2012材料大课堂-钛合金

碳：稳定α相元素，碳小于0.1％，间隙固溶体，大于0.1％时析出碳
化物。
钛合金热处理基础
少数钛合金系，如Ti-Cu系，可以进行时效析
出金属间化合物（如Ti2Cu）强化。大多数钛合金
只是通过热处理控制β→α相变，合金成分，特别是
β相稳定元素含量以及冷却速度，对定区冷却下来， β相发生分解。
钛合金的强韧化基础
钛合金的机械性能与其显微组织密切相关，通过 热处理和热机械处理，可以得到需要的组织和性能。 下面分近α和α钛合金、α＋β钛合金和β钛合金三类 合金讨论
钛合金的强韧化基础
1.近α和α钛合金
这类合金的力学性能对一般的热处理不敏感，因为总 是α相没有相变。通过冷加工和随后退火控制α相的晶粒 大小，通过固溶强化可以强化合金。热加工制度分为α、 α+β和β相区热加工三种。经β热加工冷却后得到片状魏 氏组织α结构，α热加工可以得到等轴α结构，对于近α 钛合金经α+β热加工后也可得到等轴α结构。 魏氏组织α片结构的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性都 很好，而等轴α相结构的低周疲劳性能和拉伸强度较高。
简
介
钛是一种新金属，由于它具有一系列优异特性，被广泛用于航 空、航天、化工、石油、冶金、轻工、电力、海水淡化、舰艇和 日常生活器具等工业生产中，它被誉为现代金属。。
金属钛生产从1948年至今才有半个世纪的历史，它是伴随着航 空和航天工业而发展起来的新兴工业。它的发展经受了数次大起 大落，这是因为钛与飞机制造业有关的缘故。
高温下，钛的化学活性很高，能与卤素、氧、氮、碳、硫
等元素发生剧烈反应。
钛一般不发生孔蚀；除在几种个别介质（如发烟硝酸、甲
醇溶液）中，也不发生晶间腐蚀；钛的应力腐蚀破裂敏感
性小，具有抗腐蚀疲劳的性能，耐缝隙腐蚀性能良好。
纯钛（分类－用途）
根据杂质含量，钛分为高纯钛（纯度达99.9%）和工业纯钛
但总的说来，钛发展的速度是很快的，它超过了任何一种其他 有色金属的发展速度。这从全世界海绵钛工业发展情况可以看出： 海绵钛生产规模60年代为60kt/a，70年代为1l0kt/a，80年代为 130kt/a，到1992年已达140kt/a。
二、纯钛
纯钛
Ti：
ρ: 4.507 g/cm3
Tm：1688℃
魏氏组织α片结构的断裂韧性与屈服强度的关系
α稳定元素和间隙元素的固溶强化
间隙元素的硬化能力比α稳定元素大，源于形成强的 局部定向电子结合键。
β稳定元素的钛固溶强化作用
多元合金强化更有效，固 溶强化低温有效，高温时需 沉淀析出强化。
钛合金的强韧化基础－α+β钛合金
2. α+β钛合金
Ti-6Al-4V是应用最广泛的α+β钛合金，其强度特性可通过控制α、 β二相的相对含量及金相形态而变化。退火态合金拉伸强度约 900MPa，而固溶时效态可以获得1200MPa。一般说来通过组织 细化和β相变控制，可以获得高强度。首先经α+β两相区热加工后 控制固溶处理，得到细而均匀分布的一次α相，再时效得到在前β 相区析出细的二次α相质点。细的等轴α结构还具有较高的塑性、 疲劳裂纹形成阻力和高温低周疲劳强度。 当合金在β相区处理时，则控制冷却可得到魏氏组织片状α相和 网篮状组织。在相同强度条件下，这种组织具有比等轴α结构高 的断裂韧性、疲劳裂纹扩展阻力和蠕变强度。
的牌号。 合金同时含有β相稳定元素和α相稳定元素。组织以α相为主，β 相的数量通常不超过30%。 合金可通过淬火及时效进行强化，多在退火状态下使用。α+β 型钛合金的室温强度和塑性高于α型钛合金，生产工艺比较简单， 通过改变成分和选择热处理制度又能在很宽的范围内改变合金的 性能，应用比较广泛，尤以TC4用途最广，用量最多。
化学成分偏析严重，这种类型的合金只有两个牌号， 实际获得应用的仅有TB2一种。
钛的主要合金元素
现有钛合金中的主要合金元素有钒、铌、钼、铬、锰、镍、铜、 锡及钽等，可分为三类：
第一类是α相稳定元素，提高α→β转变温度。铝是最常见、 最有效的α强化元素，有效提高低温和高温（550 ℃ 以下） 的强度，同时铝的密度小，因此铝是钛合金中的一个基本 合金元素。
第二类是合金元素锡、锆等，能有效强化α相，它们在α－Ti 和β－Ti都有大的固溶度，但对α<=>β相变温度影响较 小，故有中性强化元素之称。它们的强化作用也可保持到 较高的温度。 第三类是β相稳定元素，一般是降低β转变温度，见下页。
第三类是β相稳定元素，一般是降低β转变温度。它可以
分为两小类：
气体杂质元素的作用
α－Ti是hcp结构，它的{0001}面不是唯一的滑移面，其他 如 11 10 晶面也可参与滑移，因此，纯钛的塑性好，优 10 10 于镁和锌等。但钛的机械性能与其气体、杂质（包括氧、氮、 氢、铁及硅）含量有密切关系。
氧：稳定α相元素，在α相中的溶解度w(O)高达14.5%，占
钛合金的分类
β型钛合金: 合金加入了大量的多组元β相稳定元素，同时还
加入α相稳定元素Al。应用的β型钛合金主要为亚稳定的β钛 合金，退火状态为α+β两相组织，将其加热到β单相区后淬 火，因α相来不及析出而得到的过饱和的β相，称为亚稳β相。 该类合金塑性好，易于冷加工成形，成形后可通过时 效处理，使强度提高； 该类合金的淬透性高；
耐低温性能好(在液氮温度下仍有良好的机械性能，强度高而 仍保持良好的塑性及韧性)
耐腐蚀性能(钝化层（TiO2）,纳米尺度，室温下长大极慢)
吸气性能（储气、干燥）
纯钛特点
纯钛：一种银白色的金属
特点：
是很活泼的元素。 有很好的钝化性能，钝化膜很稳定，在许多环境中表现出
很好的耐蚀性。有“耐海水腐蚀之王”之称。
（纯度达99.5%）。
工业纯钛有三个牌号，分别用TA＋顺序号数字1、2、3表示，
数字越大，纯度越低。
杂质含量对钛的性能影响很大，少量杂质可显著提高钛的强度，
故工业纯钛强度较高，接近高强铝合金的水平，主要用于制造 350℃以下温度工作的石油化工用热交换器、反应器、船舰零件、 飞机蒙皮等。
三、钛合金的物理冶金基础
钛合金的物理冶金基础
主要内容：
钛合金二元相图 钛合金分类 主要合金元素与相的形成 气体杂质元素的作用 钛合金热处理基础 钛合金的强韧化基础
钛合金二 元相图
以钛为基的二元 合金相图大致可 分为四类，见图 a~d
钛合金二 元相图
(a)合金元素与α－Ti和β－Ti形成连续固溶体，锆和铪 等元素的性质与钛极相近，原子半径差别也不大，可 以形成连续固溶体。
（1）产生β相共析分解的元素，如铬、钴、锰、钨、铁、镍、 铜、银、金、钯、铂等。随温度降低， β相会发生共析分解， 析出α相及金属间化合物相。铜、硅等合金化时，共析转变快， 析出TiCu2，Ti5Si3。而铁、锰、铬、钴、镍等合金化时则速率 较慢，即使连续缓慢冷却，也可能转变不完全，保留一些残余 的β相。当快速冷却时，共析反应可以被完全抑制，过冷β相可 保留到室温，而不产生相变。 （2）不产生β相共析分解的元素，如钒、铌、钽、铼、钼属于 这一类，慢冷时析出α相，快冷时有α′马氏体相变。随着合金元 素含量达到临界值，快冷使β相成为室温稳定相。 β相稳定能力 按钼＞钒＞铌＞钽次序变小。
高温β相淬火快速冷却时的相变
当含量较低时， C1之 前， β相发生马氏体相 合金元素含量不同 ，可 变，形成α′相。在成分 能获得不同的快冷组织。 C1 和C2 之间，得到α′+ 当含量较低时，β相发生 马氏体相变，形成 α′相。残余β相组织。当成分 达 到 C2 时 ， 马 氏 体 转 变完全被抑制，只有 残留β相存在，在应力 下分解，形成ω相。当 含量大于C3 时，残余β 相保持稳定，不再分 解。实际上，此相并 非热力学稳定，回火 时就会分解成弥散的α 质点，只有当元素含 量 超 过 C4 时 ， 才 得 到 室温热力学稳定的β相。
当转变温度T3时，转变终了得α+β相。
当转变温度T2时，先是β→β+ω，此时ω为介 稳定相，再进一步转变为β+ω→ β+α+ω→β+α。
当转变温度为T1时，发生β→β+ω相变。
三种情况下相应的硬度变化见图。ω相均匀细 小，析出明显强化合金，但一般同时引起严重 脆性。因此，ω相沉淀硬化是难以接受的。 再增加冷速，可以不发生相变得到室温介稳的 β相，或者得到β→α马氏体相变，得到α马氏体 相（当β稳定剂小于临界浓度时）；在随后的 时效时，马氏体又可以分解析出细小β相。
据八面体间隙位置，产生点阵畸变，起强化作用，不利塑性。 因此，利用含氧量的不同可以得到几种不同强度及加工性能 组合的商业用纯钛。一般含氧量均较高， w(O)达0.1~0.2%。
氮：是强稳定α相元素，溶解度达6.5~7.4%(质量)，也是
存在于间隙位置，形成间隙固溶体。它强烈提高强度而降低 塑性，当w(N)0.2%时可发生脆性断裂。所以含氮量不能太 高，但实际合金的w(N)也有0.03~0.06%的水平。
钛合金的强韧化基础－β钛合金和近β钛合金
β钛合金的β相可以残留到室温，但却是不稳定的β相，随后时 效析出α第二相强化。这类合金主要是时效强化，在制备过程 中可以有很好的工艺和成型性能，以后经热处理又可以得到很 高的强度，其强度和韧性均可优于α+β钛合金。但是如果处理 不当，β合金可产生严重脆性。
气体杂质元素的作用
氢：稳定β相元素。
在335℃下，氢在α-Ti的溶解度为0.18%，并随温度降低而迅速下 降。故α相钛合金很容易发生氢脆，脆化原因是生成TiH2氢化物， 一般纯α-Ti的冲击韧性αK≈180J/cm2，当w(H)=0.015%时， αK降至 30J/cm2。因此，具有α及α＋β组织的钛合金要求含氢量低，一般采 用真空冶炼，使含氢量较低。
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