Ti-Al相圖(工程材料科學與設計)

1、Ti-Al相圖一、一、 鈦的基本性質與合金化鈦的基本性質與合金化有同素異構轉變。有同素異構轉變。 ，hcp | 882| ，bcc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下仍有良好的力學性能下仍有良好的力學性能導熱系數(shù)低。比鐵低導熱系數(shù)低。比鐵低4.5倍，易產(chǎn)生熱應力倍，易產(chǎn)生熱應力主要合金元素有主要合金元素有A1、Zr、V 、Mo、Mn、Cr等等合金元素的質量分數(shù)（合金元素的質量分數(shù)（%）（a）Ti-Sn(Al等等) （b）Ti-V(Mo等等)

2、 （c）Ti-Mn(Cr等等) （d）Ti-Zr圖圖 鈦與常見合金元素間的四種典型二元相圖鈦與常見合金元素間的四種典型二元相圖二、二、 鈦合金的相變特點鈦合金的相變特點 1 1、馬氏體轉變、馬氏體轉變 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。 tc ：當：當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轉變的臨界淬火溫度。轉變的臨界淬火溫度。Ck和和tc是非常重要的兩個參數(shù)。是非常重要的兩個參數(shù)。 Ck ： Ms室溫時室溫時相不發(fā)生相不發(fā)生M轉變的合金濃度轉變的合金濃度鈦合金鈦合金M是置換

3、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2 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。特特點點性性質質 q是六方晶格，與是六方晶格，與相有共格關系。相有共格關系。相形相形狀與狀與Me原子半徑原子半徑r有關，有關，r與鈦相差較小的合金，與鈦相差較小的合金，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。

4、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A13 3、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）馬氏體分解,鈦合金鈦合金、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

5、+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. 三、常用鈦合金三、常用鈦合金 TiTi合金按退火組織可以分為合金按退火組織可以分為: :分分類類 鈦合金鈦合金,以以TA表示；表示； 鈦合金鈦合金,以以TB表示；表示； +鈦合金，鈦合金， 以以TC表示表示. 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。各各類類合合金金特特點點 鈦合金高溫性能好，組織穩(wěn)定，焊接性好，鈦合金高溫性能好，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 +鈦合金可熱處理強化，常溫強度高，中溫鈦合金可熱處理強化，常溫強度高，中溫的耐熱性也不

6、錯，但組織不夠穩(wěn)定，焊接性差的耐熱性也不錯，但組織不夠穩(wěn)定，焊接性差 合金塑性加工性好，合金濃度適當時，通過合金塑性加工性好，合金濃度適當時，通過熱處理可獲得高的常溫力學性能，是發(fā)展高強度鈦熱處理可獲得高的常溫力學性能，是發(fā)展高強度鈦合金的基礎，但組織不夠穩(wěn)定，冶煉工藝復雜合金的基礎，但組織不夠穩(wěn)定，冶煉工藝復雜 應用程度應用程度: +合金合金 合金合金 鈦合金鈦合金 1 1、鈦合金鈦合金主要主要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后后與與共格有序相共格有序相2

7、（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）應應用用特特點點 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是應用最多的一種。是應用最多的一種。 TA4TA6是是Ti-Al系二元合金系二元合金2 2、+鈦合金鈦合金 合合金金化化特特點點 含含46%的的穩(wěn)定元素穩(wěn)定元素和和都有較多量。都有較多量。+元素元素和和同時強化。同時強化。 +合金性能主要由合金性

8、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錫和鋯。韌性。另補加少量中性元素錫和鋯。 元素選擇較復雜。元素選擇較復雜。+Mo和和V等，再適當?shù)?，再適當+少少量量Mn和和Cr或微量或微量Si。 性性能能特特點點 +鈦合金力學性能變化范圍較寬，可適鈦合金力學性能變化范圍較寬，可適應各種用途，約占航空工業(yè)使用的鈦合金應各種用途，約占航空工業(yè)使用的鈦合金70以上。目前國內(nèi)外應用最廣泛的以上。目前國內(nèi)外應用最廣泛的+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。 3 3、鈦合金鈦合金 鈦合金

9、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與應用用 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，價相元素多是稀有金屬，價格格， 200使用，應用受限制使用，應用受限

10、制. 目前應用僅目前應用僅TB2 ，主要用于制造各種整體熱處主要用于制造各種整體熱處理的沖壓件和焊接件；如輪盤、軸類等重載荷旋理的沖壓件和焊接件；如輪盤、軸類等重載荷旋轉件，以及飛機的構件等轉件，以及飛機的構件等四、四、 鈦及鈦合金的發(fā)展與應用鈦及鈦合金的發(fā)展與應用 1、鈦合金生產(chǎn)工藝、鈦合金生產(chǎn)工藝 冶煉技術：電子束重熔技術，真空冶煉等冶煉技術：電子束重熔技術，真空冶煉等 2、鈦合金的新發(fā)展、鈦合金的新發(fā)展 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 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； 船舶工業(yè)船舶工業(yè) ：深

11、海潛水調查船的耐壓殼體。近：深海潛水調查船的耐壓殼體。近鈦合金鈦合金 Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo和和+鈦合金鈦合金TC4； 民品工業(yè)民品工業(yè) :電磁烹調器具電磁烹調器具 、網(wǎng)球球拍、高爾夫球頭、網(wǎng)球球拍、高爾夫球頭 ； 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； 化學工業(yè)化學工業(yè) :反應器、熱交換器、吸收塔、冷卻器等；反應器、熱交換器、吸收塔、冷卻器等； 醫(yī)療領域醫(yī)療領域 :骨骼整補等嵌入材料骨骼整補等嵌入材料 。 鈦合金是鈦合金是20世紀出現(xiàn)的一種新型結構材料。它具有密度世紀出現(xiàn)的一種新型結構材料。它具有密度小、強度高、耐高

12、溫和耐腐蝕等特點，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、化工等部門廣泛應用的材料為航天、化工等部門廣泛應用的材料 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，因其明顯的缺點要是時效硬化，因其明顯的缺點,應用受到一定的限制應用受到一定的限制 +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。力學性能變同時得到強化。力學性能變化范圍較寬，可以適應各種用途，約占航空

13、工業(yè)使用的鈦化范圍較寬，可以適應各種用途，約占航空工業(yè)使用的鈦合金合金70以上。以上。小小 結結TiAl3 liquid (63 wt % Al) + -Ti. + T i A lT i A l + T iA lT iA l + T iA l2 + T i A l + T iA l + L + T iA lT iA l + LT iA l + T iA l + 27 0 09 0 01 1 0 01 3 0 01 5 0 0T em perature, C23T iA l + T iA l23T iA l + T iA l3T iA l + A l3T iA l + A lA llo tro

14、p ic p h a s e c h a n g e fo r T iA l3L + 3 + T iA l3T iA l + L1 7 0 0The phase Ti3Al transforms the a-Ti of the same composition at approximately 1200C and a composition of approximately 21 wt % Al (33 atomic % Al). L + ( Ti, V )( Ti, V ) + ( Ti )12+Comp. of decreases in V along phase boundary12Comp. o