第三章 钛合金及合金化原理
钛合金及其应用ppt课件.ppt
■钛白粉：化学式TiO2，晶型有锐钛型（A-TiO2）和金红 石型（R-TiO2）两种工业产品。它是最好的白色颜料，还 是塑料、造纸业的重要原料。
■生产方法： ①硫酸法：既能生产金红石型钛白粉也能生产锐钛型钛白粉， 为传统工艺，废料（硫酸亚铁）处理问题尚未很好解决。 ②氯化法：只能生产金红石型钛白粉，目前世界上60% 以上 的钛白粉由此种发法生产，正在不断取代①。
目前使用最广泛的Ti-6Al-4V合金，是在20世纪40年代晚期 由美国开发出来的。现在，人们已经开发出了大量的钛合 金，从而开辟了轻合金在许多工业领域中得以广泛应用的 新局面。
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
■化学性能： 钛的耐腐蚀性很好，虽然钛是一种非常活泼的金属，其
平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大，但是因为钛 和氧的亲和力大，在空气或含氧介质中，钛表面生成一层致 密、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不受腐蚀， 即使受到机械磨损，也会很快自愈或再生，这表明钛是具有 强烈钝化倾向的金属。 对海水的抗腐蚀性很强。
2 工业纯钛（纯度约为99.5%）
2.1 基本性质
■物理性质：纯钛是银白色金属，位于周期表ⅣB族。
表2-1 钛的基本物理性能数据
名称 相对原子量 原子半径 溶化温度/℃ α-TiβTi相变 比密度/g/cm3
热导率 /[W/(m●K)] 超导转变温度／K
数值
47.9 0.145 1668±5（属难熔金属） 相变潜热：3.47KJ/mol, 相变温度:882 ℃, 结构:α(hcp), β(bcc) 4.505(20 ℃) ,4.35(870 ℃) ,4.32(900 ℃),约为纲的57% 22.08,只有铁的1/4,是铜的1/7
钛合金
医用钛合金
纯钛及其合金以其与骨相近似的弹性模量、良好的生物相容性及在生 物环境下优良的抗腐蚀性等在临床上得到了越来越广泛的应用.综述了 医用钛合金的发展和研究现状 ,阐述了钛的生物相容性原理 ,同时简单 评述了钛及其合金表面改性与钛基复合材料的研究现状 .分析表明:纯 钛及其合金具有出色的生物相容性主要归功于表面附着的氧化层 ;β型 钛合金与α/α+β型钛合金相比,具有较高的耐磨性,是一种很有前途的外 科植入用钛合金;寻求更为理想的表面改性工艺从而获得高质量的涂层, 或将生物活性相添加进钛合金基体中制备成复合材料是提高医用钛合 金生物活性的两种有效途径.
目前发展方向
采用传统粉末冶金方法生产钛合金制品主 要步骤为:首先是粉末的制备,然后通过对疏松的 粉末施加一定的外压使其达到致密化,接着对压 坯进行烧结,以得到一定性能的制品。常用的压 制方法有等静压和非等静压两种,可以在常温或 高温下对粉末进行压制。 而近几年国外把采用快速凝固/粉末冶金技 术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为 高温钛合金的发展方向
钛铝合金
钛铝合金在真空镀膜行业应用较广，可以做成一定比例的合金靶材， 作磁控溅射镀膜的原材料。在做真空镀膜靶材时钛铝合金有多种成分 比例。钛铝合金在钛原子含量大于等于 50%时可以用真空熔铸的方式 生产，当钛含量减少铝含量相对增加时就只能通过粉末冶金的方法来 生产才能达到靶材的要求。钛原子大于等于80%时的钛铝合金还可以 锻造，可以轧制。
注：纤维增强复合材料
纤维增强复合材料由增强纤维和基体组成。纤维(或晶须)的直径很小， 一般在l0μm以下，缺陷较少又小，断裂应变不大于百分之三，是脆性 材料。容易损伤、断裂和受到腐蚀。 材料。 、 长纤维复合材料和杂乱短纤维增强复合材料。纤维增强复合材料由于 纤维和基体的不同品种很多。
钛合金材料
钛合金材料《新型工程材料应用》课程论文摘要：随着新技术革命浪潮的推进，继合金钢和金属铝之后，新崛起的第三金属——钛，越来越多地渗透到工业、技术和科学的各个领域，它的魅力向人类展示了它的美好前景。
本文介绍了钛合金的合金化原理、性能特性，综述近年来国内外钛合金材料的发展应用和研发状况，对钛合金材料的发展前景进行了展望。
关键词：钛合金、合金化、特性、发展概述：钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。
99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3，熔点为1725℃，导热系数λ=15.24W/(m.K)，抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。
而钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金。
合金化原理：钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛。
合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：（1）稳定α相、提高相转变温度的元素为α稳定元素,有铝、碳、氧和氮等。
其中铝是钛合金主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。
（2）稳定β相、降低相变温度的元素为β稳定元素，又可分同晶型和共析型二种。
应用了钛合金的产品前者有钼、铌、钒等；后者有铬、锰、铜、铁、硅等。
（3）对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。
氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质。
氧和氮在α相中有较大的溶解度,对钛合金有显著强化效果,但却使塑性下降。
通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.15～0.2％和0.04～0.05％以下。
氢在α相中溶解度很小,钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆。
通常钛合金中氢含量控制在 0.015％以下。
氢在钛中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。
室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：α合金,(α+β)合金和β合金。
钛合金及其应用
V:属于稳定β相的元素,在Ti-V系中无 共析反应和金属化合物相,这样,在与加 热有关的工艺过程有误时,不致产生脆 性.
Nb:属于稳定β相的元素,但作为稳定 剂的效应比V低很多.
1 钛资源及钛产品的冶炼生产
1.1 钛资源的分布及特点
金属元素钛在地壳里的分布广泛，其含量是地壳质量的 4‰还要多一点，世界储量约34亿吨，在所有元素中含量居 10位。
钛在自然界中主要以氧化物的形式存在，目前已发现含 钛矿物有100多种，除金红石外，还有白钛矿、铁钛矿、钙 钛矿等。 金红石含TiO2在95%以上，是提炼钛的重要矿物原料，但在 地壳中储量较少。白钛矿含TiO2为70%～92%。钛铁矿、钙 钛矿含TiO2一般为35% ～52%，但是其储量非常大，是生产 金属钛和钛白粉的主要原料来源。
②Ｈ：是稳定β相的元素 钛在400℃以上 大量吸氢，会引 起氢脆。
③Fe, Si：与钛形成置换 固溶体，过量时形成脆 性化合物。
2.3 钛的组织与结构特征
纯钛的组织,500×:(a)等轴晶粒组织 ;(b)条状的α 组织;(c)呈锯齿状晶界
①等轴晶粒组织 :铸锭经加工变形后,在β 相变点以下退火,再 结晶后得到 ②条状的α组织:缓冷时得到 ③呈锯齿状晶界:缓慢冷却退火后或者快冷
提取金属钛的主要原料含钛矿石，根据其形成的过程，主 要分为岩矿和砂矿两大类：
■岩矿：原生矿，结构比较致密，储量较大，但多复合共生 物，所以钛矿物的品味较低，提取难度较大。主要出现在北 半球，如：中国，美国，加拿大，俄罗斯等国家。
■砂矿：次生矿，结构比较疏松，由于多年的风化和水流的 冲刷，矿物相对富集，品味较高。主要出现在南半球，如： 澳大利亚，新西兰，肯尼亚，莫桑比亚，印度等国家。
钛合金相变知识(整理)
钛合金的固体相变（整理版）钛的主要相及其结构纯钛在固态下有两种同素异构体，常温下以密排六方(hcp)晶格结构存在，称之为α钛。
hcp单元晶胞如图1-1左图所示，在室温下点阵常数a=0.295nm，c=0.468nm。
纯钛的c/a=1.587，小于理想hcp结构的c/a值1.663，(0001)是称为底面(basal plane)，为密排面；(1010)称为棱柱面，(1011)称为棱锥面；a1、a2、a3轴是密排方向，即<1120>方向。
当温度升到882.5℃以上时，变成体心立方(bcc)晶格结构，称之为β钛。
bcc单元晶胞如图1-1右图所示，(110)为密排面，密排方向为<111>，900℃时，点阵常数a=0.332nm。
图1-1 α钛和β钛的原子结构示意图钛合金两相间的具体的转变温度会受间隙和置换元素含量的强烈影响，所以钛的合金元素被分为α稳定元素、中性元素和β稳定元素，如图所示：α稳定元素提高α/β转变温度，置换式的Al和间隙式的C、N、O都是强α稳定元素，这些元素含量越多，则钛合金的α/β转变温度越高。
Zr，Hf和Sn 等属于中性元素，因为它们含量很低时略微降低α/β相变温度，当们含量增加时，又会提高α/β相变温度。
β稳定元素能够降低钛的同素异型转变温度，扩大β相区并增加β相在热力学上的稳定性，这类元素包括间隙式的H和大量的置换式元素，其中置换式β稳定元素又分为β同晶元素和β共析元素，这取决于所产生的二元相图的细节。
钛合金的相变钛合金热处理是钛合金学科领域内一个重要的分枝。
其典型特征为: 淬火过程中发生了马氏体相变，或保留高温组织，合金的塑性韧性稍有升高，强度硬度稍有降低。
在随后时效过程中，由于亚稳定相和中间相的生成，合金硬度、强度升高，塑性、韧性降低。
对过渡阶段的每一种亚稳相和中间相都有其产生的条件和相应的性质，钛合金热处理的研究实际上就是对其淬火和时效过程中中间相的研究。
钛合金原理
钛合金原理
钛合金是一种由钛和其他金属元素合金化而成的材料。
钛合金具有优异的机械性能和耐腐蚀性，广泛应用于航空、航天、汽车等领域。
钛合金原理基于钛和其他金属元素之间的化学反应。
在合金化过程中，钛与其他金属元素发生化学反应形成了均匀的晶体结构。
这些金属元素的添加可以改变钛的晶格结构和晶粒尺寸，从而提高材料的硬度、强度和延展性。
除了化学反应，钛合金的制备过程还经历了多个工艺步骤。
首先是原料的选择和准备，在确保材料纯度的前提下，将钛和其他合金元素按照一定的比例混合。
然后进行熔炼，将混合后的原料加热到高温，使其融化并混合均匀。
接下来是铸造或锻造，将熔炼后的合金液体倒入模具中，通过冷却或压力作用使其凝固形成所需的形状。
最后是热处理，即通过控制合金的加热和冷却过程，使其达到理想的晶体结构和性能。
钛合金的优点在于其具有轻质、高强度、耐腐蚀和耐高温等特点。
在航空航天领域，钛合金可以减轻飞机和火箭的重量，提高其运载能力和燃油效率。
在汽车领域，钛合金可以减少车体重量，提高车辆的操控性和安全性。
总结起来，钛合金是一种通过钛与其他金属元素化学反应形成的材料。
其制备过程包括原料选择、熔炼、铸造或锻造以及热处理等多个步骤。
钛合金具有轻质、高强度和耐腐蚀等优点，被广泛应用于各个领域。
钛合金熔炼基本原理
钛合金熔炼基本原理
哇塞，朋友们！今天咱就来讲讲钛合金熔炼的基本原理！你想想看啊，就好像我们做饭一样，得有各种材料，还得掌握好火候，对吧？钛合金的熔炼也是这么个道理！
比如说，我们得先把钛这种金属准备好呀，就像做菜得先有菜一样！然后呢，再加入其他的合金元素，这就好比给菜加点调料，让味道更丰富。
在这个过程中，温度的控制可太重要啦！要是温度不合适，那可就出大问题喽！就像是炒菜时火太大了会烧焦，火太小了又炒不熟，一个道理呀！
而且哦，钛合金熔炼可不是随随便便就能搞好的。
这就好像你要盖一座漂亮坚固的房子，从打地基到砌墙，每一步都得认真对待。
如果熔炼时不仔细，那最后得到的钛合金可能就没那么优质啦！你说可不可惜呀？我记得有一次啊，我们实验的时候就差点出了差错，还好及时发现调整了，真的是捏了一把汗呢！
这里面的学问可大了去了，不同的熔炼方法也有不同的特点呢。
就像有人喜欢清蒸鱼，有人喜欢红烧鱼，各有各的好呀！比如说真空熔炼，那可真是个厉害的办法，能让钛合金更纯净！
总之呢，钛合金熔炼真的特别有意思，也特别重要！只有搞清楚了这些基本原理，我们才能炼出好的钛合金啊！所以，大家一定要认真了解哦！。
合金化原理
1、影响加热速度的因素有哪些？为什么？答：（1）加热方法（加热介质）的不同。
由综合传热公式Q=а（T介-T工）得知，当加热介质与被加热工件表面温度差（T 介-T工）越小，单位表面积上在单位时间内传给工件表面的热量越小，因而加热速度越慢。
（2）工件在炉内排布方式的影响。
工件在炉内的排布方式直接影响热量传递的通道，例如辐射传递中的挡热现象及对流传热中影响气流运动情况等，从而影响加热速度。
（3）工件本身的影响。
工件本身的几何形状、工件表面积与其体积之比以及工件材料的物理性能（C、λ、γ等）直接影响工件内部的热量传递及温度，从而影响加热速度。
同种材料制成的工件，当其特征尺寸s与形状系数k的乘积相等时，以同种方式加热时则加热速度相等2、回火炉中装置风扇的目的是什么？气体渗碳炉中装置风扇的目的是什么？答：回火炉中装置风扇的目的是为了温度均匀，避免因为温度不均而造成材料回火后的硬度不均。
气体渗碳炉中装置的风扇的目的是为了气氛的均匀，避免造成贫碳区从而影响组织性能。
3、今有T8钢工件在极强的氧化气氛中分别与950度和830度长时间加热，试述加热后表层缓冷的组织结构，为什么？答：根据题意，由于气氛氧化性强，则炉火碳势低。
在950℃长时间加热时，加热过程中工件表面发生氧化脱碳。
工件最外层发生氧化反应，往里，由于950℃高于Fe-C状态图中的G点，所以无论气氛碳势如何低，脱碳过程中从表面至中心始终处于A状态，缓冷后，由表面至中心碳浓度由于脱碳和扩散作用，碳含量依次升高直至0.8%，所以组织依次为铁素体和珠光体逐渐过渡到珠光体，再至相当于碳含量为0.8%的钢的退火组织（P+C）。
当工件在830℃加热时，温度低于G点，最外层依然会发生氧化反应。
往里，工件将在该温度下发生脱碳。
由于气氛氧化性极强，则碳势将位于铁素体和奥氏体的双相区，所以工件发生完全脱碳。
由外及里的组织在缓冷后依次是铁素体，铁素体加珠光体，珠光体加渗碳体。
4、今有一批ZG45铸钢件，外形复杂，而机械性能要求高，铸后应采用何种热处理？为什么？答：实现应该采用均匀化退火，以消除铸件的偏析和应力（如果偏析不严重，也可以采用完全退火。
第三章 钛合金及合金化原理
第三章钛合金及合金化原理3.1钛合金相图类型及合金元素分类1.钛合金的二元相图（1）第一种类型与α和β均形成连续互溶的相图。
只有2个即Ti-Zr和Ti-Hf 系。
钛、锆、铪是同族元素，其原子外层电子构造一样，点阵类型相同，原子半径相近。
这两元素在α钛和β钛中溶解能力相同，对α相和β相的稳定性能影响不大。
温度高时，锆的强化作用较强，因此锆常作为热强钛合金的组元。
（2）第二种类型β是连续固溶体，α是有限固溶体。
有4个：Ti-V Ti-Nb Ti-Ta Ti-Mo系。
V、Nb、Ta、Mo四种金属只有一种一种体心立方，所以它们与具有相同晶型的β-Ti形成连续固溶体，而与密排六方点阵的α-Ti形成有限固溶体。
V属于稳定β相的元素，并且随着浓度的提高，它急剧降低钛的同素异晶转变温度。
V含量大于15%时，通过淬火可将β相固定到室温。
对于工业钛合金来说，V在α钛中有较大的浓度（>3%），这样可以得到将单相α合金的优点（良好的焊接性）和两相合金的有点（能热处理强化，比α合金的工艺塑性好）结合在一起的合金。
Ti-V系中无共析反应和金属化合物。
Nb在α钛中溶解度大致和V相同（约4%），但作为β稳定剂的效应低很多。
Nb含量大于37%时，可淬火成全β组织。
Mo在α钛中的溶解度不超过1%，而β稳定化效应最大。
Mo含量大于1%时，可淬火成全β组织.Mo的添加有效地提高了室温和高温的强度。
Mo室温一个缺点是熔点高，与钛不易形成均匀的合金。
加入Mo时，一般是以Mo-Al中间合金形式（通过钼氧化物的铝热还原过程制得）加入。
（3）第三种类型与α、β均有限溶解，并且有包析反应的相图。
Ti-Al、Ti-Sn、Ti-Ca、Ti-B、Ti-C、Ti-N、Ti-O等。
5%～25% Al浓度范围内的相区范围内存在有序化的α2（Ti3X）相,它会使合金的性能下降。
铝当量Al*=Al% +1/3Sn%+ 1/6Zr% + 1/2Ga% + 10[O]% ≤ 8%～9% 。
钛与合金元素的相互作用
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钛、钛合金及钛化合物的优良性能促使人类迫切需要它们。
随着钛的冶炼技术不断改进和提高，钛、钛合金及钛的化合物的应用得了到更大的发展。
本文介绍了钛合金的发展、特性、铸造工艺性能及其热处理，阐述了钛与合金与素的相互作用，分析其优势与局限性，并展望发展趋势。
关键字：金属钛钛合金性质铸造加工性能热处理生产技术应用性能合金化原理相互作用钛及钛合金概述1、新型的结构材料钛及钛合金基本上是一类新型的结构材料，在当代的尖端科学技术工业领域中，如航空、宇航、海洋等中得到广泛的应用，主要原因：1）比强度高；2）耐腐蚀性；3）良好的低温性能。
2、新型的功能材料它们具有某些特殊的物理、化学、生物特性：形状记忆合金，TiNi人造骨头；超导材料等。
3、我国钛资源十分丰富，储量居世界首位，这是我国发展钛工业的优势。
工业纯钛一、钛的基本性质1、物理性质1）两种同素异晶体：α-Ti;β-Tiα-Ti β-Ti2) T熔=1668℃3）ρ=7.8×57%=4.4g/cm3,较轻；4）导电、导热性均较低，线膨胀系数较低；5）无磁性，在很强的磁场下也不会磁化，因此植入人体内的钛制人造骨架不会受雷雨天气的影响。
2、化学性质钛在室温下比较稳定，但在高温下却很活泼：在熔化状态下，能与绝大多数坩埚材料发生作用；高温下，与卤素、氧、硫、碳、氮等元素进行强烈的反应，而使钛受到污染。
机械工程材料第三章复习题(合金的结晶和合金化原理)-选择和判断
第三章复习题（合金的结晶和合金化原理）1、由于物质中热能（Q）或成分(C)不均匀所引起的宏观和微观迁移现象统称为扩散现象。
2、在研究空间内温度或浓度不随时间而变化的扩散称为稳态扩散。
3、在研究空间内温度或浓度随时间而变化的扩散称为非稳态扩散。
4、单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散通量与温度或浓度梯度成正比，这一规律称为扩散第一定律。
5、不属于恒温转变的是合金液相结晶成一个固相。
6、由一个液相同时结晶出两种固相的转变称为共晶转变。
7、由一个液相和一个固相反应生成另外一种固相的转变称为包晶转变。
8、由共晶转变得到的两相混合组织称为共晶组织。
9、某合金结晶时先发生L→a，然后又发生L+a→b，完成结晶后只有b相，则该合金称为包晶合金。
10、不属于恒温转变的是合金液相结晶成一个固相。
11、由一个液相同时结晶出两种固相的转变称为共晶转变。
12、由一个液相和一个固相反应生成另外一种固相的转变称为包晶转变。
13、由共晶转变得到的两相混合组织称为共晶组织。
14、某合金结晶时先发生L→a，然后又发生L+a→b，完成结晶后只有b相，则该合金称为包晶合金。
15、在只有固态下发生的相变称为固态相变。
16、固溶体随温度降低，溶解度减小，多余的溶质原子形成另一种固溶体或化合物的过程称为脱溶沉淀。
17、由一个固相同时转变成两种成分不同但晶体结构相同且与母相晶体结构也相同的转变称为调幅分解。
18、由一个固相同时转变成两种固相的转变称为共析转变。
19、由两个固相转变成一种固相的转变称为包析转变。
20、原子扩散的结果使成分更均匀或形成新的相。
我的答案：√21、温度越高，扩散系数越小，扩散速度越慢。
我的答案：×22、渗碳温度越高，渗碳速度越快。
我的答案：√23、气氛碳势小于工件表面含碳量时气氛中的碳原子向工件内扩散。
我的答案：×24、工件表面与介质之间的换热系数越大，则工件加热或冷却速度越快，工件内的温度梯度也越大。
钛合金介绍
钛合金合金化原理强韧化机制及其应用前言钛发现于18世纪末，但由于化学活性高，提取困难，直到1910年金属钛才被美国科学家用钠还原法(亨特法)提炼出来。
1936年卢森堡科学家克劳尔用镁还原法(克劳尔法)还原TiCl4，制得海绵钛，奠定了金属钛生产的工业基础。
其技术转让到美国，1948年在美国首先开始海绵钛的工业生产。
中国继美、日、前苏联之后，于1958年开始钛的生产。
一钛合金的合金化原理1 将钛的合金元素分成三类：α相稳定元素，能提高α→β相的转变温度，扩大α相区，如铝和氧、氮等；中性元素，在α相和β相中均有较大固溶度，对α⇔β相变温度影响不大，如锡、锆等。
β相稳定元素，一般是降低β相的转变温度，扩大β相区，它又可分两小类。
产生β相共析分解的元素，如Cr、Mn、Fe、Cu、Ni、Co、W等。
随温度降低，β相发生共析分解，析出α相及金属间化合物（图c）。
二元相图上不产生β相共析分解，但慢冷时析出α相，快冷时有α’马氏体相变，包括Mo、V、Nb、Ta等。
稳定β相的能力是Mo＞V＞Nb＞Ta。
2 β相稳定元素含量与淬火快冷组织关系当β相稳定元素含量较低时，β发生马氏体相变，形成α’相。
当含量达到C1之前，β相发生完全的马氏体相变；在C1到C2区间，可以有部分β相残留，得到α’＋残余β相组织。
当含量达到C2时，马氏体转变完全被抑制，只有残留β相（机械不稳定，在应力作用下分解）存在。
当含量≥C3时，为机械稳定β相（非热力学稳定，回火时分解）。
当元素含量超过C4时才得到室温热力学稳定的β相。
3 气体杂质元素的分类与作用氧稳定α相元素，提高α→β相转变温度。
占据八面体间隙位置，产生点阵畸变，提高强度、降低塑性。
氮与氧类似，是强稳定α相元素，提高α→β相转变温度，强烈提高强度而降低塑性。
氢稳定β相，降低塑性和韧性。
钛中的氢很容易引起“氢脆”。
335℃时氢在α-Ti中的溶解度为0.18%，并随温度降低而迅速下降，从钛固溶体中析出氢化钛而引起的脆性。
钛合金及其相变
4.2 时效过程亚稳相的分解
防空警报 快速冷却
敌机已经在头顶 更快速冷却
如果敌机离去：胆大 的人开始活动。（低 温退火）
如果警报解除：胆稍 大的人也会开始活动 （中温退火）
完全安全后：所有人 都开始活动（高温退 火）
4.2 时效过程亚稳相的分解
• 钛合金淬火形成的亚稳定相α′、α″、ω及βm（亚 稳态的β 相），在热力学上是不稳定的，加热时 要发生分解，其分解过程是比较复杂的。不同的 亚稳定相分解过程不同，同一亚稳定相因合金成 分和时效规程不同分解过程也不同。但最终的分 解产物均为平衡状态的α＋β。若合金有共析反应， 则最终产物为α＋TixMy,即
β1+β2
Ti+W
3、钛的相图及合金化
只在BCC结构的Ti中无限互溶
βα βTi
α+β αTi
β1+β2 Ti+W
从相图可以 看出，在030%的范围 内，随着W 的增加， βα转变 的温度逐渐 降低。
3、钛的相图及合金化
βTi βα
αTi
从相图可以 看出，在08%的范围内， 随着Al的增 加，βα 转变的温度 逐渐升高。
Cu、Si等合金化时，共析转变快，析出TiCu2、Ti5Si3;
Fe、Mn、Cr、Co、Ni等合金化时：共析转变速率较 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；快冷时，共析反应可以完全被抑制，过冷β 相可以保留到室温；这个过程还与合金含量有关，含量 增加，β相可完全过冷到室温。 注意：共析速度快慢是动力学的范畴。而相图是基于 平衡态热力学构建的，所体现出来的是，相变发生的 可能性，完全不会有相变发生快慢方面的信息。
1、无法形成120角。六方正交 2、长大困，通常细针状，称为斜方马氏体α〞
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。
热还原法制作钛合金的原理
热还原法制作钛合金的原理热还原法是将氧化钛固体还原成钛合金的一种常用方法。
它是通过在高温条件下，用还原剂来还原氧化钛，使之脱氧、析出纯钛的过程。
热还原法制备钛合金的原理如下：1. 根据热力学性质选择适当的还原剂：在热还原法中，还原剂的选择对反应过程至关重要。
常用的还原剂有铝、镁、硅等。
选择还原剂的基本原则是热力学性质要适合，即还原剂与氧化钛反应生成的化合物具有较低的形成焓。
2. 还原剂与氧化钛反应：在高温条件下，还原剂与氧化钛反应。
以还原铝与氧化钛为例，反应方程如下：2TiO2 + 3Al →Al2O3 + 2Ti在反应过程中，还原剂中的铝与氧化钛发生强烈的反应，将氧化钛还原成纯钛，并同时生成氧化铝。
同时，还原剂中的铝也发生氧化反应，将铝氧化成氧化铝。
3. 氧化铝的去除：生成的氧化铝需要进行去除，以保证制备出的钛合金质量。
常用的方法有熔融盐法和酸洗法。
熔融盐法是将含有氧化铝的钛合金浸入氯化钠、氯化钾等盐类混合物中，在高温条件下，使氧化铝溶解于盐中，然后进行滤杂等步骤，最终得到纯净的钛合金。
酸洗法则是将含有氧化铝的钛合金浸入稀硫酸或稀盐酸中进行酸洗，将氧化铝溶解掉，并用水清洗后得到纯净的钛合金。
4. 进一步处理和制备：经过去除氧化铝的处理后，得到的纯净钛合金可以进一步进行处理和制备。
根据不同的需求，可以通过热加工（如锻造、轧制等）、冷加工（如拉伸、挤压等）等方法对钛合金进行加工处理，制备出所需的产品。
总结起来，热还原法制备钛合金的原理是通过在高温条件下，用合适的还原剂将氧化钛还原成纯钛，并去除生成的氧化铝，最终得到纯净的钛合金。
这种方法可以制备出高质量、高纯度的钛合金，并且可以根据需要进一步进行处理和制备，具有广泛的应用前景。
钛合金冶炼的原理与应用
汇报人：可编辑 2024-01-05
• 钛合金简介 • 钛合金冶炼原理 • 钛合金冶炼技术 • 钛合金的应用 • 钛合金冶炼的挑战与前景
目录
01
钛合金简介
钛合金的定义与特性
定义
钛合金是由纯钛元素与其它金属元素 （如铝、锡、锆等）经过熔炼结合而 成的合金。
特性
具有高强度、低密度、良好的耐腐蚀 性和高温性能，以及优良的塑性和韧 性。
钛合金的分类与用途
分类
根据钛合金中添加的金属元素不同， 可以分为α钛合金、β钛合金和α+β钛 合金等。
用途
广泛应用于航空航天、医疗、化工、 体育等领域，如飞机发动机部件、人 造关节、高尔夫球杆等。
02
钛合金冶炼原理
钛合金冶炼方法
01
02
03
真空熔炼法
在真空条件下，将钛合金 原料放入感应炉或电弧炉 中进行熔炼，去除杂质和 气体，提高合金纯度。
电渣重熔过程控制
通过控制电流、电压、渣系等参数，实现对钛合金熔炼过程的精确控制，提高产品质量和稳定性。
连铸技术
连续铸造
通过连续铸造的方式，将液态钛合金铸成各种规格的铸锭。该技术具有生产效率高、成 本低等优点。
连铸过程控制
通过控制浇注温度、速度、冷却强度等参数，实现对钛合金铸锭组织和性能的调控，满 足不同应用需求。
感谢观看
THANKS
废气和废水的处理
钛合金冶炼过程中会产生大量的废气和废水，需要采取有效的处 理措施，以降低对环境的污染。
能源消耗与节能减排
冶炼过程中需要消耗大量的能源，应采取节能减排措施，降低能源 消耗和碳排放。
固体废弃物的处理
冶炼过程中会产生大量的固体废弃物，需要进行合理的处理和利用 ，以减少对环境的压力。
钛合金的合金化原理
四、钛合金的合金化原理1．钛合金的合金化特点钛合金的性能由Ti 同合金元素间的物理化学反应特点来决定，即由形成的固溶体和化合物的特性以及对α⇔β转变的影响等来决定。
而这些影响又与合金元素的原子尺寸、电化学性质（在周期表中的相对位置）、晶格类型和电子浓度等有关。
但作为Ti 合金与其它有色金属如Al、Cu、Ni 等比较，还有其独有的特点，如：（1）利用Ti 的α⇔β转变，通过合金化和热处理可以随意得到α、α + β和β相组织；（2）Ti 是过渡族元素，有未填满的d 电子层，能同原子直径差位于±20％以内的置换式元素形成高浓度的固溶体；（3）Ti 及其合金在远远低于熔点的温度中能同O、N、H、C 等间隙式杂质发生反应，使性能发生强烈的改变；（4）Ti 同其它元素能形成金属键、共价键和离子键固溶体和化合物。
Ti 合金合金化的主要目的是利用合金元素对α或β相的稳定作用，来控制α和β相的组成和性能。
各种合金元素的稳定作用又与元素的电子浓度（价电子数与原子的比值）有密切关系，一般来说，电子浓度小于4 的元素能稳定α相，电子浓度大于4的元素能稳定β相，电子浓度等于4 的元素，既能稳定α相，也能稳定β相。
工业用Ti 合金的主要合金元素有Al、Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu 和Si等，按其对转变温度的影响和在α或β相中的固溶度可以分为三大类。
能提高相变点，在α相中大量溶解和扩大α相区的元素叫α稳定元素；能降低相变温度，在β相中大量溶解和扩大β相区的元素叫β稳定元素；对转变温度影响小，在α和β相中均能大量溶解或完全互溶的元素叫中性元素。
按合金元素与Ti 的反应特点或二元状态图的类型，可以分成四大类（图1-44）：（1）α稳定型状态图（图1-44(a)）Al、Ga、Sn 和间隙式元素C、N、O 等与Ti 形成这种状态图。
这些元素分别属于ⅢB~ⅥB 族，外层电子（S、P）数＜4，如Al 为3S2P1，故为α稳定元素；Sn 的外层电子为5S2P2=4，对相变温度影响小，故又属于中性元素。
钛合金钝化原理
钛合金钝化原理
钛合金在自然界中存在着很高的化学活性，因此在大气中易于形成氧化层。
在特定的钝化条件下，钛合金表面的氧化层数量和质量可以被有效控制，以达到提高钛合金抗腐蚀性能的目的。
钛合金的钝化过程主要分为两个步骤：
1. 构成氧化层
钛合金与氧、水等物质反应生成氧化物，从而形成氧化层，该层由TiO2和其他化合物组成，具有致密性和良好的电化学性能。
2. 控制氧化层厚度
氧化层的厚度是影响钛合金抗腐蚀性的关键因素。
过厚的氧化层会增加材料的电导率，降低表面电化学反应速率，从而影响抗腐蚀性能；过薄的氧化层则无法有效保护钛合金材料。
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第三章钛合金及合金化原理3、1钛合金相图类型及合金元素分类1.钛合金得二元相图（1）第一种类型与α与β均形成连续互溶得相图。
只有2个即Ti-Zr与Ti-Hf 系。
钛、锆、铪就是同族元素,其原子外层电子构造一样,点阵类型相同,原子半径相近。
这两元素在α钛与β钛中溶解能力相同,对α相与β相得稳定性能影响不大。
温度高时,锆得强化作用较强,因此锆常作为热强钛合金得组元。
（2）第二种类型β就是连续固溶体,α就是有限固溶体。
有4个:Ti-V Ti-Nb Ti-Ta Ti-Mo系。
V、Nb、Ta、Mo四种金属只有一种一种体心立方,所以它们与具有相同晶型得β-Ti形成连续固溶体,而与密排六方点阵得α-Ti形成有限固溶体。
V属于稳定β相得元素,并且随着浓度得提高,它急剧降低钛得同素异晶转变温度。
V含量大于15%时,通过淬火可将β相固定到室温。
对于工业钛合金来说,V 在α钛中有较大得浓度(>3%),这样可以得到将单相α合金得优点(良好得焊接性)与两相合金得有点(能热处理强化,比α合金得工艺塑性好)结合在一起得合金。
Ti-V系中无共析反应与金属化合物。
Nb在α钛中溶解度大致与V相同(约4%),但作为β稳定剂得效应低很多。
Nb含量大于37%时,可淬火成全β组织。
Mo在α钛中得溶解度不超过1%,而β稳定化效应最大。
Mo含量大于1%时,可淬火成全β组织、Mo得添加有效地提高了室温与高温得强度。
Mo室温一个缺点就是熔点高,与钛不易形成均匀得合金。
加入Mo时,一般就是以Mo-Al中间合金形式(通过钼氧化物得铝热还原过程制得)加入。
（3）第三种类型与α、β均有限溶解,并且有包析反应得相图。
Ti-Al、Ti-Sn、Ti-Ca、Ti-B、Ti-C、Ti-N、Ti-O等。
5%～25% Al浓度范围内得相区范围内存在有序化得α2(Ti3X)相,它会使合金得性能下降。
铝当量Al*=Al% +1/3Sn%+ 1/6Zr% + 1/2Ga% + 10[O]% ≤ 8%～9% 。
只要铝当量低于8%～9%,就不会出现α2相。
Sn 就是相当弱得强化剂,但能显著提高热强性,以锡合金化时,其室温塑性不降低而热强性增加。
微量得B可细化钛及其合金得大晶粒,Ga可以与钛良好溶合,并显著提高钛合金得热强性。
氧就是较“软”得强化剂,在含量允许得范围内时,不仅可保证所需得强度水平,而且可以保证足够高得塑性。
（4）第四种类型与α、β均有限溶解,并且有共析分解得相图,有Ti-Cr、Ti-Mn、Ti-Fe、Ti-Co、Ti-Ni、Ti-Cu、Ti-Si、Ti-Bi、Ti-W、Ti-H。
Ti-Cr系中,形成得Ti2Cr化合物有两种同素异晶形式,其固溶体以δ与γ表示。
Cr属于β稳定元素,在α钛中得溶解度不超过0、5%。
Cr含量大于9%时,通过淬火可将β相固定到室温。
Cr可以使钛合金有好得室温塑性并有高得强度,同时可保证有高得热处理强化效应。
Ti-W系中,会产生偏析转变:β′↔α + β′′。
偏析反应温度较高,Ti-W系得热稳定性比Ti-Cr合金高得多。
W在α钛中得溶解度不高。
W含量大于25%时,通过淬火可将β相固定到室温。
氢降低钛得同素异晶转变温度,形成共析反应,从而使β固溶体分解而形成α相与钛得氢化物,在共析温度下氢在α钛中得溶解度为0、18%。
氢组成间隙型固溶体,属于有害杂质,会引起钛合金得氢脆。
在非合金化钛与以α组织为基得单相钛合金中,氢脆得主要原因就是脆性氢化物相得析出,急剧降低断裂强度。
在两相合金中,不形成氢化物,但形成氢得过饱与固溶体区,在低速变形时引起脆性断裂。
在β相含量小得合金中,这两种产生联合作用。
纯钛与近α组织得钛合金对氢脆最敏感。
随着合金中β相含量增加,其氢脆敏感性减弱。
2.合金元素及其作用（1）合金元素得分类①α稳定元素能提高β相变温度得元素,称为α稳定元素,与钛形成包析反应,这些元素得电子结构、化学性质与钛得差别较大。
铝就是最广泛采用得、唯一有效得α稳定元素。
钛中加入铝,可降低熔点与提高β相变温度,在室温与高温都起到强化作用,也能减小合金得比密度。
含铝量达6%～7%得钛合金具有较高得热稳定性与良好得焊接性。
添加铝在提高β转变温度得同时,也使β稳定元素在α相中得溶解度增大。
铝原子以置换方式存在于α相中,当铝得添加量超过α相得溶解极限后,会出现以Ti3Al为基得有序α2固溶体,使合金变脆,热稳定降低。
Ti-Al系金属间化合物得密度小,高温强度高,抗氧化性强及刚性好,对航天航天工业具有极大得吸引力。
铝含量分别为16%及36%得Ti3Al与Ti Al基合金,就是很有前途得金属间化合物耐热合金。
②中性元素对钛得β元素转变温度影响不明显得元素,称为中性元素,中性元素锆、铪在α、β两相中有较大得溶解度,甚至能够形成无限固溶体。
中性元素锡、铈、镧、镁等,对钛得转变温度影响不明显,主要对α相起固溶强化作用。
锆、锡在提高α相强度得同时,也提高其热强性。
强化效果低于铝,对塑性得不利作用也比铝小,有利于压力加工与焊接。
适量得铈、镧可以改善钛合金得高温拉伸强度及热稳定性得作用。
③β稳定元素降低钛β转变温度得元素,称为β稳定元素。
ⅰβ同晶元素。
β同晶元素如钒、钼、铌、钽,在周期表上得位置靠近钛,具有与β钛相同得晶格类型,能与β钛无限互溶,而在α钛中具有有限溶解度。
它们能以置换得方式大量溶入β钛中,产生较小得晶格畸变,在强化合金得同时,保持其较高得塑性。
ⅱ β共析元素β共析元素在α与β钛中均具有有限溶解度,但在β钛中得溶解度大于α中得。
慢共析元素有锰、铁、铬、钴钯等,使钛得β相具有很慢得共析反应,反应在一般冷却速度下来不及进行,对合金产生固溶强化作用。
快共析元素如硅、铜、镍、银、钨、铋等在β钛所形成得共析反应速度很快,β相很难保留到室温。
共析分解所产生得化合物,都比较脆,但可用于强化钛合金(尤其热强性)。
当β稳定元素得含量达到某一临界值,较快冷却速度能使合金中得β相保持到室温,这一临界值称为临界溶度,用C k表示。
元素得C k越小,其稳定β相得能力越强。
一般β共析元素(尤其慢共析元素)得C k要小于β同晶元素。
④生成离子化合物得元素卤素元素氯、碘可与钛形成离子化合物。
在工业生产中,制造TiCl与TiI4,通过还原工艺,可获得海绵钛与碘化法高纯钛。
⑤不发生反应得元素与钛不发生作用得镁、钠、钙等元素在冶炼工业中作为还原剂,将钛从卤化物或氧化物中还原出来。
氦气、氩气可以作为保护气体。
（2）合金元素对钛力学性能得影响钛合金主要强化途径就是固溶强化与弥散强化。
前者就是通过提高α相与β相得固溶溶度而提高合金得性能,后者就是借助热处理获得高度弥散得α+β或α+金属间化合物来达到强化得目得。
钛合金:难以通过组织调整,在满足高强度水平得同时,仍然保持足够得塑性与韧性。
α稳定元素中,Al得固溶强化效果最显著。
β稳定元素优先溶于β相,因此β相具有更强得强度与硬度,合金平均强度随着组织中β相所占比例增加而提高,当α相与β相各占50%时强度达到峰值,继续增加β相数量,强度反而有所下降。
对于在高温下长期使用得耐热合金,非活性共析元素得存在将降低材料得热稳定性。
在接近相变温度时,组织稳定性下降,原子活性增加,促使金属软化。
所以耐热钛合金在成分上应以α稳定元素与中性元素为主,至于β稳定元素一般效果较差。
只有那些能强烈提高钛原子结合力得钼、钨及共析转变较高得硅、铜等元素,在适当溶度范围内可有效增加合金得热强性。
耐热钛合金应以单相组织为宜,一般均选用α型或者近α型合金作为高温工作得材料。
（3）杂质元素对钛性能得影响钛中主要杂质元素有氧、氮、碳、硅,前三种属间隙型元素,后一种属于置换= O% +2N%+0、67% 型元素。
综合考虑间隙元素对硬度得影响,引入氧当量:O当氧当量与硬度得关系为:HV=65+310。
氢降低α + β/β相变温度,就是β稳定元素,在β-Ti中得溶解度比α-Ti中大得多,,且在α-Ti中得溶解度随温度降低而减少,当冷却到室温时,会析出脆性氢化物TiH2,使合金变脆,称为氢化物氢脆。
含氢得α-Ti在应力作用下,促进氢化物析出,叫应力感生氢化物氢脆。
此外,溶解在晶格中得氢原子,在应力作用下,经过一定时间会扩散到晶体缺陷处,引起塑性降低,当应力去除并静止一段时间,在进行高速变形,塑性又可以恢复,称为可逆氢脆。
在高温形变时氢有增塑作用,即提高热塑性或超塑性。
生产上利用氢作为暂时合金元素渗入合金中去,发挥其有利作用,然后通过真空退火去氢。
增塑得原因就是氢降低形变激活能,提高了形变过程中扩散协调变形能力。
同时氢在高温下分布比较均匀,减少了局部弹性畸变,并且氢有促进晶粒细化作用,从而改善了高温热塑性。
氮、氧、碳都提高α + β/β相变温度,扩大α相区,属α稳定元素,提高了钛得强度,急剧降低塑性,影响程度按氮、氧、碳顺序递减。
微量铁与硅在固溶范围内与钛形成置换固溶体,对钛得性能影响不像间隙元素那样强烈。
3.常用合金元素元素间相互作用就是形成固溶体还就是形成化合物,形成得溶解度有多大,主要取决于原子得电子层结构、原子半径大小、晶格类型、电负性及电子浓度等因素。
钛就是过渡族金属,在周期表上,与钛同族得元素锆与铪具有与钛相同得外层电子结构与晶格类型,原子半径也相近,故与α钛与β钛均能无限互溶,形成连续固溶体。
在周期表上,靠近钛得元素(如钒、钼、铌、钽)与β钛具有相同得晶格类型,能与β钛无限互溶,与α钛有限溶解。
周期表上离钛越远得元素,其电子结构及原子半径约钛相差越大,与钛得溶解度也越小,并且容易形成化合物。
3、2 合金元素对钛合金组织结构与性能得影响1.Al 铝具有显著得固溶强化作用,在α-Ti中得固溶度大于在β-Ti中得固溶度,提高α /β相互转变得温度,扩大α相区,属于α稳定化元素。
当合金中Al得质量分数在7%一下时,随含Al量得增加,合金得强度提高,塑性无明显降低;当合金中Al 得质量分数超过7%时,合金组织中出现脆性Ti3Al,塑性显著降低。
2.V(Mo、Nb、Ta) 钒属于β-Ti同晶元素,具有β稳定化作用,在β-Ti中无限固溶,在α-Ti中也有一定得固溶度。
钒具有显著得固溶强化作用,在提高合金强化得同时能保持良好得塑性。
钒还能提高钛合金得热稳定性。
3.Cu 铜属于β稳定化元素,钛合金中得铜一部分以固溶状态存在,另一部分形成Ti2Cu或TiCu2化合物,TiCu2具有热稳定性,起到提高合金热强化性得作用。
由于铜在α相中得固溶度随温度得降低而显著减少,故可以通过时效沉淀强化来提高合金得强度。
4.Si 硅得共析转变温度较高(860℃),可改善合金得耐热性能。
在耐热合金中加入得硅量以不超过α相最大固溶度为宜,一般为0、25%左右。
由于硅与钛得原子尺寸差别较大,在固溶体中容易在位错处偏聚,阻止位错运动,从而提高耐热性。