金屬材料學(xué)第11章 鈦合金

1、2022-2-211.1概述 鈦及其合金是上世紀(jì)40年代發(fā)展起來的一類新型結(jié)構(gòu)材料o Ti的物理性能 純Ti熔點1668。 強度高，強度高，是是Al的的6倍，塑性好，便于冷倍，塑性好，便于冷熱加工。熱加工。 還具有超導(dǎo)、記憶、儲氫等特殊性能。o 熱處理熱處理 純純Ti不能熱處理強化，只能進不能熱處理強化，只能進行冷變形強化，行冷變形強化，型鈦合金可熱處理。美美F-22戰(zhàn)機約戰(zhàn)機約36%重量的零件用鈦合金制重量的零件用鈦合金制造造11鈦合金titaniumalloy2022-2-2o 純鈦主要用于純鈦主要用于 350以以下工作、強度要求不高下工作、強度要求不高的零件，如石油化工用的零件，如石油化

2、工用熱交換器、反應(yīng)器，海熱交換器、反應(yīng)器，海水凈化裝置及艦船零部水凈化裝置及艦船零部件。件。 鈦鋼復(fù)合反應(yīng)釜鈦鋼復(fù)合反應(yīng)釜鈦管換熱器鈦管換熱器鈦制蒸餾塔鈦制蒸餾塔2022-2-211.1.1鈦的基本性質(zhì)與合金化鈦的基本性質(zhì)與合金化有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 ，bcc| 882| ，hcp 比強度高。比強度高。=4.51g/cm3，可保持到，可保持到550600耐蝕性好。形成保護膜耐蝕性好。形成保護膜, 耐海水腐蝕性是最好的耐海水腐蝕性是最好的低溫性能好。在低溫性能好。在77K下仍有良好的力學(xué)性能下仍有良好的力學(xué)性能導(dǎo)熱系數(shù)低。比鐵低導(dǎo)熱系數(shù)低。比鐵低4.5倍，易產(chǎn)生熱應(yīng)力倍，易產(chǎn)生熱應(yīng)力

3、主要合金元素有主要合金元素有A1、Zr、V 、Mo、Mn、Cr等等2022-2-2一、鈦的合金化及分類（一）合金元素與鈦的作用o 1）穩(wěn)定型相圖，擴大相區(qū)的元素有Al、Sn、O、N、C等。o 2）穩(wěn)定型相圖，擴大相區(qū)的元素有V、Mo 等。o 3）+共析型相圖，使共析的元素有Mn、Fe、Cr、Cu、Si、 Ni、 Ag等。o 4） 和全溶型相圖，如Zr、Ha等。圖11.1鈦與合金元素的典型二元線圖a）穩(wěn)定型, Al、Sn；b)穩(wěn)定型V、Mo,c) +共析型, Mn、Cr；d)和全溶型， Ha、ZrTi-Sn相圖2022-2-2穩(wěn)定型(包析)穩(wěn)定型（共析）和全溶型共析型2022-2-2o （二）鈦

4、合金的分類（GB/T362194）o 在退火狀態(tài)下，按組織分型鈦合金、型鈦合金和型鈦合金，以TA、TB、TC表示。符號后面的數(shù)字表示順序號。符號后面的數(shù)字表示順序號。o TA7：Ti-5Al-2.5Sno TB2：Ti-3Al-8Cr-5Mo-5Vo TC4：Ti-6Al-4V2022-2-2各各類類合合金金特特點點 鈦合金鈦合金高溫性能好高溫性能好，組織穩(wěn)定，焊接性好，組織穩(wěn)定，焊接性好，是常用耐熱鈦合金，但常溫強度低，塑性不高是常用耐熱鈦合金，但常溫強度低，塑性不高 +鈦合金鈦合金可熱處理強化可熱處理強化，常溫強度高，中溫，常溫強度高，中溫的耐熱性也不錯，但組織不夠穩(wěn)定，焊接性差的耐熱性也

5、不錯，但組織不夠穩(wěn)定，焊接性差 合金塑性加工性好，合金濃度適當(dāng)時，通過合金塑性加工性好，合金濃度適當(dāng)時，通過熱處理可獲得高的常溫力學(xué)性能，是發(fā)展熱處理可獲得高的常溫力學(xué)性能，是發(fā)展高強度高強度鈦鈦合金的基礎(chǔ)，但組織不夠穩(wěn)定，冶煉工藝復(fù)雜合金的基礎(chǔ)，但組織不夠穩(wěn)定，冶煉工藝復(fù)雜 應(yīng)用程度應(yīng)用程度: +合金合金 合金合金 鈦合金鈦合金二、鈦合金特點2022-2-2 1 1、鈦合金鈦合金(Al/Sn)(Al/Sn)主要主要Me是是Al和和Sn，固溶強化，固溶強化:+1%Me，強度，強度3570MPaAl作作用用特特點點 A1在在相中固溶度很大相中固溶度很大,耐熱性耐熱性(500)但但Al6后后與與共

6、格有序相共格有序相2（Ti3Al）2是硬而脆中間相，對合金塑韌性不利。是硬而脆中間相，對合金塑韌性不利。 Al大于大于25%后，則出現(xiàn)后，則出現(xiàn)相（相（TiAl）應(yīng)應(yīng)用用特特點點 一般工業(yè)用鈦合金一般工業(yè)用鈦合金Al含量很少超過含量很少超過6。 鈦合金使用溫度鈦合金使用溫度500。 鈦合金不能熱處理強化，退火或熱軋態(tài)鈦合金不能熱處理強化，退火或熱軋態(tài)下使用。下使用。TA7是應(yīng)用最多的一種。是應(yīng)用最多的一種。 TA4TA6是是Ti-Al系二元合金系二元合金2022-2-22 2、+鈦合金鈦合金(Al/V、Mo)合合金金化化特特點點 含含46%的的穩(wěn)定元素穩(wěn)定元素和和同時強化。同時強化。 +合金性

7、能主要由合金性能主要由相元素來決定。相元素來決定。 相元素主要是鋁相元素主要是鋁， 67%以免生成以免生成2而而韌性。另補加少量中性元素韌性。另補加少量中性元素錫和鋯錫和鋯。 元素選擇較復(fù)雜。元素選擇較復(fù)雜。+Mo和和V等，再適當(dāng)?shù)龋龠m當(dāng)+少少量量Mn和和Cr或微量或微量Si。 性性能能特特點點 +鈦合金力學(xué)性能變化范圍較寬，可適鈦合金力學(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。目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的以上。目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的+鈦合金鈦合金是是Ti-A1-V系的系的Ti-6A1-4V，即，即TC4合金。合金。 2022-2-2

8、3 3、鈦合金鈦合金(Mo(Mo、V/Cr)V/Cr) 鈦合金是發(fā)展高強度鈦合金潛力最大的合金。鈦合金是發(fā)展高強度鈦合金潛力最大的合金。熱處理熱處理特點特點 合金化特點：加入大量合金化特點：加入大量穩(wěn)定元素。穩(wěn)定元素。 熱處理特點熱處理特點:室溫為單相室溫為單相組織，經(jīng)時效可組織，經(jīng)時效可強度。淬火態(tài)下能冷成型強度。淬火態(tài)下能冷成型進行時效處理。進行時效處理。性能性能特點特點與應(yīng)與應(yīng)用用 強韌性優(yōu)于強韌性優(yōu)于+合金，具有良好的焊接性和合金，具有良好的焊接性和壓力加工性。缺點是壓力加工性。缺點是元素濃度高，密度元素濃度高，密度，易，易偏析，性能波動大。偏析，性能波動大。相元素多是稀有金屬，價相元

9、素多是稀有金屬，價格格， 200使用，應(yīng)用受限制使用，應(yīng)用受限制. 目前應(yīng)用的加工鈦僅目前應(yīng)用的加工鈦僅TB2 ，主要用于制造各種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，以及飛機的構(gòu)件等等重載荷旋轉(zhuǎn)件，以及飛機的構(gòu)件等2022-2-211.1.2鈦合金的相變C0tk2022-2-2基基本本概概念念 相相(bcc) 六方馬氏體六方馬氏體(hcp)； 斜方馬氏體。斜方馬氏體。 tk ：當(dāng)：當(dāng)t淬淬到一定溫度，到一定溫度，相濃度相濃度到到Ck時，時，淬火到室溫淬火到室溫相也不發(fā)生相也不發(fā)生M轉(zhuǎn)變的臨界淬火溫度。轉(zhuǎn)變的臨界淬火溫度

10、。Ck和和tk是非常重要的兩個參數(shù)。是非常重要的兩個參數(shù)。 Ck ： Ms相不發(fā)生相不發(fā)生M轉(zhuǎn)變的合金濃度轉(zhuǎn)變的合金濃度鈦合金鈦合金M是置換型過飽和固溶體，與鋼間隙式是置換型過飽和固溶體，與鋼間隙式M不同不同1、馬氏體轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變 2022-2-22 2、相的形成相的形成 穩(wěn)定型鈦合金的成分位于臨界濃度穩(wěn)定型鈦合金的成分位于臨界濃度Ck附近時，淬火時附近時，淬火時除形成除形成或或r外，還能形成淬火外，還能形成淬火相，用相，用q表示。表示。特特點點性性質(zhì)質(zhì) 是六方晶格，與是六方晶格，與相有共格關(guān)系。相有共格關(guān)系。相形相形狀與狀與Me原子半徑原子半徑r有關(guān)，有關(guān)，r與鈦相差較小的合金，與鈦相差

11、較小的合金，相是橢圓形，相是橢圓形，r相差較大時為立方體形相差較大時為立方體形 相硬而脆，雖相硬而脆，雖強度、硬度和彈性模量，強度、硬度和彈性模量，但塑性急劇但塑性急劇。一般情況下。一般情況下,相是有害組織，在相是有害組織，在熱處理時都要避開它的形成區(qū)間。加熱處理時都要避開它的形成區(qū)間。加A1能抑制能抑制相的形成相的形成 大多數(shù)工業(yè)用鈦合金都含有大多數(shù)工業(yè)用鈦合金都含有A12022-2-23、 過冷過冷(殘余）殘余）r 的形成的形成o合金元素濃度較高，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度低于室溫，合金元素濃度較高，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度低于室溫， 被被凍結(jié)，形成凍結(jié)，形成r，成為，成為鈦合金。鈦合金。o為體心立方，具有較好

12、的塑性，冷加工性能與純鈦為體心立方，具有較好的塑性，冷加工性能與純鈦相近。相近。o鈦合金的合金元素量較大，固溶強化效果大；加工鈦合金的合金元素量較大，固溶強化效果大；加工硬化性高；時效強化（析出硬化性高；時效強化（析出相強化）高相強化）高。o鈦合金固溶后強度：鈦合金固溶后強度：750-950MPa，時效后強度，時效后強度1000-1700MPa。o 相中原子擴散系數(shù)大，加熱溫度超過相中原子擴散系數(shù)大，加熱溫度超過相變點時，出現(xiàn)粗大相變點時，出現(xiàn)粗大晶粒，產(chǎn)生晶粒，產(chǎn)生“脆性脆性”2022-2-24 4、亞穩(wěn)定相的分解、亞穩(wěn)定相的分解 淬火形成的淬火形成的、和和r相都是不穩(wěn)定的相都是不穩(wěn)定的最終

13、產(chǎn)物最終產(chǎn)物都是平衡都是平衡+相相 共析共析型的型的 分解產(chǎn)物是分解產(chǎn)物是+TixMy（）化合物）化合物各種亞各種亞穩(wěn)相分穩(wěn)相分解過程解過程（1）過冷）過冷r相分解相分解 ;（2）馬氏體分解，鈦合金）馬氏體分解，鈦合金、在在300 400發(fā)生快速分解，在發(fā)生快速分解，在400500回火時回火時彌散度高的彌散度高的+相混合物，彌散強化。相混合物，彌散強化。（3）相的分解。相的分解。2022-2-211.2.1. 型鈦合金型鈦合金o主加元素為鋁，還有錫、硼等。主加元素為鋁，還有錫、硼等。 o不能熱處理強化，通常在退火不能熱處理強化，通常在退火狀態(tài)下使用，組織為單相狀態(tài)下使用，組織為單相 固固溶體。

14、溶體。 o強度低于另兩類鈦合金，但高強度低于另兩類鈦合金，但高溫強度、低溫韌性及耐蝕性優(yōu)溫強度、低溫韌性及耐蝕性優(yōu)越。越。o0.2Pd的加入引起陽極鈍化，使腐蝕抗力提高1000倍。鈦合金氫泵誘導(dǎo)鈦合金氫泵誘導(dǎo)輪輪鈦合金氫泵殼體鈦合金氫泵殼體11.2常用鈦合金常用鈦合金2022-2-2o 型鈦合金型鈦合金屬于密排六方結(jié)構(gòu)，較高的強度和良好的韌性，對高溫氧污染有較強的抗力，但成形性能較差。o 常用牌號有常用牌號有TA5、TA7等。等。典型的鈦合金TA7（Ti-5Al-2.5Sn），市場占有20，組織穩(wěn)定、焊接性好，比強度是鋁和鋼的兩倍，用作飛機蒙皮和模鍛件。oAl、Sn可使再結(jié)晶溫度和同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

15、溫度升高。鈦合金泵鈦合金泵圖11.4Ti-Al二元合金相圖鈦端2022-2-2o 型鈦合金型鈦合金主要用于制造主要用于制造500以以下工作的零件，如飛機壓氣機葉片、下工作的零件，如飛機壓氣機葉片、導(dǎo)彈的燃料罐、超音速飛機的蝸輪導(dǎo)彈的燃料罐、超音速飛機的蝸輪機匣及飛船上的高壓低溫容器等。機匣及飛船上的高壓低溫容器等。 鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金液下泵鈦合金液下泵 -Ti合金組織合金組織2022-2-211.2.2. + 型鈦合金型鈦合金o加入的合金元素有鋁、釩、加入的合金元素有鋁、釩、 鉬鉬 、鉻等。、鉻等。o可進行熱處理強化，強度高，塑性好，具有良好的熱強可進行熱處理強化，強度高，塑性

16、好，具有良好的熱強性、耐蝕性和低溫韌性。性、耐蝕性和低溫韌性。鈦合金列管式換熱器鈦合金列管式換熱器2022-2-2o + 型鈦合金共有九個牌型鈦合金共有九個牌號，其中以號，其中以TC4(Ti6Al4V)應(yīng)用最廣、應(yīng)用最廣、用量最大，用量最大，占市場55。其經(jīng)過淬火加時效處理后，其經(jīng)過淬火加時效處理后，組織為組織為 + +時效析出的時效析出的針狀針狀 。2022-2-2o + 型鈦合金型鈦合金主要用于主要用于制造制造400196o以下工作的飛機壓氣機以下工作的飛機壓氣機葉片、火箭發(fā)動機外殼、葉片、火箭發(fā)動機外殼、火箭和導(dǎo)彈的液氫燃料火箭和導(dǎo)彈的液氫燃料箱部件及艦船耐壓殼體箱部件及艦船耐壓殼體等。

17、等。 生物醫(yī)用材生物醫(yī)用材料料飛機壓氣機葉片飛機壓氣機葉片2022-2-2o 11.2.3. 型鈦合金型鈦合金o 加入的合金元素有鉬、加入的合金元素有鉬、鉻、釩等。鉻、釩等。o 經(jīng)淬火加時效處理后，經(jīng)淬火加時效處理后，組織為組織為 相基體上分布相基體上分布著細(xì)小的著細(xì)小的 相粒子。相粒子。o 這類合金強度高，但這類合金強度高，但冶煉工藝復(fù)雜，難于冶煉工藝復(fù)雜，難于焊接，應(yīng)用受到限制。焊接，應(yīng)用受到限制。鈦合金管鈦合金管鈦合金管應(yīng)用鈦合金管應(yīng)用2022-2-2o 型鈦合金有型鈦合金有TB2、TB3、TB4三個牌三個牌號。號。o 主要用于主要用于350以以下工作的結(jié)構(gòu)件和下工作的結(jié)構(gòu)件和緊固件，如

18、飛機壓緊固件，如飛機壓氣機葉片、軸、彈氣機葉片、軸、彈簧、輪盤等?；伞⑤啽P等。鈦合金棒鈦合金棒鈦合金眼鏡架鈦合金眼鏡架鈦離心泵鈦離心泵2022-2-211.3 鈦及鈦合金的發(fā)展與應(yīng)用鈦及鈦合金的發(fā)展與應(yīng)用 o 1、鈦合金生產(chǎn)工藝、鈦合金生產(chǎn)工藝 o 冶煉技術(shù)：電子束重熔技術(shù)，真空冶煉等冶煉技術(shù)：電子束重熔技術(shù)，真空冶煉等 o 2、鈦合金的新發(fā)展、鈦合金的新發(fā)展 o 宇航工業(yè)宇航工業(yè) ：AlloyC是一個新型高溫鈦合金，使用溫度是一個新型高溫鈦合金，使用溫度o 高達高達650 ，用于制造發(fā)動機的排氣管；，用于制造發(fā)動機的排氣管；o 船舶工業(yè)船舶工業(yè) ：深海潛水調(diào)查船的耐壓殼體。近：深海潛水調(diào)查船

19、的耐壓殼體。近鈦合金鈦合金o Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo和和+鈦合金鈦合金TC4；o 民品工業(yè)民品工業(yè) :電磁烹調(diào)器具電磁烹調(diào)器具 、網(wǎng)球球拍、高爾夫球頭、網(wǎng)球球拍、高爾夫球頭 ；o 汽車工業(yè)汽車工業(yè) :進、排氣閥，目前僅用于賽車和運動汽車；進、排氣閥，目前僅用于賽車和運動汽車； o 化學(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè) :反應(yīng)器、熱交換器、吸收塔、冷卻器等；反應(yīng)器、熱交換器、吸收塔、冷卻器等； o 醫(yī)療領(lǐng)域醫(yī)療領(lǐng)域 :骨骼整補等嵌入材料骨骼整補等嵌入材料 。2022-2-2 鈦合金是鈦合金是20世紀(jì)出現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)材料。它具有密度世紀(jì)出現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)材料。它具有密度小、強度高、耐高溫和耐腐蝕等

20、特點，且資源豐富，已成小、強度高、耐高溫和耐腐蝕等特點，且資源豐富，已成為航天、化工等部門廣泛應(yīng)用的材料為航天、化工等部門廣泛應(yīng)用的材料 鈦合金塑性差，且不能熱處理強化鈦合金塑性差，且不能熱處理強化. 鈦合金主加元素是鈦合金主加元素是Cr、Mo、V等元素及少量鋁。主等元素及少量鋁。主要是時效硬化，因其明顯的缺點，應(yīng)用受到一定的限制要是時效硬化，因其明顯的缺點，應(yīng)用受到一定的限制 +鈦合金是目前最重要的鈦合金。同時加入鈦合金是目前最重要的鈦合金。同時加入穩(wěn)定穩(wěn)定元素和元素和穩(wěn)定元素，使穩(wěn)定元素，使和和同時得到強化。力學(xué)性能變同時得到強化。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)使用的鈦合金合金70以上。以上。小小 結(jié)結(jié)2022-2-2o1 對于+兩相鈦合金，可采用下述熱處理方法強化 _ 。oa 再結(jié)晶退火 b 淬火回火oc 淬火時效 d 上述方法都不能強化o2.根據(jù)退火組織，鈦合金分為哪