钛合金及其热处理工艺简述

钛合金及其热处理工艺简述

宝鸡钛业股份有限公司：杨新林

摘要：本文对钛及其合金的基本信息进行了简要介绍，对钛的几类固溶体划分进行了简述，对钛合金固态相变也进行了概述。重点概述了钛合金的热处理类型及工艺，为之后生产实习中对钛合金的热处理工艺认识提供指导。

关键词：钛合金，热处理

1 引言

钛在地壳中的蕴藏量位于结构金属的第四位,但其应用远比铜、铁、锡等金属滞后。钛合金中溶解的少量氧、氮、碳、氢等杂质元素,使其产生脆性,从而妨碍了早期人们对钛合金的开发和利用。直至二十世纪四五十年代,随着英、美及苏联等国钛合金熔炼技术的改进和提高,钛合金的应用才逐渐开展[5]。

纯钛的熔点为1668℃,高于铁的熔点。钛在固态下具有同素异构转变,在882.5℃以上为体心立方晶格的β相,在882.5℃以下为密排六方晶格的α相。钛合金根据其退火后的室温组织类型进行分类,退火组织为α相的钛合金记为TAX,也称为α型钛合金；退火组织为β相的钛合金记为TBX,也称为β型钛合金；退火组织为α+β两相的钛合金记为TCX,也称为α+β型钛合金,其中的“X”为顺序号。我国目前的钛合金牌号已超过50个,其中TA型26个,TB型8个以上,TC 型15个以上[5]。

钛合金具有如下特点：

（1）与其他的合金相比,钛合金的屈强比很高,屈服强度与抗拉强度极为接近；

（2）钛合金的密度为4g/cm3,大约为钢的一半,因此,它具有较高的比强度；

（3）钛合金的耐腐蚀性能优良,在海水中其耐蚀性甚至比不锈钢还要好；

（4）钛合金的导热系数小,摩擦系数大,因而机械加工性不好；

（5）在焊接时,钛合金焊缝金属和高热影响区容易被氧、氢、碳、氮等元素污染,使接头性能变坏。

在熔炼和各种加工过程完成之后,为了消除材料中的加工应力，达到使用要求的性能水平，稳定零件尺寸以及去除热加工或化学处理过程中增加的有害元素(例如氢)等,往往要通过热处理工艺来实现。钛合金热处理工艺大体可分为退火、固溶处理和时效处理三个类型。由于钛合金高的化学活性,钛合金的最终热处理通常在真空的条件下进行。热处理是调整钛合金强度的重要手段之一。

2 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：α稳定元素、β稳定元素、中性元素[6,7]。

α稳定元素能提高相变点，在α相中大量溶解和扩大α相区。例如铝、镓、硼、碳、氧、氮等。这其中,铝在配制合金中得到了广泛的应用。铝的固溶强化效果最显著,还可提高合金的高温强度,提高α+β型合金的时效能力,改善合金抗氧化性,减小合金密度,提高弹性模量。

β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。其中铝、钒、铌、钽、钨等属于β同晶型的,在β钛中可以无限固溶,而铁、锰、钴、镍、铜、硅等,在β钛中只形成有限的固溶体,在含量相同时,它们的固溶强化效果大于同晶型β稳定元素的固溶强化效果。就氧而言,Ti-6Al-4V(TC4)根据碳、氧、氮、氢等元素含量的不同有工业级(含氧0.16%~0.20%wt)和ELI级(超低间隙,含氧

0.1%~0.13%wt)。因为氧元素为α稳定元素,使得合金的β转变温度发生变化,对工业级而言,为1010~1020℃,对ELI级为970~980℃[8]。

中性元素在实用含量范围内,对p相向a相的同素异晶转变温度的影响不大，

在α和β相中均能大量溶解或完全互溶。中性元素主要有锡、锆、铪。

α稳定型二元相图、β稳定型二元相图及β共析型二元相图分别如图1~图3。

3 钛合金固态相变

纯Ti的β→α转变，是体心立方晶格向密排六方晶格的转变，完全符合Burgers的取向关系：(110)β//(0001)α，[111]β//[1120 ]α；惯习面是(331)β，或(8811)α、(8912)α。但Ti合金因合金系、浓度和热处理条件不同，还会出现一系列复杂的相变过程。这些相变可归纳为两大类，即淬火相变：

β→α′，α′′，ωq ,β

γ

和回火相变:

) →β+ωq+α→β+α

(α′,α′′，β

γ

3.1 马氏体转变

β稳定型Ti合金自β相区淬火，会发生无扩散的马氏体转变，生成过饱和α′固溶体。如果合金的浓度高，马氏体转变点Ms降低到室温以下，β相将被冻结到

表示。值得说明的是，当室温。这种β相称“残留β相”或“过冷β相”，用β

γ

合金的β相稳定元素含量少，转变阻力小，β相可由体心立方晶格直接转变为密排六方晶格，这种马氏体称“六方马氏体”，用“α”表示。如果β稳定元素含量高，转变阻力大，不能直接转变成六方晶格，只能转变为斜方晶格，这种马氏体称“斜方马氏体”，用α′′表示（图4）。