第二讲 钛的合金化原理.docx

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第二讲钛的合金化原理

第二讲钛的合金化原理

1、钛的固态相变

钛的两种同素异体结构

密排六方（HCP）——α相，低温相，难变形。

体心立方（BCC）——β相，高温相，易变形。

纯钛的相变点882℃

相变会使晶胞体积、变形能力、塑性、扩散系数等发生重大改变。

2、合金元素与钛的相互作用

由于合金元素原子结构、原子尺寸和晶体结构三者的差异，合金元素与钛的作用分四类：

第一类：

形成离子化合物的元素；O、C1、F，与提取冶金、化工关系大。

第二类：

形成有限固溶体和金属间化合物的元素；A1、C、N、B。

第三类：

形成无限固溶体的元素；

Zr、Hf与α、β相均形成无限固溶。

Mo、V、Cr、Ta、Nb，只在β-Ti中无限固溶，在α-Ti中为有限固溶。

第四类：

与Ti基本不反应或完全不反应的元素，包括：

惰性气体、Na、K、稀土（钪除外）微量稀土可细化晶粒。

3、相——相图

相——物质体系中物理和化学都均匀的部分，它是描述物质状态的一个概念，如水的固相、液相、气相。

相图——表征合金相组成与合金元素含量、温度三者关系的图形。

4、Ti-A1二元相图

铝是钛合金最重要的合金元素，它质轻、价廉、合金化效果好，应用最广。

Ti-A1相图最有代表性与基础性。

从Ti-A1相图可以看出：

①Ti与A1相互作用，可形成4个相。

α相（HCP），A1≤7%~11%，无序固溶体，低塑性相。

β相（BCC），无序固溶体，高塑性相。

α2相（正方），A1＞11%，Ti3A1有序金属间化合物，脆性相。

γ相（六方）A1＞50%，TiA1有序金属间化合物，晶型，脆性相。

②α2相和γ相结构

③常用钛合金（低A1合金）：

含α相、β相

超轻型耐热钛合金（高A1合金），含α2或r相组成，可在650-900℃下使用。

④A1提高α/β相变点。

A1提高再结晶开始温度，提高强度（30-50MPa/1%A1）

A1降低塑性与韧性。

A1超过溶解度极限8%，导致α2（TiA1）相析出，合金脆化。

4、合金元素的分类

按照元素对钛α/β相变点影响，分三类：

①α稳定元素：

升高相变点，扩大α相区，如A1、O、C、N、B，较多溶于α相。

②β稳定元素：

降低相变点，扩大β相区，如Mo、V、Fe、Cr、Ta、Nb、Ni、Si、Cu、Mn、Pd，较多溶于β相

③中性元素：

对相变点影响很小，如Zr、Sn

5、铝当量和钼当量

A1*=A1+1/3Sn+1/6Zr+4Si+10O*

其中：

O*=O+C+2N

A1*在8%以下时，形成单相α钛合金

Mo*=Mo+0.67V+1.6Cr+2.9Fe+1.3Ni+0.28Nb+0.22Ta

铝当量和钼当量影响合金相组成和淬透性，钼当量越高，合金的淬透性越好。

6、合金类型与铝当量和钼当量关系：

铝当量小于7，钼当量为0时，合金为α钛合金

铝当量为7-10，钼当量小于2，合金为近α钛合金

铝当量为4-10，钼当量为3-10，合金为α﹢β钛合金

铝当量小于6，钼当量大于10，合金为近β钛合金

铝当量为12-15，钼当量大于10，合金为α2钛合金

铝当量为25以上，钼当量大于10，合金为γ2钛合金

7、β稳定剂的临界浓度

8各类钛合金的特点

9、重要合金元素的作用

9.1铝

提高α/β相变点提高室温和高温强度

提高再结晶温度和弹性模量

降低塑性与韧性，A1大于8%导致脆化。

9.2锆与锡

锆提高强度，耐热性，耐蚀性

细化晶粒，改善可焊性

抑制高铝合金中ω相析出

锆与Ti熔点、密度差小，合金成份易均匀

锆增加合金的吸氢性，一般控制Zr＜4%

锡改善耐热性（如TC9）和低温性能（如TA7）

锡与Ti熔点、密度差大，对熔炼不利，一般Sn＜3%

9.3钼（M0）

钼在β-Ti中无限固溶，具有中等稳定β相能力。

钼提高强度、耐热性、耐蝕性、淬透性。

大量加钼可获得全β钛合金。

但钼v熔点高，密度大，易生成钼偏析或夹杂，大量钼对降低、抗氧化性、可焊性不利。

钼是广泛使用的合金元素。

9.4钒（V）

在β-Ti中无限固溶，在α-Ti中极限固溶3.5%（600℃）

钒提高强度和淬透性，而不降低塑性

Ti-6A1-4V是世界上第一个实用钛合金

Ti-6A1-4V占全部钛合金的50%以上

高钒合金（Ti-15-3，TB3）加工性，冷成形性好

阻燃合金（Ti-40）为高钒（35V）合金

钒有毒，价格贵，也不宜多用

9.5铬（Cr）

在β中无限固溶，在α-Ti中最大溶解度0.5%

670℃共析转变，β→α+TiCr2，快共析，时效时间短。

合金化强化作用同钒类似

9.6铁（Fe）

最强的β稳定元素，钼当量系数2.5

1%Fe使相变点下降18℃，显著提高淬透性。

它用于Ti-10V-2Fe-3Al（TB6），做大型承力构件。

易产生偏析，在钛材中形成“β斑”缺陷。

显著降低耐蚀性，只少量加入（1.5-3%）

最便宜，最好以中间合金形式加入。

9.7锰（Mn）

少量Mn提高强度，能保持较好塑性

TC1（Ti-2A1-1.5Mn）、TC2（Ti-4A1-1.5Mn），适于做板材

常用做飞机冲压件和焊接件。

Mn易真空挥发，成份难控制，少用。

真空熔炼时要充氩气。

9.8硅（Si）

一般看作有害杂质，降低塑性和韧性，严加控制。

在耐热钛合金中，Ti5Si3起弥散强化作用，提高蠕变强度。

Si用做微量合金化元素，加入量＜0.3%，

过量Si降低热稳定性。

9.9氧、碳、氮（O、C、N）

氧、碳、氮为三种间隙元素，一般看做有害杂质.

提高强度，降低塑性.

氧可用做廉价合金元素。

TiO2粉用来调节纯钛强度。

碳在IMI834耐热合金中用做有益元素，提高相变点，增加α相含量。

提高蠕变强度

N可以生成TiN，氮的危害最大。

在工业中，O、C、N通过选择原料品位来综合控制。

TiN要人工挑选或利用冷床炉熔炼来去除。

高性能要求的钛合金要选用低间隙型钛合金（ELI）.

9、10氢

氢会引起“氢脆”，一般航空钛材要求氢＜0.012%。

氢在钛中是可逆的。

如氢化脱氫制钛粉。

在热加工（加热）和酸洗过程中会增氢

真空熔炼和真空退火可脱氢。

因此，钛材的要在成品上取样复验氢。

9.11镍（Ni）

①在TA10（Ti-0.3Mu-0.8Ni），微量Ni改善抗缝隙腐蚀性能。

②它用做TiNi形状记忆合金。

9.12钯（Pd）、钌（Ru）

在TA8（0.05Pd）、TA9（0.2Pd）、TA27（0.1Ru）微量贵金属

提高在中性介质、还原性介质中的钛合金耐蚀性和抗缝隙腐蚀性。

但它们很贵。

第三讲钛的热处理原理

一、热处理类型

1.1退火——软化处理，消除应力，提高塑性，稳定组织

⑴消除应力退火⑵再结晶退火

⑶等温退火⑷双（多）重退火

⑸蠕变退火⑹β退火

⑺真空退火

1.2固溶（淬火）与时效——强化热处理，适于两相或亚稳β钛合金

⑴固溶（加热与冷却）⑵时效

1.3形变热处理——强韧化处理，形变与热处理相结合

二、热处理的条件、特点及适用范围

2.1消除应力退火（不完全退火）

一种低温退火500-600℃，t＜t再结晶，消除内应力，原子调整位置适于消除压加、焊接、机加、冷成形产生的内应力。

应用于材料、零部件、设备整体的热处理。

2.2再结晶退火（完全退火）

退火温度t＞T再结晶，t＜Tβ，原子作长程运动。

发生再结晶固态相变，形成新晶粒，消除加工硬化，恢复塑性。

适于坯料的中间退火，也用于材料的成品退火。

适于α单相或α+β两相钛合金。

加热以后，有些合金可空冷，有些要炉冷，要控制冷却速度。

2.3等温退火（退火+稳定化处理），双炉处理

2.4双重退火（高温退火+低温稳定化处理），单炉两次处理

2.5β退火

近α型钛合金，经β区退火，获得针片状组织，提高抗高温蠕变性能。

2.6蠕变退火（消除应力+板形平整）

施加外力，外力+热共同作用

⑴地坑炉，用厚钢板施压，对于厚板平整，常用于处理钛钢复合板

⑵真空蠕变校形炉，对1mm以下TC4簿板平整。

2.7真空退火

在真空炉中退火，温度650-800℃，真空度优于10-2Pa

⑴消除加工硬化，提高塑性。

⑵防止退火时氧化。

⑶产品脱氢，防“氢脆”。

用于簿壁管件，带箔材处理。

2.8固溶处理（加工与冷却）——强化处理第一步

淬火作用——获得过饱的固溶体

·在高温下，所有合金元素都溶入基体相中。

·通过快冷到室温，将高温组织状态保留下来。

·过饱的β固溶体是高塑，低强的，非平衡的，不稳定的。

固溶温度：

⑴β合金，在Tβ以上，获得单相组织。

⑵α+β合金，在Tβ以下约40℃，保留少量初生α，有利于塑性。

冷却速度：

取决于合金的淬透性或β相稳定性。

大多数要水冷，少数空冷即可。

2.9时效处理（固溶体分解，析出第二相）

作用——在温度与时间的共同作用下，过饱和固溶的固溶体分解。

析出次生α相（α次）或金属间化合物，细小弥散的第二相，使基体强化。

时效机制

·形核：

通过原子扩散，在局部区域发生原子偏聚，形成富α元素区和富β元素区。

原子排列结构变化，富α元素区形成HCP结构，成次生α相。

富β区仍为BCC结构，成为β转。

形核优先在高能区（存在晶体缺陷地方或晶界发生）。

·长大：

随时间延长，局部偏聚区增多、增大，即晶核增多、长大，第二相α次增多增大，

合金的强度升高，塑性下降。

在某一时刻，α次的数量、大小、分布达到最佳状态，合金获得最高的强度（峰值）。

·过时效：

达到时效峰值之后，α次相粗化，数量减少，强化效果反而下降，进入过时效阶段。

·时效规律：

⑴时效温度越高，时效速度越快，达到“时效峰”所需时间越短。

⑵时效速度还与合金元素性质有关。

⑶有些合金在400℃左右时效，会形成ω相，引起材料脆化。

⑷单相α钛合金不能进行固溶—时效处理，因不能形成过饱和固溶体，稳定β钛合金也不能进行固溶—时效处理。

只有（α+β）钛合金和亚稳β钛合金可固溶—时效处理。

技术规范、标准、手册上提供的时效工艺参数，都是一个范围，要获得优质产品，企业必须结合生产，自己做试验，积累经验，形成数据库，掌握核心的技术。

2.10形变热处理

将塑性变形与热处理相结合，要求获得更好的综合力学性能。

⑴高温形变热处理

加热到Tβ附近变形，再淬大、时效

淬火可抑制再结晶、保留晶体缺陷，有利于时效。

⑵低温形变热处理

加热到Tβ附近先淬火

再在Tc以下进行温变形，再时效。

三，钛合金的组织类型

由于变形条件、热处理温度、热处理时间与冷却速度不同，同种合金会产生不同组织。

⑴单相钛合金，等轴组织

⑵（α+β）钛合金，四种典型组织

四、钛合金组织与性能的关係