钛合金的加工及强化

钛合金的热处理强化

摘要：本文详细介绍了钛合金的化学成分、性能和市场应用前景；着重论述了钛合金的热处理原理、强化机制、热加工工艺及热处理工艺。

关键词：钛合金；固溶淬火；时效强化；同溶淬火

Abstract: This paper introduces in detail the chemical composition of titanium alloy, performance, and market application prospect; Emphatically discusses the principle of heat treatment, the reinforcement mechanism of titanium alloy, hot working process and heat treatment process.

Key Word: Titanium alloy; Solid solution hardening; Ageing strengthening; With soluble quenching

钛合金具有一系列优秀性能。首先钛合金具有很高的屈服强度、密度比、疲劳强度以及蠕变极限，同时钛合金具有良好的高低温力学性能、热稳定性和抗蚀性。由于密度小，故可减轻结构重量。在常温及超低温下，它的比强度高，有足够的韧性和塑性。在氧化性和中性介质、海水和海洋气氛下，具有优异的耐腐蚀性。合金化之后，可进一步改善和提高在还原介质中的抗蚀性能；钛合金性高，能吸收O2、N2、H2、CO2和甲烷等气体。对人体液有极好的耐蚀性，无毒性、与人体肌肉组织亲合性能良好。因此，钛合金广泛应用于民用、军工、

化工舰船、宇航、冶金、医疗卫生等工业部门，且发展前景广阔。钛有β-Ti(密排立方)和β-Ti（体心立方）两种晶体结构。钛合金化的主要目的是利用合金元素对α-Ti或β-Ti的稳定作用。改变α和β相，从而控制钛合金的性能。

1 钛合金主要合金元素的作用

工业钛合金的主要合金元素有Al、Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu、及Si 等。

1.1 Al是典型的β稳定元素，Al在Ti中主要溶入β固溶体，少量溶于β相。在室温下，Al在β-Ti中的溶解度达7%，故有明显的固溶强化效果。Al还能提高钛

合金的热稳定性和弹性模量，Ti-Al合金的密度小，所以Al是钛合金中重要的合金元素

1.2 Zr和Sn同属中性元素。Zr在β-Ti和β-Ti中均能形成无限固溶体。Sn在β-Ti和β-Ti中的溶解度也较大。因此Zr和Sn不仅能强化β相，还能提高合金的抗蠕变能力，也是钛合金中的主要元素之一。

1.3 Mo、V都是β-Ti的同晶型元素，钛中加入Mo或V都能起到固溶强化作用，并能提高钛合金的热稳定性和蠕变抗力。这类元素越多，钛合金中β相越多、越稳定。当达到某一临界含量时，快冷至室温，可以全部得到β相，这一含量称为“临界浓度”。

1.4 Mn、Fe、Cr、Cu、及Si等β稳定元素能形成共析反应，其临界浓度比β同晶元素都低，故其稳定β相能力比β同晶元素还大。其中Cu、Si等属于活性共析型β稳定元素，其共析反应速度很快，在一般冷却条件下，β相能完全分解，使合金具有实效强化能力，提高合金的热强性。钛合金中的Cu的含量超过极限溶解度时，亦可产生弥散强化作用。

2 钛合金的种类

2.1 a型钛合金

当钛合金中含有Al、Sn、N、C等元素时，可形成稳定的α固溶体。这类元素在α-Ti中的固溶度大，且随含量的增加可使α→β转变温度升高，扩大a稳定相的温度范围。α型钛合金的主要牌号有TA4、TA5、TA6、TA7等。这类钛合金在室温和使用温度下呈α型固溶体单相状态，不能热处理强化；其室温强度高于工业纯钛，但低于β型和α+β型钛合金．而且室温塑性及冲压性能较差；在500—600℃的高温强度和蠕变强度高于β型和a+卢型钛合金．且组织稳定，抗氧化性、焊接性、耐蚀性、冷切削加工性和热塑性良好。真空冶炼的a型钛合金，H。O。N。等杂质元素的含量极少．纯度高，在超低温下具有良好的塑性、韧性、物理性能、力学性能，因而是优良的超低温材料。

2.2β型钛合金

β型钛合金含有Mo、V、Nb、Ta和Fo、Mn、Co、Cr、Ⅳi、Cu、Si等元素。其中，Mo、V、Nb、Ta在元素周期表中的位置与Ti接近，且具有与β一Tt相同的体心立方晶格，能无限溶于β-Ti中，是稳定的相β相同晶元素;而Fe、Mn、Co、Cr、

Ni、Cu、Si等元索只能有限固溶于β-Ti中，形成的β相在低温时会发生共析分解，是稳定β相的共析元素。随着上述元素含量的增加，合金的α→β转变温度急剧降低，扩大了β稳定相的温度范围。β型钛合金的主要牌号有TBI、TB2等。可热处理强化，在β单相区内加热、保温、空冷正火或固溶淬火。可以将高温β相保留到室温，得到介稳定β固溶体单相组织，再经时效强化，可获得较高的强度和硬度。这类合金的焊接性能与冷压力加工性能良好，但性能不够稳定．熔炼工艺较复杂。

2.3 a+β型钛合金

α+β型钛合金是三类钛合金中应用最普遍、最重要的钛合金。这类合金中含有的zr、Hf等元素在元素周期表中与TI同属IVB族．晶体结构与Ti相同，原子．体积相近，因而能无限固溶于αTi和β-Ti中。a+β型合金中稳定卢相的合金元素台量较卢型钛合金少．退火后的显徽组织由q相和|8楣组成，可通过嗣溶淬火+

时效达到强化。这类合金有10种牌号：TC1、Tc2、TC3、TC4、TC5、TC6、TC8、TC9、TCl0。除TCI、TC2、TC7不能热处理强化外。其它牌号合金均可热处理强化．而且锻造、冲压、焊接及冷切削加工性能良好，经固溶淬火、时效后。综台物理性能优良，室温强度高，在150—500℃之间的耐热性能良好。TCl一TC4有良好的低温韧性及抗海水、抗热盐应力腐蚀性能；其中．TC4台金应用最广，不仅有良好的室温、高温、低温化学性能和物理性能，而且冷、热成形性良好，可焊接、热加工、热处理强化。

3 钛合金固溶强化热处理

3．1 同溶淬火

β型和α+β型钛合金均可进行强化热处理，即通过固溶淬火得到亚稳定的过饱和固溶体，从而达到强化目的。影响强化效果的三要素是固溶加热温度、淬火冷却速度和口相合金元素含量。

β型合金固溶处理时，加热到β单相区后充分保温．使合金元素充分溶入β相固溶体中，小件和薄件可空冷淬火，大件和厚件水冷淬火；α+β型合金固溶加热温度不宜超过β单相区，否则会引起β相晶粒急剧长大，产生β脆性。因此，固溶处理时应加热到α+β两相区上部温区，经分保温使台金元素充分溶人固溶