金属材料学第11章 钛合金

2016/6/13
钛合金泵
型钛合金属于密排六方结
构，较高的强度和良好的韧 性，对高温氧污染有较强的 抗力，但成形性能较差。
常用牌号有TA5、TA7 等。典型的钛合金TA7
（Ti-5Al-2.5Sn），市场占 有20％，组织稳定、焊接性 好，比强度是铝和钢的两倍， 用作飞机蒙皮和模锻件。 Al、Sn可使再结晶温度和同 素异构转变温度升高。
2016/6/13
一般工业用钛合金Al含量很少超过6％。 α钛合金使用温度≯500℃。 α钛合金不能热处理强化，退火或热轧态 下使用。TA7是应用最多的一种。 TA4~TA6是Ti-Al系二元合金
应 用 特 点
2、α+β钛合金(Al/V、Mo)
合 金 化 特 点 含4~6%的β稳定元素 →α和β同时强化。 α+β合金性能主要由β相元素来决定。 α相元素主要是铝， <6~7%→以免生成α2而 ↓韧性。另补加少量中性元素锡和锆。 β元素选择较复杂。+Mo和V等，再适当+少 量Mn和Cr或微量Si。
特 点
2016/6/13
3、 过冷(残余）βr 的形成
合金元素浓度较高，马氏体转变温度低于室温， β被 冻结，形成βr，成为β钛合金。 β为体心立方，具有较好的塑性，冷加工性能与纯钛 相近。 β钛合金的合金元素量较大，固溶强化效果大；加工 硬化性高；时效强化（析出α相强化）高。 β钛合金固溶后强度：750-950MPa，时效后强度 1000-1700MPa。 β 相中原子扩散系数大，加热温度超过β 相变点时，出现粗大

2.说明下列钢号括号内合金元素的主要作用。
低碳珠光体钢12Cr1MoV(Cr) 调质钢40CrNiMo(Mo) 铁素体不锈钢1Cr25(Cr) 奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti(Ti) 热作模具钢3Cr2W8V(V) 弹簧钢60Si2Mn(Mn) 马氏体不锈钢9Cr18(Cr) 低合金工具钢9SiCr(Si、Cr) 渗碳钢 20CrMn(Mn) 普低钢 10MnPNbRe（Re）
可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好的热强性、
耐蚀性和低温韧性。
2016/6/13
钛 合 金 列 管 式 换 热 器
+型钛合金共有九个牌
号，其中以 TC4(Ti6Al4V)应用最广、
用量最大，占市场55％。
其经过淬火加时效处理后， 组织为++时效析出的
针状。
2016/6/13
图11.1钛与合金元素的典型二元线图 a）α 稳定型, Al、Sn；b)β 稳定型V、 Mo,c) α+γ共析型, Mn、Cr；d)α 和β 全溶 型， Ha、Zr
2016/6/13
Ti-Sn相图
α 稳定型(包析)
β稳定型（共析）
2016/6/13
γ 共析型 α和β全溶型
（二）钛合金的分类（GB/T3621—94） 在退火状态下，按组织分α 型钛合金、β 型 钛合金和α ＋β 型钛合金，以TA、TB、TC 表示。符号后面的数字表示顺序号。 TA7：Ti-5Al-2.5Sn TB2：Ti-3Al-8Cr-5Mo-5V TC4：Ti-6Al-4V
11钛合金titanium alloy
11.1概述 钛及其合金是上世纪40年代发 展起来的一类新型结构材料 Ti的物理性能 纯Ti熔点1668℃。 强度高， 是Al的6倍，塑性好，便于冷 热加工。 还具有超导、记忆、 储氢等特殊性能。 热处理 纯Ti不能热处理强化，只能进 行冷变形强化，α ＋β 型钛
2016/6/13
7.说明下列符号的物理意义 TA7；TC4；TB2； 8.根据钛合金在退火状态的相组成可分 为 ， ， 型钛合金，分别以 , , 表示。 9.钛合金淬火时会得到 ， 组织。 10. 钛合金是发展高强钛合金潜力最大的合 金。
2016/6/13
测试题
1．下列是什么钢种？使用状态组织？ 20Cr 1Cr25Ti 40CrMo 14MnVTiRe W18Cr4V 4Cr13 1Cr18Ni12Mo2Ti 12Cr1MoV 9Mn2V 65Mn
晶粒，产生“β 脆性”
2016/6/13
4、亚稳定相的分解
淬火形成的α′、α″、ω和 βr相都是不稳定的
最终产物 都是平衡 α+β相
β共析 型的
分解产物是 α+TixMy（γ）化合物
各种亚 稳相分 解过程
2016/6/13
（1）过冷βr相分解 ; （2）马氏体分解，钛合金α′、α″在300 ~ 400℃发生快速分解，在400~500℃回火时 →弥散度高的α+β相混合物，弥散强化。 （3）ω相的分解。
图11.4Ti-Al二元合金相图钛端
2016/6/13
型钛合金主要用于制造500℃以 下工作的零件，如飞机压气机叶片、 导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮 机匣及飞船上的高压低温容器等。
-Ti合金组织 钛合金卫星框架 钛合金液下泵
2016/6/13
11.2.2. +型钛合金
加入的合金元素有铝、钒、 钼 、铬等。
+型钛合金主要用于 制造400℃～－196℃ 以下工作的飞机压气机 叶片、火箭发动机外壳、 火箭和导弹的液氢燃料 箱部件及舰船耐压壳体 等。
飞 机 压 气 机 叶 片
生物医 用材料
2016/6/13
11.2.3.型钛合金 加入的合金元素有钼、 铬、钒等。 经淬火加时效处理后， 组织为相基体上分布 着细小的相粒子。 这类合金强度高，但 冶炼工艺复杂，难于 焊接，应用受到限制。
20Leabharlann Baidu6/6/13
性能 特点 与应 用
2016/6/13
11.1.2钛合金的相变
C0
tk
2016/6/13
1、马氏体转变 β相(bcc) → α′六方马氏体(hcp)； → α″斜方马氏体。
基 本 概 念
Ck ： Ms↓β相不发生M转变的合金浓度 tk ：当t淬↓到一定温度，β相浓度↑到Ck时， 淬火到室温β相也不发生M转变的临界淬火温度。 Ck和tk是非常重要的两个参数。
应用程度: α+β合金 > α合金 > β钛合金
2016/6/13
1、α钛合金(Al/Sn)
主要Me是Al和Sn，固溶强化:+1%Me，强度↑35~70MPa Al 作 用 特 点
A1在α相中固溶度很大,↑耐热性(<500℃) 但Al＞6％后→与α共格有序相α2（Ti3Al） α2是硬而脆中间相，对合金塑韧性不利。 Al大于25%后，则出现γ相（TiAl）
美F-22战机约36%重量的零 件用钛合金制造
合金可热处理。
2016/6/13
纯钛主要用于 350℃以 下工作、强度要求不高 的零件，如石油化工用
热交换器、反应器，海
水净化装置及舰船零部 件。
钛钢复合反应釜
钛管换热器
钛制蒸馏塔
2016/6/13
11.1.1钛的基本性质与合金化
①有同素异构转变。 β，bcc| 882℃| α ，hcp ②比强度高。ρ=4.51g/cm3，可保持到550～600℃
性 能 特 点
2016/6/13
α+β钛合金力学性能变化范围较宽，可适 应各种用途，约占航空工业使用的钛合金70％ 以上。目前国内外应用最广泛的α+β钛合金 是Ti-A1-V系的Ti-6A1-4V，即TC4合金。
3、β钛合金(Mo、V/Cr)
β钛合金是发展高强度钛合金潜力最大的合金。
热处理 特点
合金化特点：加入大量β稳定元素。 热处理特点:室温为单相β组织，经时效可↑↑ 强度。淬火态下能冷成型→进行时效处理。 强韧性优于α+β合金，具有良好的焊接性和 压力加工性。缺点是β元素浓度高，密度↑，易 偏析，性能波动大。β相元素多是稀有金属，价 格↑，≯200℃使用，应用受限制. 目前应用的加工钛仅TB2 ，主要用于制造各种 整体热处理的冲压件和焊接件；如轮盘、轴类 等重载荷旋转件，以及飞机的构件等
③耐蚀性好。形成保护膜, 耐海水腐蚀性是最好的 ④低温性能好。在77K下仍有良好的力学性能 ⑤导热系数低。比铁低4.5倍，易产生热应力
2016/6/13
主要合金元素有A1、Zr、V 、Mo、Mn、Cr等
一、钛的合金化及分类
（一）合金元素与钛的作用 1）α 稳定型相图，扩大α 相区的元素有Al、Sn、O、 N、C等。 2）β 稳定型相图，扩大β 相区的元素有V、Mo 等。 3）α +γ 共析型相图，使 共析的元素有Mn、Fe、Cr、 Cu、Si、 Ni、 Ag等。 4） α 和β 全溶型相图，如 Zr、Ha等。
钛合金管
钛合金管应用
2016/6/13
型钛合金有TB2、 TB3、TB4三个牌 号。 主要用于350℃以 下工作的结构件和 紧固件，如飞机压 气机叶片、轴、弹 簧、轮盘等。
钛离心泵
钛合金棒
2016/6/13
β钛合金眼镜架
11.3 钛及钛合金的发展与应用
1、钛合金生产工艺 冶炼技术：电子束重熔技术，真空冶炼等 2、钛合金的新发展 宇航工业 ：AlloyC是一个新型高温钛合金，使用温度 高达650℃ ，用于制造发动机的排气管； 船舶工业 ：深海潜水调查船的耐压壳体。近α钛合金 Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo和α+β钛合金TC4； 民品工业 :电磁烹调器具 、网球球拍、高尔夫球头 ； 汽车工业 :进、排气阀，目前仅用于赛车和运动汽车； 化学工业 :反应器、热交换器、吸收塔、冷却器等； 医疗领域 :骨骼整补等嵌入材料 。
2016/6/13
1 ．对于α+β两相钛合金，可采用下述热处理方法强化 _______ 。 a ．再结晶退火 b ．淬火回火 c ．淬火时效 d ．上述方法都不能强化 2.根据退火组织，钛合金分为哪三类？ 3.Ti6Al4V属于哪一类钛合金？合金中Al和V对组织各有何作用？ 4.为什么在几乎所有的钛合金中，均有一定含量的合金元素铝？ 为什么铝的加入量都控制在6-7%以下？ 5.为什么国内外目前应用最广泛的钛合金是Ti-Al-V系的Ti-6Al4V即TC4合金？ 6.简述铝和锡在α钛合金中的作用。α稳定型合金是钛与哪些元素 形成的合金？
钛合金M是置换型过饱和固溶体，与钢间隙式M不同
2016/6/13
2、ω相的形成
β稳定型钛合金的成分位于临界浓度Ck附近时，淬火时 除形成α′或βr外，还能形成淬火ω相，用ωq表示。
性 质
ω是六方晶格，与β相有共格关系。ω相形 状与Me原子半径r有关，r与钛相差较小的合金， ω相是椭圆形，Δr相差较大时为立方体形 ω相硬而脆，虽↑↑强度、硬度和弹性模量， 但塑性急剧↓。一般情况下,ω相是有害组织，在 热处理时都要避开它的形成区间。加A1能抑制ω 相的形成 → 大多数工业用钛合金都含有A1
11.2常用钛合金
11.2.1. 型钛合金 主加元素为铝，还有锡、硼等。 不能热处理强化，通常在退火 状态下使用，组织为单相固 溶体。 强度低于另两类钛合金，但高 温强度、低温韧性及耐蚀性优 越。 0.2％Pd的加入引起阳极钝化， 使腐蚀抗力提高1000倍。
钛合金氢泵 诱导轮
钛合金氢泵壳体
2016/6/13
二、钛合金特点
α钛合金高温性能好，组织稳定，焊接性好， 是常用耐热钛合金，但常温强度低，塑性不高
各 类 合 金 特 点
α+β钛合金可热处理强化，常温强度高，中温 的耐热性也不错，但组织不够稳定，焊接性差
β合金塑性加工性好，合金浓度适当时，通过 热处理可获得高的常温力学性能，是发展高强度钛 合金的基础，但组织不够稳定，冶炼工艺复杂
2016/6/13
小
结
钛合金是20世纪出现的一种新型结构材料。它具有密度 小、强度高、耐高温和耐腐蚀等特点，且资源丰富，已成 为航天、化工等部门广泛应用的材料 α钛合金塑性差，且不能热处理强化. β钛合金主加元素是Cr、Mo、V等元素及少量铝。主 要是时效硬化，因其明显的缺点，应用受到一定的限制 α+β钛合金是目前最重要的钛合金。同时加入α稳定 元素和β稳定元素，使α和β同时得到强化。力学性能变 化范围较宽，可以适应各种用途，约占航空工业使用的钛 合金70％以上。