相以及 金屬間化合 物有沉淀硬化效應(yīng)，提 咼了室溫及咼溫抗拉強度和蠕變強度， 焊接性能良好TA8a + B型鈦合 金含一定量的鋁 和不同含量的 B穩(wěn)定元素和 中性元素退火后，有不 同比例的a 相和B相可熱處理強化，強度 及淬透性隨B穩(wěn)定 元素的增加而提咼， 可焊性較好，一般冷 成型及冷加工能力 差, TC4ELI合金有 良好的超低溫韌性，B加工的TC4ELI合 金有較好的損傷

19、容限性能TC3TCi2、TC4ELI（續(xù)表）分類成分特點組織特點性能特點典型合 金B(yǎng)型鈦 合金熱穩(wěn) 疋型合 金含大量的BHZ、亠 '=1fr穩(wěn)疋兀素，有 時還有少量的其他元素退火后，全部 為B相室溫強度較低，冷成 型和冷加工能力強， 在還原性介質(zhì)中耐 蝕性較好，熱穩(wěn)定 性、可焊性好TB7亞穩(wěn)疋型合 金含有臨界濃度 以上的B穩(wěn) 疋兀素，少量 的鋁（一般不 大于3%和中 性元素固溶處理（水 淬或空冷） 后，幾乎全部 為亞穩(wěn)定B 相。時效時，B相中析出 a相，時效 后為B相和 a相固溶處理后，室溫強 度低，冷成形和冷加 工能力強，可焊性 好；經(jīng)過時效后，室 溫強度高，在高屈服 強度下具有高的

20、斷 裂韌性，在350 C以 上熱穩(wěn)定性差，此類 合金淬透性好TB1TB5、TB8TB9近含有臨界濃度 左右的B穩(wěn)從B相相區(qū) 固溶處理后除具有亞穩(wěn)定B型合金的特點外，BTB6TB10型合 金疋兀素和疋 的中性元素有大量的亞 穩(wěn)定B相， 還有少量的 其他亞穩(wěn)定 相（a'或 £相），時 效后為B何 a相相區(qū)固溶處理后，屈 服強度低，均勻伸長 率咼。a + B相區(qū)固 溶處理、WQE AC 時效后再咼強度狀 態(tài)下斷裂韌性以及 塑性較咼，而a +B 相區(qū)固溶處理、FC 后再中強度狀態(tài)下， 可獲得高的斷裂韌 性及塑性2. 合金元素A. 合金元素分類周期表中各元素按與鈦作用性質(zhì)可歸納如下：

21、在周期表上與鈦同族的元素鋯和鉿具有與鈦相同的外層電子結(jié) 構(gòu)和晶格類型，原子半徑也相近，故它們與a和B鈦均能無限互溶， 形成連續(xù)固溶體； 在周期表上靠近鈦的元素，如釩、鉬、鈮、鉭等與B鈦具有相 同的晶格類型，能與B鈦無限互溶，在a鈦中有限溶解； 在外層電子結(jié)構(gòu)、晶體類型和原子尺寸上都與Ti有較大的差異， 如錳、鐵、鉆、鎳等元素與鈦只能形成有限的固溶體，超過溶解極限則形成化合物。B. 合金元素作用工業(yè)鈦合金中常用的合金元素有：鋁、鋯、錫、釩、鉬、錳、鉻、 鐵、銅、硅等。鋁主要起固溶強化作用，每增加 1%Al，可使室溫抗拉強度增加50MPa鋁在鈦中的極限溶解度為, 一般加鋁量不超過7%。錫和鋯為常用

22、的中性元素，在a鈦和B鈦中均有較大的溶解度， 常和其他元素同時加入， 有補充強化作用，對塑性的不利影響比鋁小， 使合金具有良好的壓力加工性能和焊接性能。釩和鉬是B穩(wěn)定元素中應(yīng)用最廣的兩種元素，對B相起固溶強化 作用，降低相變點，增加合金的淬透性，從而強化熱處理強化效果。錳、鐵、鉻等元素強化效果高，穩(wěn)定B的能力強，比鎢、鉬、鈮 輕，故應(yīng)用較廣。硅的共析轉(zhuǎn)變溫度較高（860C），加硅可改善合金的耐熱性能。 加入少量的硼可以細(xì)化宏觀組織。 稀土元素可顯著地提高合金的瞬時 強度和蠕變強度。3. 鈦的相變A. 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鈦在固態(tài)有兩種同素異構(gòu)體，即體心立方晶格的B相和密排六方晶格的a相，在C發(fā)生下列

23、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（從左到右為升溫）：B. B相轉(zhuǎn)變i）B相在快冷過程中的轉(zhuǎn)變當(dāng)鈦合金自高溫快速冷卻（淬火）時，根據(jù)合金成分的不同，B相可以轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體、3 相或過冷B等亞穩(wěn)定相。（1） 形成馬氏體定義：a穩(wěn)定元素過飽和的固溶體為鈦合金的馬氏體。類型：B穩(wěn)定元素含量不大，六方馬氏體a'(板條狀和針狀)；(3穩(wěn)定元素含量較大，斜方馬氏體a (細(xì)針狀馬氏體)。 3相變形成條件：a) 當(dāng)合金成分在臨界濃度 Ck 附近時，高溫淬火由 3 相形成。b) 淬火后亞穩(wěn)定3相在550C以下等溫(回火)。3 相的特點：硬脆相，位錯不能在其中移動。合金中出現(xiàn)時，強 度、硬度升高，塑性、韌性降低。(3) 淬火鈦合

24、金的亞穩(wěn)定相圖 歸納起來，不同成分合金自3相區(qū)淬火，可以得到六種組織，即 a'、a、a3 m、 a3 ( 3 ) 、3 ( 3 ) 、3 m。ii) 3 相在慢冷過程中的轉(zhuǎn)變對于3穩(wěn)定元素含量小于 G的合金，無論從何種溫度爐冷，其組 織均為單相a。但若米用空冷時，由于 3 Ta的相變來不及進(jìn)行 到底，在組織中往往殘留有少量的亞穩(wěn)定 3 相。當(dāng)合金的范圍為CaB時，自3相區(qū)慢冷，將從3相中不斷地 析出a相，隨著溫度的降低，析出的 a相的數(shù)量不斷增加，a 相 的相對數(shù)量則不斷減少。 a 和 3 相分別沿著各自的溶解度曲線 (ACa 和AB)變化。達(dá)到室溫時，兩相分別達(dá)到各自平衡濃度，室溫得

25、到 a 3 平衡組織。iii) B相共析反應(yīng)和等溫轉(zhuǎn)變(1) 共析反應(yīng)鈦與鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、硅等元素組成共析相圖。在一 定成分和溫度范圍內(nèi)發(fā)生共析反應(yīng)：(2) 等溫轉(zhuǎn)變等溫轉(zhuǎn)變分為高溫和低溫兩部分。C. 時效過程中亞穩(wěn)定相的分解鈦合金淬火形成的亞穩(wěn)定相a'、a、3及B m,在熱力學(xué)上是 不穩(wěn)定的，加熱時要發(fā)生分解，其分解過程是比較復(fù)雜的。不同的亞 穩(wěn)定相分解過程不同, 同一亞穩(wěn)定相因合金成分和時效規(guī)程不同分解 過程也不同。但最終的分解產(chǎn)物均為平衡狀態(tài)的a + B。若合金有共析反應(yīng)，則最終產(chǎn)物為 a+ Ti xM,即在加熱條件下：或 a+ Ti xMymD. 鈦合金二元相圖按照元素

26、與鈦的互溶情況可以將其二元相圖分為如下四類：(a) :元素與a -Ti或B -Ti均無限互溶；(b) :元素與B -Ti無限互溶，與a -Ti有限互溶；(c) :元素與a -Ti、B -Ti均有有限溶解，并且具有共析反應(yīng)；(d) :元素與a -Ti、B -Ti均有有限溶解，并且具有包析反應(yīng)；三、 熱處理引言熱處理是把金屬材料或工件經(jīng)加熱、保溫和冷卻處理后，改變金 屬組織結(jié)構(gòu)和性能的加熱工藝。 因為它必須有加熱過程， 故稱熱處理。 熱處理是提高金屬力學(xué)性能和物理化學(xué)性能， 充分發(fā)揮金屬材料潛能， 并延長金屬材料使用壽命的有力措施。熱處理是將鈦材整體進(jìn)行加熱處理的過程。鈦材的熱處理應(yīng)用最 多的是退

27、火和固溶時效等基本工藝。鈦合金熱處理的特點：(1)馬氏體相變不會引起合金的顯著強化(2)應(yīng)避免形成3相( 3 )同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變難于細(xì)化晶粒( 4 )導(dǎo)熱性差( 5 )化學(xué)性活潑(6) B相變點差異大(7) 在B相區(qū)加熱時B晶粒長大傾向大。四、 熱處理基本原理4. 退火鈦材的退火包括去應(yīng)力退火、完全退火，以及雙重退火和等溫退 火、真空退火等工藝方法。 退火的原理是基于回復(fù)和再結(jié)晶等金屬內(nèi) 部微觀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)變化過程。A. 回復(fù)鈦材經(jīng)冷變形加工后，其晶格發(fā)生畸變，內(nèi)部晶格產(chǎn)生大量的缺 陷和位錯等，使鈦材內(nèi)部能量升高，存在畸變能。它是冷變形，鈦處 于亞穩(wěn)態(tài)，此時， 容易發(fā)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動力。當(dāng)采用較低

28、溫度 加熱時，鈦晶格自發(fā)地進(jìn)行點缺陷和位錯運動，重新組合，并釋放多 余的畸變能。當(dāng)，畸變能釋放完，鈦晶格的點缺陷和位錯消失，過程 停止，此時晶粒形狀和大小回復(fù)到冷變形加工前的狀態(tài)。 整個過程即 為回復(fù)。經(jīng)回復(fù)后，微觀結(jié)構(gòu)有了明顯的變化，仍保持原有的晶粒狀態(tài)， 但消除了鈦基體內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力。 鈦發(fā)生回復(fù)的溫度低于再結(jié)晶溫度， 一 般在 500650° C。B. 再結(jié)晶冷變形加工后鈦材經(jīng)過加熱到一定溫度時，在原來變形的組織中 產(chǎn)生無畸變的新晶粒，性能發(fā)生明顯的變化，而恢復(fù)到軟化態(tài)，這一 過程稱為再結(jié)晶。再結(jié)晶的微觀組織表征因素是晶粒大小及其均勻性。一般希望再 結(jié)晶后獲得晶粒細(xì)小而均勻的結(jié)構(gòu)。

29、 這種鈦材塑性性能好， 完全軟化。 此時晶格類型沒有變化，但力學(xué)性能發(fā)生了變化。再結(jié)晶過程也是在變形鈦材組織上發(fā)生再結(jié)晶晶粒的成核長大過 程，該過程的動力學(xué)由成核和長大兩個步驟構(gòu)成。 為了達(dá)到理想的晶 粒，過程中應(yīng)增加成核數(shù)量和抑制晶粒長大， 使再結(jié)晶晶粒向細(xì)小而均勻的方向發(fā)展影響晶粒大小的因素有： 鈦的成分。一般情況下，鈦及鈦合金中所含合金成分和雜質(zhì)含 量越高，越容易獲得再結(jié)晶細(xì)小晶粒。 因為鈦中合金元素或雜質(zhì)會阻 礙鈦晶粒物質(zhì)的晶界遷移，這有利于獲得細(xì)小粒子。 鈦材的變形程度。變形程度越大，表明鈦組織內(nèi)積蓄的畸變能 越大，越利于鈦組織釋放能量；同時鈦晶粒形核時需要吸收能量。當(dāng) 形變程度大的

30、鈦組織釋放出能供給形核所需能量時， 利于成核， 且增 加成核數(shù)量，也利于再結(jié)晶粒度變小。 加熱的溫度和保溫時間。一般地，加熱溫度和保溫時間越長， 越有利于晶粒的生成，容易獲得鈦材粗晶粒組織。發(fā)生再結(jié)晶的加熱溫度便是再結(jié)晶溫度，再結(jié)晶溫度一般是一個 范圍，在再結(jié)晶過程中往往還伴隨一些其他組織變化。C. 去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火又稱不完全退火。它的目的是消除在冷變形加工、冷 成形和焊接等工藝中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。退火溫度不宜過高，一般在再結(jié)晶溫度以下50200° C,約為450650°C。當(dāng)進(jìn)行不完全退火時，鈦釋放出因冷變形積蓄的大量畸變能，消 除了內(nèi)應(yīng)力。 此時鈦內(nèi)部組織一般情況下發(fā)生

31、回復(fù)， 鈦晶粒形狀和大 小回復(fù)到原有狀態(tài)， “加工硬化”消失，變成軟化態(tài)，使冷變形的亞穩(wěn)態(tài)回到穩(wěn)定態(tài)一般地，鈦材工件退火溫度越高，保溫時間越長，則內(nèi)應(yīng)力消除 越徹底。消除內(nèi)應(yīng)力退火的冷卻方式一般采用空冷， 有時也可采用爐 冷。D. 簡單退火為了消除殘余應(yīng)力，將工件加熱到略低于再結(jié)晶開始溫度進(jìn)行的 退火工藝。這種退火方式是冶金產(chǎn)品出廠時常用的一種。E. 完全退火鈦及鈦合金的完全退火使其組織內(nèi)發(fā)生了再結(jié)晶。完全退火后， 鈦及鈦合金內(nèi)部組織和性能均勻，完全軟化，并具有組織穩(wěn)定性，以 及合適的塑性和韌性，獲得再結(jié)晶組織，故又稱之為再結(jié)晶退火。一 般它的退火溫度選擇高于再結(jié)晶開始溫度100200

32、6; G再結(jié)晶溫度過高，會導(dǎo)致組織粗大。F. 等溫退火和雙重退火等溫退火和雙重退火僅適用于a +B型鈦合金。等溫退火：將鈦合金加熱到多邊化或再結(jié)晶以上、低于（a +B ）/ B轉(zhuǎn)變點30100° C的較高溫度范圍，然后轉(zhuǎn)入另一爐中爐冷到B相具有高穩(wěn) 定性的溫度范圍（此溫度一般低于再結(jié)晶溫度）內(nèi)保溫，隨后在空氣 中冷卻。與簡單退火相比，在第二階段保溫的目的是使B相充分分解，使B相處于更加穩(wěn)定的狀態(tài)，使鈦合金的性質(zhì)和組織穩(wěn)定，使鈦合金具 有比較高的塑性、熱穩(wěn)定性和持久強度。故等溫退火適用于含B鈦較 高的a + B型鈦合金。雙重退火： 由二次加熱、二次保溫和二次空冷過程組成。第一次加熱到低

33、于（a +B ）/ B轉(zhuǎn)變點20160° C的溫度，保溫并空冷；第二次加熱到（a + B ）/ B轉(zhuǎn)變點以下300450° C （高于使用溫度）保溫并空冷。雙重退火的優(yōu)點是，在第一次退火后，可保留部分亞穩(wěn)定相，在 經(jīng)過第二次退火時可以充分分解，即B相充分分解，引起強化效應(yīng)， 可以改善a +B鈦合金的塑性、斷裂韌性和組織穩(wěn)定性。雙重退火與等溫退火的區(qū)別在于，雙重退火后的第一階段，合金 在空氣中冷卻到室溫， 之后將合金再重新加熱到第二階段的溫度 （此 溫度低于第一階段的溫度） 。G. 真空退火一般用于經(jīng)過中間退火和表面處理、 冷加工后的最終退火。 首先， 可以防止在進(jìn)一步退火時鈦材的氧化， 同時使鈦合金表面層的含氫量 降低到安全濃度，消除產(chǎn)生氫脆的可能性。此外，降低殘余應(yīng)力和保 證合金的力學(xué)性能及使用性能等。常采用的真空退火溫度為600850° C,保溫時間為1,真空度要 小于。為防止真空退火完畢的鈦材表面氧化，應(yīng)在真空退火冷卻至250350° C溫度下向爐內(nèi)充入空氣并出爐。5. 固溶與時效處理（強化熱處理）固溶和時效處理是對鈦及鈦合金熱處理強化的主要手段，由固溶 處理和時效處理兩種工藝組合而成。鈦合金強化熱處理與鋼、鋁的異同： （1）鋼和鈦淬火都可以得到馬氏體，但鋼的馬氏體強度高，強化效 果強，回火使鋼軟化； 而鈦馬氏體硬度不高， 強化