鈦合金及其熱處理工藝簡述

鈦合金及其熱處理工藝簡述鈦合金及其熱處理工藝簡述鈦合金及其熱處理工藝簡述V:1.0精細(xì)整理，僅供參考鈦合金及其熱處理工藝簡述日期：20xx年X月鈦合金及其熱處理工藝簡述寶雞鈦業(yè)股份有限公司：楊新林摘要：本文對鈦及其合金的基本信息進(jìn)行了簡要介紹，對鈦的幾類固溶體劃分進(jìn)行了簡述，對鈦合金固態(tài)相變也進(jìn)行了概述。重點(diǎn)概述了鈦合金的熱處理類型及工藝，為之后生產(chǎn)實(shí)習(xí)中對鈦合金的熱處理工藝認(rèn)識提供指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：鈦合金，熱處理1引言鈦在地殼中的蘊(yùn)藏量位于結(jié)構(gòu)金屬的第四位,但其應(yīng)用遠(yuǎn)比銅、鐵、錫等金屬滯后。鈦合金中溶解的少量氧、氮、碳、氫等雜質(zhì)元素,使其產(chǎn)生脆性,從而妨礙了早期人們對鈦合金的開發(fā)和利用。直至二十世紀(jì)四五十年代,隨著英、美及蘇聯(lián)等國鈦合金熔煉技術(shù)的改進(jìn)和提高,鈦合金的應(yīng)用才逐漸開展[5]。純鈦的熔點(diǎn)為1668℃,高于鐵的熔點(diǎn)。鈦在固態(tài)下具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,在℃以上為體心立方晶格的β相,在℃以下為密排六方晶格的α相。鈦合金根據(jù)其退火后的室溫組織類型進(jìn)行分類,退火組織為α相的鈦合金記為TAX,也稱為α型鈦合金；退火組織為β相的鈦合金記為TBX,也稱為β型鈦合金；退火組織為α+β兩相的鈦合金記為TCX,也稱為α+β型鈦合金,其中的“X”為順序號。我國目前的鈦合金牌號已超過50個,其中TA型26個,TB型8個以上,TC型15個以上[5]。鈦合金具有如下特點(diǎn)：（1）與其他的合金相比,鈦合金的屈強(qiáng)比很高,屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度極為接近；（2）鈦合金的密度為4g/cm3,大約為鋼的一半,因此,它具有較高的比強(qiáng)度；（3）鈦合金的耐腐蝕性能優(yōu)良,在海水中其耐蝕性甚至比不銹鋼還要好；（4）鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)小,摩擦系數(shù)大,因而機(jī)械加工性不好；（5）在焊接時,鈦合金焊縫金屬和高熱影響區(qū)容易被氧、氫、碳、氮等元素污染,使接頭性能變壞。在熔煉和各種加工過程完成之后,為了消除材料中的加工應(yīng)力，達(dá)到使用要求的性能水平，穩(wěn)定零件尺寸以及去除熱加工或化學(xué)處理過程中增加的有害元素(例如氫)等,往往要通過熱處理工藝來實(shí)現(xiàn)。鈦合金熱處理工藝大體可分為退火、固溶處理和時效處理三個類型。由于鈦合金高的化學(xué)活性,鈦合金的最終熱處理通常在真空的條件下進(jìn)行。熱處理是調(diào)整鈦合金強(qiáng)度的重要手段之一。2鈦合金的合金化特點(diǎn)鈦合金的性能由Ti同合金元素間的物理化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)來決定，即由形成的固溶體和化合物的特性以及對α?β轉(zhuǎn)變的影響等來決定。而這些影響又與合金元素的原子尺寸、電化學(xué)性質(zhì)（在周期表中的相對位置）、晶格類型和電子濃度等有關(guān)。但作為Ti合金與其它有色金屬如Al、Cu、Ni等比較，還有其獨(dú)有的特點(diǎn)，如：（1）利用Ti的α?β轉(zhuǎn)變，通過合金化和熱處理可以隨意得到α、α+β和β相組織；（2）Ti是過渡族元素，有未填滿的d電子層，能同原子直徑差位于±20％以內(nèi)的置換式元素形成高濃度的固溶體；（3）Ti及其合金在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于熔點(diǎn)的溫度中能同O、N、H、C等間隙式雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使性能發(fā)生強(qiáng)烈的改變；（4）Ti同其它元素能形成金屬鍵、共價鍵和離子鍵固溶體和化合物。Ti合金合金化的主要目的是利用合金元素對α或β相的穩(wěn)定作用，來控制α和β相的組成和性能。各種合金元素的穩(wěn)定作用又與元素的電子濃度（價電子數(shù)與原子的比值）有密切關(guān)系，一般來說，電子濃度小于4的元素能穩(wěn)定α相，電子濃度大于4的元素能穩(wěn)定β相，電子濃度等于4的元素，既能穩(wěn)定α相，也能穩(wěn)定β相。工業(yè)用Ti合金的主要合金元素有Al、Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu和Si等，按其對轉(zhuǎn)變溫度的影響和在α或β相中的固溶度可以分為三大類：α穩(wěn)定元素、β穩(wěn)定元素、中性元素[6,7]。α穩(wěn)定元素能提高相變點(diǎn)，在α相中大量溶解和擴(kuò)大α相區(qū)。例如鋁、鎵、硼、碳、氧、氮等。這其中,鋁在配制合金中得到了廣泛的應(yīng)用。鋁的固溶強(qiáng)化效果最顯著,還可提高合金的高溫強(qiáng)度,提高α+β型合金的時效能力,改善合金抗氧化性,減小合金密度,提高彈性模量。β穩(wěn)定元素能降低相變溫度，在β相中大量溶解和擴(kuò)大β相區(qū)。其中鋁、釩、鈮、鉭、鎢等屬于β同晶型的,在β鈦中可以無限固溶,而鐵、錳、鈷、鎳、銅、硅等,在β鈦中只形成有限的固溶體,在含量相同時,它們的固溶強(qiáng)化效果大于同晶型β穩(wěn)定元素的固溶強(qiáng)化效果。就氧而言,Ti-6Al-4V(TC4)根據(jù)碳、氧、氮、氫等元素含量的不同有工業(yè)級(含氧%~%wt)和ELI級(超低間隙,含氧%~%wt)。因為氧元素為α穩(wěn)定元素,使得合金的β轉(zhuǎn)變溫度發(fā)生變化,對工業(yè)級而言,為1010~1020℃,對ELI級為970~980℃[8]。中性元素在實(shí)用含量范圍內(nèi),對p相向a相的同素異晶轉(zhuǎn)變溫度的影響不大，在α和β相中均能大量溶解或完全互溶。中性元素主要有錫、鋯、鉿。α穩(wěn)定型二元相圖、β穩(wěn)定型二元相圖及β共析型二元相圖分別如圖1~圖3。3鈦合金固態(tài)相變純Ti的β→α轉(zhuǎn)變，是體心立方晶格向密排六方晶格的轉(zhuǎn)變，完全符合Burgers的取向關(guān)系：(110)β莫畏，王群驕，等.鈦的金屬學(xué)和熱處理.北京.冶金工業(yè)出版社.2009趙永慶,洪權(quán),葛鵬.鈦及鈦合金金相圖譜.長沙.中南大學(xué)出版社.2011,6英.鄧肯、.漢森著.欽應(yīng)用與選擇(周光爵,王桂生等譯).北京:冶金工業(yè)出版社,~2.國家技術(shù)監(jiān)督局.GBT/一1994.欽及欽合金牌號和化學(xué)成分.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1994.利索娃EA.欽合金金相學(xué).北京:國防工業(yè)出版社,1986.王金友,葛志明,周彥邦.航空用欽合金.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1985.孫毓蔚.Ti6Al-4V合金加工.欽工業(yè)進(jìn)展,2