鈦合金介紹（課堂PPT）

1、1材料科學前沿材料科學前沿鈦及鈦合金鈦及鈦合金2內容提要內容提要四、鈦合金的發(fā)展與應用四、鈦合金的發(fā)展與應用三、鈦合金物理冶金基礎三、鈦合金物理冶金基礎二、純鈦二、純鈦一、一、 簡介簡介3一一 、 簡介簡介41791年，英國牧師格累高爾發(fā)現(xiàn)了一種新元素。年，英國牧師格累高爾發(fā)現(xiàn)了一種新元素。1795年，法國化學家克拉普羅特以日耳曼神話中年，法國化學家克拉普羅特以日耳曼神話中女神坦的名字為它命名女神坦的名字為它命名“Titanium”，譯成中文就譯成中文就是是“鈦鈦”。從此，鈦便進入了科學家的實驗室。從此，鈦便進入了科學家的實驗室。簡簡 介介5Q鈦是一種新金屬，由于它具有一系列優(yōu)異特性，被廣泛用

2、于航鈦是一種新金屬，由于它具有一系列優(yōu)異特性，被廣泛用于航空、航天、化工、石油、冶金、輕工、電力、海水淡化、艦艇和空、航天、化工、石油、冶金、輕工、電力、海水淡化、艦艇和日常生活器具等工業(yè)生產中，它被譽為現(xiàn)代金屬。日常生活器具等工業(yè)生產中，它被譽為現(xiàn)代金屬。簡簡 介介Q金屬鈦生產從金屬鈦生產從1948年至今才有半個世紀的歷史，它是伴隨著航年至今才有半個世紀的歷史，它是伴隨著航空和航天工業(yè)而發(fā)展起來的新興工業(yè)。它的發(fā)展經受了數(shù)次大起空和航天工業(yè)而發(fā)展起來的新興工業(yè)。它的發(fā)展經受了數(shù)次大起大落，這是因為鈦與飛機制造業(yè)有關的緣故。大落，這是因為鈦與飛機制造業(yè)有關的緣故。Q但總的說來，鈦發(fā)展的速度是很

3、快的，它超過了任何一種其他但總的說來，鈦發(fā)展的速度是很快的，它超過了任何一種其他有色金屬的發(fā)展速度。這從全世界海綿鈦工業(yè)發(fā)展情況可以看出：有色金屬的發(fā)展速度。這從全世界海綿鈦工業(yè)發(fā)展情況可以看出：海綿鈦生產規(guī)模海綿鈦生產規(guī)模60年代為年代為60kt/a，70年代為年代為1l0kt/a，80年代為年代為130kt/a，到到1992年已達年已達140kt/a。6二、純鈦二、純鈦7純純 鈦鈦 Ti：Q: 4.507 g/cm3QTm：1688Q具有同素異構轉變具有同素異構轉變: 882.5為密排六方結構的為密排六方結構的相相 882.5體心立方結構的體心立方結構的相相鈦在氮氣中加熱可發(fā)生燃燒，因此鈦

4、在加熱和焊接時應采鈦在氮氣中加熱可發(fā)生燃燒，因此鈦在加熱和焊接時應采用氬氣保護。用氬氣保護。 8密度小密度小, ,比強度高比強度高( (比強度高的特性仍可保持到比強度高的特性仍可保持到550550600 600 。與高強合金相比，相同強度水平可降低重量與高強合金相比，相同強度水平可降低重量4040以上以上) )彈性模量低彈性模量低（120120GPaGPa），），約為鐵的約為鐵的5454。導熱系數(shù)小導熱系數(shù)小( (比鐵低比鐵低4.54.5倍倍) )抗拉強度與其屈服強度接近抗拉強度與其屈服強度接近無磁性、無毒無磁性、無毒抗阻尼性能強抗阻尼性能強耐熱性能好耐熱性能好耐低溫性能好耐低溫性能好( (在

5、液氮溫度下仍有良好的機械性能，強度高而在液氮溫度下仍有良好的機械性能，強度高而仍保持良好的塑性及韌性仍保持良好的塑性及韌性) )耐腐蝕性能耐腐蝕性能( (鈍化層（鈍化層（TiOTiO2 2）, ,納米尺度，室溫下長大極慢納米尺度，室溫下長大極慢) )吸氣性能（儲氣、干燥）吸氣性能（儲氣、干燥）鈦的十大性能鈦的十大性能9 特點：特點：Q是很活潑的元素。是很活潑的元素。Q有很好的鈍化性能，鈍化膜很穩(wěn)定，在許多環(huán)境中表現(xiàn)出有很好的鈍化性能，鈍化膜很穩(wěn)定，在許多環(huán)境中表現(xiàn)出很好的耐蝕性。有很好的耐蝕性。有“耐海水腐蝕之王耐海水腐蝕之王”之稱。之稱。Q高溫下，鈦的化學活性很高，能與鹵素、氧、氮、碳、硫高

6、溫下，鈦的化學活性很高，能與鹵素、氧、氮、碳、硫等元素發(fā)生劇烈反應。等元素發(fā)生劇烈反應。Q鈦一般不發(fā)生孔蝕；除在幾種個別介質（如發(fā)煙硝酸、甲鈦一般不發(fā)生孔蝕；除在幾種個別介質（如發(fā)煙硝酸、甲醇溶液）中，也不發(fā)生晶間腐蝕；鈦的應力腐蝕破裂敏感醇溶液）中，也不發(fā)生晶間腐蝕；鈦的應力腐蝕破裂敏感性小，具有抗腐蝕疲勞的性能，耐縫隙腐蝕性能良好。性小，具有抗腐蝕疲勞的性能，耐縫隙腐蝕性能良好。 純鈦特點純鈦特點純鈦：純鈦：一種銀白色的金屬一種銀白色的金屬10純鈦（分類用途）純鈦（分類用途）根據(jù)根據(jù)雜質含量雜質含量，鈦分為高純鈦（純度達，鈦分為高純鈦（純度達99.9%）和工業(yè)純鈦）和工業(yè)純鈦（純度達（純度

7、達99.5%）。）。工業(yè)純鈦有三個牌號，分別用工業(yè)純鈦有三個牌號，分別用TA順序號數(shù)字順序號數(shù)字1、2、3表示表示，數(shù)字越大，純度越低。數(shù)字越大，純度越低。雜質含量對鈦的性能影響很大，少量雜質可顯著提高鈦的強度，雜質含量對鈦的性能影響很大，少量雜質可顯著提高鈦的強度，故工業(yè)純鈦強度較高，接近高強鋁合金的水平，主要用于制造故工業(yè)純鈦強度較高，接近高強鋁合金的水平，主要用于制造350以下溫度工作的石油化工用熱交換器、反應器、船艦零件、以下溫度工作的石油化工用熱交換器、反應器、船艦零件、飛機蒙皮等。飛機蒙皮等。 1112三、鈦合金的物理冶金基礎三、鈦合金的物理冶金基礎 13鈦合金的物理冶金基礎鈦合金

8、的物理冶金基礎 Q鈦合金二元相圖鈦合金二元相圖Q鈦合金分類鈦合金分類主要合金元素與相的形成主要合金元素與相的形成Q氣體雜質元素的作用氣體雜質元素的作用Q鈦合金熱處理基礎鈦合金熱處理基礎Q鈦合金的強韌化基礎鈦合金的強韌化基礎主要內容：主要內容：14鈦合金二鈦合金二元相圖元相圖 以鈦為基的二元以鈦為基的二元合金相圖大致可合金相圖大致可分為四類，見圖分為四類，見圖ad15鈦合金二鈦合金二元相圖元相圖 (a)合金元素與合金元素與Ti和和Ti形成連續(xù)固溶體，鋯和鉿形成連續(xù)固溶體，鋯和鉿等元素的性質與鈦極相近，原子半徑差別也不大，可等元素的性質與鈦極相近，原子半徑差別也不大，可以形成連續(xù)固溶體。以形成連續(xù)

9、固溶體。16鈦合金二鈦合金二元相圖元相圖 (b)合金元素與合金元素與Ti形形成連續(xù)固溶體，而與成連續(xù)固溶體，而與Ti只形成有限固溶體，只形成有限固溶體，這類元素擴大這類元素擴大相區(qū)，縮相區(qū)，縮小小相區(qū)，降低相區(qū)，降低相區(qū)相區(qū)相區(qū)的相變溫度，稱相區(qū)的相變溫度，稱為為相區(qū)穩(wěn)定元素。鈦中相區(qū)穩(wěn)定元素。鈦中近鄰，如釩、鈮、鉭、近鄰，如釩、鈮、鉭、錸、鉬屬于這一類，它錸、鉬屬于這一類，它們是們是bcc結構，原子尺寸結構，原子尺寸也相差不大。也相差不大。17鈦合金二鈦合金二元相圖元相圖 (c)此類合金元素此類合金元素Ti和和Ti都形都形成有限固溶體，成有限固溶體，相區(qū)會發(fā)生共析相區(qū)會發(fā)生共析分解，這類元素

10、分解，這類元素有鉻、鈷、錳、有鉻、鈷、錳、鎢、鐵、鎳、銅、鎢、鐵、鎳、銅、銀、金、鈀、鉑銀、金、鈀、鉑等。它們使等。它們使相轉相轉變溫度下降，所變溫度下降，所以也屬于穩(wěn)定以也屬于穩(wěn)定相相元素。元素。18鈦合金二鈦合金二元相圖元相圖 (d)合金元素與合金元素與Ti和和Ti都形成有都形成有限固溶體，但限固溶體，但相相由包析反應生成，由包析反應生成，使使相轉變溫度升相轉變溫度升高，因而是高，因而是相穩(wěn)相穩(wěn)定元素。主要元素定元素。主要元素有鋁、硼、氧、氮、有鋁、硼、氧、氮、碳、鈧、稼、鑭、碳、鈧、稼、鑭、鈰、釓、釹、鍺等。鈰、釓、釹、鍺等。19鈦合金的分類鈦合金的分類Q鈦合金按退火狀態(tài)下的相組成，分為

11、鈦合金按退火狀態(tài)下的相組成，分為Q型鈦合金、以型鈦合金、以TA后加順序號表示其牌號后加順序號表示其牌號Q型鈦合金，以型鈦合金，以TB后加順序號表示其牌號后加順序號表示其牌號Q和和+型鈦合金，以型鈦合金，以TC后加順序號表示其牌號。后加順序號表示其牌號。20Q+型鈦合金型鈦合金的退火組織為的退火組織為+，以以TC加順序號表示其合金加順序號表示其合金的牌號。的牌號。Q合金同時含有合金同時含有相穩(wěn)定元素和相穩(wěn)定元素和相穩(wěn)定元素。組織以相穩(wěn)定元素。組織以相為主，相為主，相的數(shù)量通常不超過相的數(shù)量通常不超過30%。Q合金可通過淬火及時效進行強化，多在退火狀態(tài)下使用。合金可通過淬火及時效進行強化，多在退火

12、狀態(tài)下使用。+型型鈦合金的室溫強度和塑性高于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，尤以能，應用比較廣泛，尤以TC4用途最廣，用量最多。用途最廣，用量最多。 鈦合金的分類鈦合金的分類Q型鈦合金型鈦合金主要加入元素是主要加入元素是Al，其次是中性元素其次是中性元素Sn和和Zr，起起固溶強化作用。固溶強化作用。Q在退火狀態(tài)下的室溫組織是單相在退火狀態(tài)下的室溫組織是單相固溶體。固溶體。Q型鈦合金的牌號與工業(yè)純鈦相同，均劃入型鈦

13、合金的牌號與工業(yè)純鈦相同，均劃入TA系列。系列。Q型鈦合金不能進行熱處理強化，熱處理對于它們只是為了消型鈦合金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。除應力或消除加工硬化。21型鈦合金型鈦合金: 合金加入了大量的多組元合金加入了大量的多組元相穩(wěn)定元素，同時還相穩(wěn)定元素，同時還加入加入相穩(wěn)定元素相穩(wěn)定元素Al。應用的應用的型鈦合金主要為亞穩(wěn)定的型鈦合金主要為亞穩(wěn)定的鈦鈦合金，退火狀態(tài)為合金，退火狀態(tài)為+兩相組織，將其加熱到兩相組織，將其加熱到單相區(qū)后淬單相區(qū)后淬火，因火，因相來不及析出而得到的過飽和的相來不及析出而得到的過飽和的相，稱為亞穩(wěn)相，稱為亞穩(wěn)相。相。Q該類合金

14、塑性好，易于冷加工成形，成形后可通過時該類合金塑性好，易于冷加工成形，成形后可通過時效處理，使強度提高；效處理，使強度提高；Q該類合金的淬透性高；該類合金的淬透性高；Q化學成分偏析嚴重，這種類型的合金只有兩個牌號，化學成分偏析嚴重，這種類型的合金只有兩個牌號，實際獲得應用的僅有實際獲得應用的僅有TB2一種。一種。 鈦合金的分類鈦合金的分類22鈦的主要合金元素鈦的主要合金元素現(xiàn)有鈦合金中的主要合金元素有釩、鈮、鉬、鉻、錳、鎳、現(xiàn)有鈦合金中的主要合金元素有釩、鈮、鉬、鉻、錳、鎳、銅、錫及鉭等，可分為三類：銅、錫及鉭等，可分為三類：第一類是第一類是相穩(wěn)定元素相穩(wěn)定元素，提高，提高轉變溫度。轉變溫度。

15、鋁鋁是最常見、是最常見、最有效的最有效的強化元素，有效提高低溫和高溫（強化元素，有效提高低溫和高溫（550 550 以下）以下）的強度，同時鋁的密度小，因此的強度，同時鋁的密度小，因此鋁是鈦合金中的一個基本鋁是鈦合金中的一個基本合金元素合金元素。第二類是合金元素錫、鋯等第二類是合金元素錫、鋯等，能有效強化，能有效強化相，它們在相，它們在TiTi和和TiTi都有大的固溶度，但對都有大的固溶度，但對相變溫度影響相變溫度影響較小，故有中性強化元素之稱。它們的強化作用也可保持較小，故有中性強化元素之稱。它們的強化作用也可保持到較高的溫度。到較高的溫度。第三類是第三類是相穩(wěn)定元素相穩(wěn)定元素，一般是降低，

16、一般是降低轉變溫度，見下頁。轉變溫度，見下頁。23Q 第三類是第三類是相穩(wěn)定元素相穩(wěn)定元素，一般是降低，一般是降低轉變溫度。它可以轉變溫度。它可以分為兩小類：分為兩小類：（1）產生產生相共析分解的元素相共析分解的元素，如，如鉻、鈷、錳、鎢、鐵、鎳、鉻、鈷、錳、鎢、鐵、鎳、銅、銀、金、鈀、鉑銅、銀、金、鈀、鉑等。隨溫度降低，等。隨溫度降低， 相會發(fā)生共析分解，析相會發(fā)生共析分解，析出出相及金屬間化合物相。銅、硅等合金化時，共析轉變快，析相及金屬間化合物相。銅、硅等合金化時，共析轉變快，析出出TiCu2，Ti5Si3。而鐵、錳、鉻、鈷、鎳等合金化時則速率較而鐵、錳、鉻、鈷、鎳等合金化時則速率較慢，

17、即使連續(xù)緩慢冷卻，也可能轉變不完全，保留一些殘余的慢，即使連續(xù)緩慢冷卻，也可能轉變不完全，保留一些殘余的相。當快速冷卻時，共析反應可以被完全抑制，過冷相。當快速冷卻時，共析反應可以被完全抑制，過冷相可保留相可保留到室溫，而不產生相變。到室溫，而不產生相變。（2）不產生不產生相共析分解的元素相共析分解的元素，如，如釩、鈮、鉭、錸、鉬釩、鈮、鉭、錸、鉬屬于屬于這一類，慢冷時析出這一類，慢冷時析出相，快冷時有相，快冷時有馬氏體相變。隨著合金元馬氏體相變。隨著合金元素含量達到臨界值，快冷使素含量達到臨界值，快冷使相成為室溫穩(wěn)定相。相成為室溫穩(wěn)定相。 相穩(wěn)定能力相穩(wěn)定能力按鉬釩鈮鉭次序變小。按鉬釩鈮鉭次

18、序變小。24當含量較低時，當含量較低時， C1之之前，前， 相發(fā)生馬氏體相相發(fā)生馬氏體相變，形成變，形成相。在成分相。在成分C1和和C2之間，得到之間，得到+ 殘余殘余相組織。當成分相組織。當成分達到達到C2時，馬氏體轉時，馬氏體轉變完全被抑制，只有變完全被抑制，只有殘留殘留相存在，在應力相存在，在應力下下分解，形成分解，形成相。當相。當含量大于含量大于C3時，殘余時，殘余相保持穩(wěn)定，不再分相保持穩(wěn)定，不再分解。實際上，此相并解。實際上，此相并非熱力學穩(wěn)定，回火非熱力學穩(wěn)定，回火時就會分解成彌散的時就會分解成彌散的質點，只有當元素含質點，只有當元素含量超過量超過C4時，才得到時，才得到室溫熱力

19、學穩(wěn)定的室溫熱力學穩(wěn)定的相。相。高溫高溫相淬火快速冷卻時的相變相淬火快速冷卻時的相變合金元素含量不同，可合金元素含量不同，可能獲得不同的快冷組織。能獲得不同的快冷組織。當含量較低時，當含量較低時，相發(fā)生相發(fā)生馬氏體相變，形成馬氏體相變，形成相。相。25氣體雜質元素的作用氣體雜質元素的作用TiTi是是hcphcp結構，它的結構，它的00010001面不是唯一的滑移面，其他面不是唯一的滑移面，其他如如 晶面也可參與滑移，因此，純鈦的塑性好，優(yōu)晶面也可參與滑移，因此，純鈦的塑性好，優(yōu)于鎂和鋅等。但鈦的機械性能與其氣體、雜質（包括氧、氮、于鎂和鋅等。但鈦的機械性能與其氣體、雜質（包括氧、氮、氫、鐵及硅

20、）含量有密切關系。氫、鐵及硅）含量有密切關系。Q氧氧：穩(wěn)定：穩(wěn)定相元素，在相元素，在相中的溶解度相中的溶解度w(O)高達高達14.5%，占，占據(jù)八面體間隙位置，產生點陣畸變，起強化作用，不利塑性。據(jù)八面體間隙位置，產生點陣畸變，起強化作用，不利塑性。因此，利用含氧量的不同可以得到幾種不同強度及加工性能因此，利用含氧量的不同可以得到幾種不同強度及加工性能組合的商業(yè)用純鈦。一般含氧量均較高，組合的商業(yè)用純鈦。一般含氧量均較高， w(O)達達0.10.2%。Q氮氮：是強穩(wěn)定：是強穩(wěn)定相元素，溶解度達相元素，溶解度達6.57.4%(質量質量)，也是，也是存在于間隙位置，形成間隙固溶體。它強烈提高強度而

21、降低存在于間隙位置，形成間隙固溶體。它強烈提高強度而降低塑性，當塑性，當w(N)0.2%時可發(fā)生脆性斷裂。所以含氮量不能太時可發(fā)生脆性斷裂。所以含氮量不能太高，但實際合金的高，但實際合金的w(N)也有也有0.030.06%的水平。的水平。1110011026氣體雜質元素的作用氣體雜質元素的作用氫氫：穩(wěn)定：穩(wěn)定相元素。相元素。Q在在335下，氫在下，氫在-Ti的溶解度為的溶解度為0.18%，并隨溫度降低而迅速下，并隨溫度降低而迅速下降。故降。故相鈦合金很容易發(fā)生氫脆，脆化原因是生成相鈦合金很容易發(fā)生氫脆，脆化原因是生成TiH2氫化物，氫化物，一般純一般純-Ti的沖擊韌性的沖擊韌性K180J/cm

22、2，當當w(H)=0.015%時，時， K降至降至30J/cm2。因此，具有因此，具有及及組織的鈦合金要求含氫量低，一般采組織的鈦合金要求含氫量低，一般采用真空冶煉，使含氫量較低。用真空冶煉，使含氫量較低。碳碳：穩(wěn)定：穩(wěn)定相元素，碳小于相元素，碳小于0.1，間隙固溶體，大于，間隙固溶體，大于0.1時析出碳時析出碳化物?；?。27鈦合金熱處理基礎鈦合金熱處理基礎 少數(shù)鈦合金系，如少數(shù)鈦合金系，如Ti-Cu系，可以進行時效析系，可以進行時效析出金屬間化合物（如出金屬間化合物（如Ti2Cu）強化。大多數(shù)鈦合金強化。大多數(shù)鈦合金只是通過熱處理控制只是通過熱處理控制相變，合金成分，特別是相變，合金成分，

23、特別是相穩(wěn)定元素含量以及冷卻速度，對相穩(wěn)定元素含量以及冷卻速度，對相變有重要影相變有重要影響。響。28鈦合金熱處理基礎鈦合金熱處理基礎自高溫自高溫相穩(wěn)定區(qū)冷卻下來，相穩(wěn)定區(qū)冷卻下來， 相發(fā)生分解。相發(fā)生分解。當轉變溫度當轉變溫度T3時，轉變終了得時，轉變終了得+相。相。當轉變溫度當轉變溫度T2時，先是時，先是+，此時此時為介穩(wěn)為介穩(wěn)定相，再進一步轉變?yōu)槎ㄏ?，再進一步轉變?yōu)? +。當轉變溫度為當轉變溫度為T1時，發(fā)生時，發(fā)生+相變。相變。三種情況下相應的硬度變化見圖。三種情況下相應的硬度變化見圖。相均勻細相均勻細小，析出明顯強化合金，但一般同時引起嚴重小，析出明顯強化合金，但一般同時引起嚴重脆性

24、。因此，脆性。因此，相沉淀硬化是難以接受的。相沉淀硬化是難以接受的。再增加冷速，可以不發(fā)生相變得到室溫介穩(wěn)的再增加冷速，可以不發(fā)生相變得到室溫介穩(wěn)的相，或者得到相，或者得到馬氏體相變，得到馬氏體相變，得到馬氏體馬氏體相（當相（當穩(wěn)定劑小于臨界濃度時）；在隨后的時穩(wěn)定劑小于臨界濃度時）；在隨后的時效時，馬氏體又可以分解析出細小效時，馬氏體又可以分解析出細小相。相。29鈦合金的強韌化基礎鈦合金的強韌化基礎 鈦合金的機械性能與其顯微組織密切相關，通過鈦合金的機械性能與其顯微組織密切相關，通過熱處理和熱機械處理，可以得到需要的組織和性能。熱處理和熱機械處理，可以得到需要的組織和性能。 下面分下面分近近

25、和和鈦合金鈦合金、鈦合金鈦合金和和鈦合金鈦合金三類三類合金討論合金討論30鈦合金的強韌化基礎鈦合金的強韌化基礎1.近近和和鈦合金鈦合金 這類合金的力學性能對一般的熱處理不敏感，因為總這類合金的力學性能對一般的熱處理不敏感，因為總是是相沒有相變。通過冷加工和隨后退火控制相沒有相變。通過冷加工和隨后退火控制相的晶粒相的晶粒大小，通過固溶強化可以強化合金。熱加工制度分為大小，通過固溶強化可以強化合金。熱加工制度分為、+和和相區(qū)熱加工三種。經相區(qū)熱加工三種。經熱加工冷卻后得到片狀魏熱加工冷卻后得到片狀魏氏組織氏組織結構，結構，熱加工可以得到等軸熱加工可以得到等軸結構，對于近結構，對于近鈦合金經鈦合金經

26、+熱加工后也可得到等軸熱加工后也可得到等軸結構。結構。 魏氏組織魏氏組織片結構的斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴展性都片結構的斷裂韌性和抗疲勞裂紋擴展性都很好，而等軸很好，而等軸相結構的低周疲勞性能和拉伸強度較高。相結構的低周疲勞性能和拉伸強度較高。3132魏氏組織魏氏組織片結構的斷裂韌性與屈服強度的關系片結構的斷裂韌性與屈服強度的關系33間隙元素的硬化能力比間隙元素的硬化能力比穩(wěn)定元素大，源于形成強穩(wěn)定元素大，源于形成強的局部定向電子結合鍵。的局部定向電子結合鍵。穩(wěn)定元素和間隙元素的固溶強化穩(wěn)定元素和間隙元素的固溶強化34 穩(wěn)定元素的鈦固溶強化作用穩(wěn)定元素的鈦固溶強化作用多元合金強化更有效，固多元合金

27、強化更有效，固溶強化低溫有效，高溫時需溶強化低溫有效，高溫時需沉淀析出強化。沉淀析出強化。35鈦合金的強韌化基礎鈦合金的強韌化基礎+鈦合金鈦合金2. +鈦合金鈦合金Ti-6Al-4V是應用最廣泛的是應用最廣泛的+鈦合金，其強度特性可通過控制鈦合金，其強度特性可通過控制、二相的相對含量及金相形態(tài)而變化。退火態(tài)合金拉伸強度約二相的相對含量及金相形態(tài)而變化。退火態(tài)合金拉伸強度約900MPa，而固溶時效態(tài)可以獲得而固溶時效態(tài)可以獲得1200MPa。一般說來通過組織一般說來通過組織細化和細化和相變控制，可以獲得高強度。首先經相變控制，可以獲得高強度。首先經+兩相區(qū)熱加工后兩相區(qū)熱加工后控制固溶處理，得到

28、細而均勻分布的一次控制固溶處理，得到細而均勻分布的一次相，再時效得到在前相，再時效得到在前相區(qū)析出細的二次相區(qū)析出細的二次相質點。細的等軸相質點。細的等軸結構還具有較高的塑性、結構還具有較高的塑性、疲勞裂紋形成阻力和高溫低周疲勞強度。疲勞裂紋形成阻力和高溫低周疲勞強度。當合金在當合金在相區(qū)處理時，則控制冷卻可得到魏氏組織片狀相區(qū)處理時，則控制冷卻可得到魏氏組織片狀相和相和網籃狀組織。在相同強度條件下，這種組織具有比等軸網籃狀組織。在相同強度條件下，這種組織具有比等軸結構高結構高的斷裂韌性、疲勞裂紋擴展阻力和蠕變強度。的斷裂韌性、疲勞裂紋擴展阻力和蠕變強度。36鈦合金的強韌化基礎鈦合金的強韌化基

29、礎鈦合金和近鈦合金和近鈦合金鈦合金鈦合金的鈦合金的相可以殘留到室溫，但卻是不穩(wěn)定的相可以殘留到室溫，但卻是不穩(wěn)定的相，隨后時相，隨后時效析出效析出第二相強化。這類合金主要是時效強化，在制備過程第二相強化。這類合金主要是時效強化，在制備過程中可以有很好的工藝和成型性能，以后經熱處理又可以得到很中可以有很好的工藝和成型性能，以后經熱處理又可以得到很高的強度，其強度和韌性均可優(yōu)于高的強度，其強度和韌性均可優(yōu)于+鈦合金。但是如果處理鈦合金。但是如果處理不當，不當，合金可產生嚴重脆性。合金可產生嚴重脆性。 0.2=850+70d-1(MPa)要求要求析出相質點細小均勻析出。細化析出相質點細小均勻析出。細

30、化晶?？梢酝七t晶界晶粒可以推遲晶界相相優(yōu)先析出。低溫時效可以促進均勻析出和控制優(yōu)先析出。低溫時效可以促進均勻析出和控制長大，二次時長大，二次時效處理也可得到更加均勻的效處理也可得到更加均勻的。最有效的方法是控制位錯結構，最有效的方法是控制位錯結構，以促進以促進質點在位錯處均勻析出。有三類不同方法可得到合適質點在位錯處均勻析出。有三類不同方法可得到合適的位錯結構，促進的位錯結構，促進均勻細小析出：一是固溶前冷加工；二是均勻細小析出：一是固溶前冷加工；二是冷加工恢復處理；三是溫加工（易得到合適的位錯結構）。冷加工恢復處理；三是溫加工（易得到合適的位錯結構）。37高塑性：細高塑性：細晶粒，適當大小的

31、晶粒，適當大小的沉淀強化沉淀強化低塑性：粗大的低塑性：粗大的晶粒，晶粒，相析出相析出當當晶粒大到一個臨界值時，晶粒大到一個臨界值時，開始發(fā)生沿晶斷裂而塑性下開始發(fā)生沿晶斷裂而塑性下降，再增大到另一個臨界值降，再增大到另一個臨界值時塑性值降到零。時塑性值降到零。38特點：鈦合金的機械性能與耐蝕性都比純鈦特點：鈦合金的機械性能與耐蝕性都比純鈦有明顯提高。有明顯提高。工業(yè)上使用的都是鈦合金。工業(yè)上使用的都是鈦合金。鈦合金的主要腐蝕形態(tài)是氫脆和應力腐蝕破鈦合金的主要腐蝕形態(tài)是氫脆和應力腐蝕破裂裂。鈦合金特點及牌號鈦合金特點及牌號39鈦合金鈦合金 在純鈦中加入在純鈦中加入Al、Mo、Cr、Sn、Mn、V

32、等合金等合金元素形成鈦合金，按退火組織可分為：元素形成鈦合金，按退火組織可分為： 型型 型型 （）型鈦合金型鈦合金 分別用分別用TA、TB、TC加順序號表示。工業(yè)純鈦的室加順序號表示。工業(yè)純鈦的室溫組織為溫組織為相，因此牌號劃入相，因此牌號劃入型鈦合金的型鈦合金的TA序列。序列。 40Q顯微組織是顯微組織是相組織相組織，含有，含有相穩(wěn)定元素及中性強化相穩(wěn)定元素及中性強化元素。純鈦是一個典型的元素。純鈦是一個典型的-鈦合金，鈦合金， -鈦合金中的鈦合金中的主主要元素是鋁、鋯、錫要元素是鋁、鋯、錫等。等。Q當加入少量當加入少量相穩(wěn)定元素時，可以得到近相穩(wěn)定元素時，可以得到近-鈦合金，鈦合金，顯微組

33、織上除顯微組織上除相基體外，還有少量相基體外，還有少量相。相。Q典型的鈦合金有典型的鈦合金有Ti-8Al-1Mo-1V、IMI685（Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.25Si）型鈦合金組織特點型鈦合金組織特點41型鈦合金型鈦合金性能：性能：室溫強度低，高溫強度高；具有良好的抗氧化室溫強度低，高溫強度高；具有良好的抗氧化性、焊接性和耐蝕性，不可熱處理強化，退火態(tài)使用。性、焊接性和耐蝕性，不可熱處理強化，退火態(tài)使用。牌號：牌號：TA4、TA5、TA6、TA7、TA8等，常用的有等，常用的有TA5、TA7等，以等，以TA7最常用。最常用。TA7還具有優(yōu)良的低溫性能。還具有優(yōu)良的低溫性能。用途：

34、用途：用于制造用于制造500以下溫度工作以下溫度工作的火箭、飛船的低的火箭、飛船的低溫高壓容器，航空發(fā)動機壓氣機葉片和管道、導彈燃溫高壓容器，航空發(fā)動機壓氣機葉片和管道、導彈燃料缸等。料缸等。TA5主要用于制造船艦零件。主要用于制造船艦零件。42-鈦合金和近鈦合金和近鈦合金：鈦合金：這類合金含有大量的這類合金含有大量的相穩(wěn)定元素，多數(shù)還含有鋁、相穩(wěn)定元素，多數(shù)還含有鋁、鋯、錫等元素。鋯、錫等元素。-鈦合金的室溫強度可達到鈦合金的室溫強度可達到+鈦合金水平，但具有鈦合金水平，但具有最佳的工藝性能，不過其高溫強度比不上最佳的工藝性能，不過其高溫強度比不上+合金。合金。近近鈦合金的顯微組織也是由鈦合

35、金的顯微組織也是由+鈦合金兩相組成。鈦合金兩相組成。典型的典型的-鈦合金如鈦合金如Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15.3),典型典型的近的近鈦合金如鈦合金如Ti-10V-2Fe-3Al(Ti-10.2.3)。型鈦合金型鈦合金43牌號：牌號：有有TB21、TB2兩個，可熱處理強化，實際兩個，可熱處理強化，實際 應用的為應用的為TB2。性能：性能：合金的強度高、焊接性好。熱穩(wěn)定性差。合金的強度高、焊接性好。熱穩(wěn)定性差。用途：用途：用于制造用于制造350以下溫度工作的飛機壓氣以下溫度工作的飛機壓氣 機葉片、彈簧、緊固件等。機葉片、彈簧、緊固件等。型鈦合金型鈦合金44Q含有較多的含有較多

36、的相穩(wěn)定元素和相穩(wěn)定元素和相穩(wěn)定元素，具有相穩(wěn)定元素，具有+相相混合組織結構。這些相的金相形態(tài)和數(shù)量依成分、熱混合組織結構。這些相的金相形態(tài)和數(shù)量依成分、熱加工變形和熱處理方式而異。加工變形和熱處理方式而異。Q這類合金可經處理得到很高的強度水平，典型例子這類合金可經處理得到很高的強度水平，典型例子有有Ti-6Al-4V(IMI318)合金和合金和IMI550(Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si).QTi-6Al-4V合金至今仍是使用最廣泛的鈦合金。合金至今仍是使用最廣泛的鈦合金。+型鈦合金組織特點型鈦合金組織特點45型鈦合金型鈦合金性能：性能：具有具有型和型和型鈦合金的優(yōu)點，但焊接性能不

37、如型鈦合金的優(yōu)點，但焊接性能不如型鈦合金，可通過熱處理來強化。型鈦合金，可通過熱處理來強化。牌號：牌號：TC1TC11，常用的有常用的有TC3、TC4、TC6、TC10等，以等，以TC4最常用。最常用。用途：用途：制造制造400以下工作的航空發(fā)動機壓氣機葉片，以下工作的航空發(fā)動機壓氣機葉片，火箭發(fā)動機外殼，火箭和導彈的液氫燃料箱部件，船艦火箭發(fā)動機外殼，火箭和導彈的液氫燃料箱部件，船艦耐壓殼體等。耐壓殼體等。TC10是在是在TC4基礎上發(fā)展起來的，具有基礎上發(fā)展起來的，具有更高的強度和耐熱性。更高的強度和耐熱性。 46四、鈦合金的發(fā)展與應用四、鈦合金的發(fā)展與應用47牌號牌號化學成分組化學成分組

38、牌號牌號化學成分組化學成分組TADTAD碘法鈦碘法鈦TB2TB2TiTi5Mo5Mo5V5V8Cr8Cr3Al3AlTA0TA0工業(yè)純鈦工業(yè)純鈦TB3TB3TiTi3.5Al3.5Al10Mo10Mo8V8V1Fe1FeTA1TA1工業(yè)純鈦工業(yè)純鈦TB4TB4TiTi4Al4Al7Mo7Mo10V10V2Fe2Fe1Zr1ZrTA2TA2工業(yè)純鈦工業(yè)純鈦TC1TC1TiTi2AL2AL1.5Mn1.5MnTA3TA3工業(yè)純鈦工業(yè)純鈦TC2TC2TiTi4AL4AL1.5Mn1.5MnTA4TA4TiTi3Al3AlTC3TC3TiTi5Al5Al4V4VTA5TA5TiTi4Al4Al0.00

39、5B0.005BTC4TC4TiTi6AL6AL4V4VTA6TA6TiTi5Al5AlTC6TC6TiTi1.5Cr1.5Cr2.5Mo2.5Mo0.5Fe0.5Fe0.3Si0.3SiTA7TA7TiTi5Al5Al2.5Sn2.5SnTC9TC9TiTi6.5Al6.5Al3.5Mo3.5Mo2.5Sn2.5Sn0.3Si0.3SiTA7ELITA7ELITiTi5Al5Al2.5Sn(ELI)2.5Sn(ELI)TC10TC10TiTi6Al6Al6V6V2Sn2Sn0.5Cu0.5Cu0.5Fe0.5FeTA9TA9TiTi0.2Pd0.2PdTC11TC11TiTi6.5Al6.5

40、Al3.5Mo3.5Mo1.5Zr1.5Zr0.3Si0.3SiTA10TA10TiTi0.3Mo0.3Mo0.8Ni0.8NiTC12TC12TiTi4Mo4Mo4Cr4Cr2Zr2Zr2Sn2Sn1Nb1Nb ELIELI表示超低間隙表示超低間隙48 鈦合金的近期發(fā)展有三方面鈦合金的近期發(fā)展有三方面: :一是改善工藝、提高質量，一是改善工藝、提高質量，二是發(fā)展新合金以適應市場需要，二是發(fā)展新合金以適應市場需要，三是擴大應用市場。三是擴大應用市場。 49首先是要提高鈦的純潔度，一方面要改善工藝，一方面要改善首先是要提高鈦的純潔度，一方面要改善工藝，一方面要改善無損探傷技術。無損探傷技術。只有

41、商業(yè)純鈦帶及焊接管有足夠的產量，允許使用像生產鋼一只有商業(yè)純鈦帶及焊接管有足夠的產量，允許使用像生產鋼一樣的大規(guī)模生產裝備，才能降低成本。樣的大規(guī)模生產裝備，才能降低成本。v例如，有人考慮把例如，有人考慮把EBCHM熔煉和連續(xù)鑄錠法聯(lián)系起來大熔煉和連續(xù)鑄錠法聯(lián)系起來大規(guī)模生產純鈦合金。規(guī)模生產純鈦合金。RMI鈦公司已成功地用無縫鋼管生產裝鈦公司已成功地用無縫鋼管生產裝置生產出直徑置生產出直徑250mm350mm的無縫鈦合金管。的無縫鈦合金管。v軋制鈦復合鋼板是一種降低成本的新工藝，先軋制復合一軋制鈦復合鋼板是一種降低成本的新工藝，先軋制復合一層便宜的鈦層墊底，再軋上一層層便宜的鈦層墊底，再軋上

42、一層1rnm1.4mm厚的高級耐蝕厚的高級耐蝕鈦合金或鈦合金或Zr-702合金層就可得到耐蝕性極優(yōu)的復合鋼板，合金層就可得到耐蝕性極優(yōu)的復合鋼板，成本下降成本下降15一一45。v另外，用永久鑄模代替精密鑄生產鑄件，可降低成本另外，用永久鑄模代替精密鑄生產鑄件，可降低成本4050。一、改善工藝，提高質量，降低成本一、改善工藝，提高質量，降低成本50vTi-6Al-4V是宇航工業(yè)應用的最主要的老牌鈦合金。但是宇航工業(yè)應用的最主要的老牌鈦合金。但是，近來是，近來Ti-l0-2-3合金、合金、Ti-6-22-22.5合金、合金、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-0.15Si合金和合金和 A

43、lloy C也有機會應用干宇航也有機會應用干宇航工業(yè)。工業(yè)。vTi-l0-2-3是是60年代發(fā)展起來的，強度達到年代發(fā)展起來的，強度達到b1170MPa，s1070MPa，=78己可用于制造飛機己可用于制造飛機的起落架（波音的起落架（波音777和和C-17）。）。最高使用溫度為最高使用溫度為260，其板材的性能可達其板材的性能可達b1240MPa，s =1000MPa，5，可制作飛機構件。可制作飛機構件。vAlloy C是一個新型高溫鈦合金，使用溫度達是一個新型高溫鈦合金，使用溫度達650，它的特性是抗燃燒阻力大和高溫強度大，用于制造它的特性是抗燃燒阻力大和高溫強度大，用于制造F-119發(fā)動機

44、的排氣管，發(fā)動機的排氣管，b1000MPa，s =930MPa，20。二、鈍合金的新發(fā)展和新應用二、鈍合金的新發(fā)展和新應用51二、鈍合金的新發(fā)展和新應用二、鈍合金的新發(fā)展和新應用v當前，鈦合金已擴大應用到民品工業(yè)及船舶工業(yè)。當前，鈦合金已擴大應用到民品工業(yè)及船舶工業(yè)。v一個發(fā)展是用一個發(fā)展是用Ti-6Al-4V做蒸汽渦輪葉片，做蒸汽渦輪葉片，1993年已做出年已做出1016cm長的葉片，用于長的葉片，用于700MW透平機。透平機。v同時期發(fā)展出同時期發(fā)展出Ti-15Mo5-5Zr抗腐蝕性合金，經焊接和熱處理后，抗腐蝕性合金，經焊接和熱處理后，可得到均勻的顯微組織和一層抗腐蝕表面層使用效果好?？?/p>

45、得到均勻的顯微組織和一層抗腐蝕表面層使用效果好。vTi-6A1-4V的可鍛性略差。為了提高渦輪葉片收得率，研究用的可鍛性略差。為了提高渦輪葉片收得率，研究用Ti-10V-2Fe-3Al和和Ti-17來做葉片，該合金是近來做葉片，該合金是近鈦合金，強度和鈦合金，強度和韌性配合優(yōu)于韌性配合優(yōu)于合金，耐腐蝕性和疲勞性合金，耐腐蝕性和疲勞性v均超過均超過合金，已做出合金，已做出 50.cm長的模型葉片，目前，長的模型葉片，目前，Ti-6Al-4V合金已擴大了在船舶工業(yè)上的應用。合金已擴大了在船舶工業(yè)上的應用。1992年，已做出年，已做出 1萬萬 m深海壓力容器。深海壓力容器。v此外，已有報道此外，已有

46、報道 Beta C合金（合金（Ti-）用做深海裝置用做深海裝置，充分利用鈦合金極優(yōu)的抗海水腐蝕能力。，充分利用鈦合金極優(yōu)的抗海水腐蝕能力。52二、鈍合金的新發(fā)展和新應用二、鈍合金的新發(fā)展和新應用v近幾年來，鈦合金的應用市場明顯擴大到民用消費品。首先近幾年來，鈦合金的應用市場明顯擴大到民用消費品。首先是用是用Ti-6Al-4V做電磁烹調器具。鈦是沒有磁性的。但其電阻率做電磁烹調器具。鈦是沒有磁性的。但其電阻率高，重量輕，低熱容和高耐蝕性是很吸引人的，特別是可以用高，重量輕，低熱容和高耐蝕性是很吸引人的，特別是可以用超塑性加工做精確形狀的烹凋用具。超塑性加工做精確形狀的烹凋用具。v 90年代開始做鈦合金的高爾犬球棒頭，日本采用年代開始做鈦合金的高爾犬球棒頭，日本采用Ti-6Al-4V合金、合金、Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al鈦合金和其他鈦合金，可以是鍛件鈦合金和其他鈦合金，可以是鍛件或鑄件，現(xiàn)已發(fā)展一種用磁懸浮爐熔煉吸進陶瓷模的方法（或鑄件，現(xiàn)已發(fā)展一種用磁懸浮爐熔煉吸進陶瓷模的方法（LEVI-CAST），），主產率和質量均令人滿意。主產率和質量均令人滿意。Ti-15V-3Cr-