钛合金材料的制备与加工
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6.1 概述
◆钛合金
纯钛加入合金元素就变成钛合金，目前世界上已经生产出近 30种牌号的钛合金。按退火组织，钛合金可分为型钛合金、 型钛合金和+型钛合金三类，它们的牌号分别用TA、TB、 TC加顺序号表示 。其中TA0~TA3为工业纯钛。
TA0~TA3 TA5 TA7 TB2 TB32 TC4 TC21
1100-1000 930
1280-890
1061
1030930 860
1220-
888
15-18 8
5.5-1 5
12
焊 接 备注 性 优 优 优 优 耐腐蚀
有 有 有 有 高强度 有 切削性好，
锻造性好 耐蠕变性、 锻造性好 耐热、耐蠕 变性1好0
6.1 概述
表 8.2 实用钛合金的组成及特性
类 型
合金（组成）
状态
型
6-4(6Al-4V)
6-4ELI 6-2-4-6(6Al-2Sn-4Zr6Mo) 6-6-2(6Al-6V-2Sn)
7-4(7Al-4Mo)
IMI679(11Sn-5Zr-2.5A l-1Mo-0.25Si)
5
6.1.3 钛工业的发展史
❖ 1791年英国牧师W．格雷戈尔(Gregor)在黑磁铁矿中发现 了一种新的金属元素。1795年德国化学家M．H．克拉普 鲁斯(Klaproth)在研究金红石时也发现了该元素，并以希 腊神Titans命名。
❖ 1910年美国科学家Hunter首次用钠还原TiCl：制取了纯钛。 1940年卢森堡科学家W．J．克劳尔(kroll)用镁还原TiCl： 制得了纯钛。从此，镁还原法(又称为克劳尔法)和钠还原 法(又称为亨特法)成为生产海绵钛的工业方法。
◆在日本，钛产品的开发是从成本低的工业纯钛 开始的，目前纯钛制品大约占80%左右，因此， 日本工业纯钛的质量在世界上是最好的。
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表 8.2 实用钛合金的组成及特性
类 型
型 （近
型）
合金（组成）
工业纯钛 (O<0.15) 工业纯钛 (O<0.20) 工业纯钛 (O<0.30) Ti-Pd： O<0.15, Pd0.12~0.25 O<0.20, Pd0.12~0.25 O<0.30, Pd0.12~0.25 Ti-5Ta 5-2.5(5Al-2.5Sn) 5-2.5ELI 8-1-1(8Al--1V--1Mo) 6-2-4-2(6Al--2Sn-4Zr -2Mo) 6-2-4-2-S(6Al-2Sn-4Z r-2Mo-0.1Si) IMI685(6Al-5Zr-0.5Mo -0.25Si)
❖ 具有超导性，临界温度0.38-0.40K. ❖ 顺磁性物质，导磁率1.00004 ❖ 杂质，特别是间隙杂质（O、N、C）可大大提高
钛的强度，同时明显降低其塑性
❖ 常温下钛的化学活性很小，但温度上升活性迅速 增加，甚至与很多物质发生剧烈发应
3
6.1 概述
表 8.1 钛以及铁、铝物性值的比较
金属 性能 密度(g/cm3) 熔点(℃) 相变温度(℃)
第6章 高强度钛合金
6.1 概述 6.2 钛合金的特性
美F-22战机约36%重量 的零件用钛合金制造
6.3 钛合金的种类
6.4 钛合金的制备工艺
6.5 钛合金的热处理
6.6 钛合金的应用
6.7 展望 1
6.1 概述
6.1 概述
一般来讲，纯金属受其本身所固有的物理性能 和力学性能的限制，很少能够直接作为实用结构材 料来使用。
7.87 1.538 / ；912 0.460 272
71 11.7 10.7 210
受重金属添加的限制 随合金元素有很大变化
型 Ti 合金 83-9.9 型 Ti 合金 110-120
4
6.1 概述
6.1.2 钛的使用性能
❖ 比强度高 ❖ 弹性模量低 ❖ 抗拉强度与其屈服强度接近 ❖ 无磁性、无毒 ❖ 抗阻尼性能强 ❖ 耐热性能好 ❖ 耐低温性能好 ❖ 吸气性能 ❖ 耐腐蚀性能
比热(J/kg·K) 融化潜热(J/g) 热导率(W/m·K) 热膨胀系数(10-6/K) 电阻率(Ω·m) 弹性模量(GPa)
钛
4.54 1.668 / ；882 0.544 435
17 8.41 42 / ；100/110
铝
铁
钛合金
2.70 660 无 0.879 397 247 23.6 2.66 72
状态
退火 退火 退火
退火
退火 退火
冷变 形 退火
固溶 处理
室温机械性能
σb (MPa)
σs
ห้องสมุดไป่ตู้
δ
(MPa) (%)
275~412 >167 >27
343-510 >216 >23
481-618 >343 >18
275~412 343-510 481-618 390 850
>167 >27 >216 >23 >343 >18 290 6 820 18
只有作为功能材料的Cu（导电材料）、Al（耐腐蚀材料） 以及W、Mo、Ge、Si（电子材料）等，但大尺寸规格的 纯金属功能材料却是很少的。
对于结构材料来说，在工业界以吨为单位进行加工生产 的纯金属只有钛。
2
6.1.1 钛的物化性质
6.1 概述
❖ 钛的密度：4.506-4.516g/cm3 ❖ 熔点：1668℃ ❖ 导热性和导电性差，近似或略低于不锈钢
❖ 美国在1948年用镁还原法制出2t海绵钛，从此达到了工业 生产规模。随后，英国、日本、前苏联和中国也相继进入 工业化生产，其中主要的产钛大国为前苏联、日本和美国。
6
6.1 概述
6.1.4 钛及钛合金的应用 ◆工业纯钛
✓工业纯钛的纯度为99.2%以上 ✓由于在冶炼过程中残留杂质的强化作用（主要是固溶强 化），使得工业纯钛具有作为结构材料所必须的强度和硬度。 其抗拉强度通常在280~630MPa范围内。 ✓工业纯钛还具有优异的耐腐蚀性能。 ✓工业纯钛在制备过程中，不必在合金化上花费费用，与钛 合金相比，工业纯钛的回收管理是很容易的，并且具有在民 用和耐腐蚀材料等方面使用所必备的材料性能。
纯钛 TiAl4 Ti-5AL-2.5Sn Ti-8Cr-8Mo Ti-32Mo Ti-6Al-4V Ti-6Al-4.5Sn-2Nb-1.5Mo
使用最 广泛
8
6.1 概述
◆在欧美，对钛的利用首先是从钛合金开始的， 在1960年所需要的95%为钛合金，纯钛仅为5%。 以后工业纯钛的利用渐渐增加起来。近年来已增 加到了30~50%；
6.1 概述
◆钛合金
纯钛加入合金元素就变成钛合金，目前世界上已经生产出近 30种牌号的钛合金。按退火组织，钛合金可分为型钛合金、 型钛合金和+型钛合金三类，它们的牌号分别用TA、TB、 TC加顺序号表示 。其中TA0~TA3为工业纯钛。
TA0~TA3 TA5 TA7 TB2 TB32 TC4 TC21
1100-1000 930
1280-890
1061
1030930 860
1220-
888
15-18 8
5.5-1 5
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焊 接 备注 性 优 优 优 优 耐腐蚀
有 有 有 有 高强度 有 切削性好，
锻造性好 耐蠕变性、 锻造性好 耐热、耐蠕 变性1好0
6.1 概述
表 8.2 实用钛合金的组成及特性
类 型
合金（组成）
状态
型
6-4(6Al-4V)
6-4ELI 6-2-4-6(6Al-2Sn-4Zr6Mo) 6-6-2(6Al-6V-2Sn)
7-4(7Al-4Mo)
IMI679(11Sn-5Zr-2.5A l-1Mo-0.25Si)
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6.1.3 钛工业的发展史
❖ 1791年英国牧师W．格雷戈尔(Gregor)在黑磁铁矿中发现 了一种新的金属元素。1795年德国化学家M．H．克拉普 鲁斯(Klaproth)在研究金红石时也发现了该元素，并以希 腊神Titans命名。
❖ 1910年美国科学家Hunter首次用钠还原TiCl：制取了纯钛。 1940年卢森堡科学家W．J．克劳尔(kroll)用镁还原TiCl： 制得了纯钛。从此，镁还原法(又称为克劳尔法)和钠还原 法(又称为亨特法)成为生产海绵钛的工业方法。
◆在日本，钛产品的开发是从成本低的工业纯钛 开始的，目前纯钛制品大约占80%左右，因此， 日本工业纯钛的质量在世界上是最好的。
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表 8.2 实用钛合金的组成及特性
类 型
型 （近
型）
合金（组成）
工业纯钛 (O<0.15) 工业纯钛 (O<0.20) 工业纯钛 (O<0.30) Ti-Pd： O<0.15, Pd0.12~0.25 O<0.20, Pd0.12~0.25 O<0.30, Pd0.12~0.25 Ti-5Ta 5-2.5(5Al-2.5Sn) 5-2.5ELI 8-1-1(8Al--1V--1Mo) 6-2-4-2(6Al--2Sn-4Zr -2Mo) 6-2-4-2-S(6Al-2Sn-4Z r-2Mo-0.1Si) IMI685(6Al-5Zr-0.5Mo -0.25Si)
❖ 具有超导性，临界温度0.38-0.40K. ❖ 顺磁性物质，导磁率1.00004 ❖ 杂质，特别是间隙杂质（O、N、C）可大大提高
钛的强度，同时明显降低其塑性
❖ 常温下钛的化学活性很小，但温度上升活性迅速 增加，甚至与很多物质发生剧烈发应
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6.1 概述
表 8.1 钛以及铁、铝物性值的比较
金属 性能 密度(g/cm3) 熔点(℃) 相变温度(℃)
第6章 高强度钛合金
6.1 概述 6.2 钛合金的特性
美F-22战机约36%重量 的零件用钛合金制造
6.3 钛合金的种类
6.4 钛合金的制备工艺
6.5 钛合金的热处理
6.6 钛合金的应用
6.7 展望 1
6.1 概述
6.1 概述
一般来讲，纯金属受其本身所固有的物理性能 和力学性能的限制，很少能够直接作为实用结构材 料来使用。
7.87 1.538 / ；912 0.460 272
71 11.7 10.7 210
受重金属添加的限制 随合金元素有很大变化
型 Ti 合金 83-9.9 型 Ti 合金 110-120
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6.1 概述
6.1.2 钛的使用性能
❖ 比强度高 ❖ 弹性模量低 ❖ 抗拉强度与其屈服强度接近 ❖ 无磁性、无毒 ❖ 抗阻尼性能强 ❖ 耐热性能好 ❖ 耐低温性能好 ❖ 吸气性能 ❖ 耐腐蚀性能
比热(J/kg·K) 融化潜热(J/g) 热导率(W/m·K) 热膨胀系数(10-6/K) 电阻率(Ω·m) 弹性模量(GPa)
钛
4.54 1.668 / ；882 0.544 435
17 8.41 42 / ；100/110
铝
铁
钛合金
2.70 660 无 0.879 397 247 23.6 2.66 72
状态
退火 退火 退火
退火
退火 退火
冷变 形 退火
固溶 处理
室温机械性能
σb (MPa)
σs
ห้องสมุดไป่ตู้
δ
(MPa) (%)
275~412 >167 >27
343-510 >216 >23
481-618 >343 >18
275~412 343-510 481-618 390 850
>167 >27 >216 >23 >343 >18 290 6 820 18
只有作为功能材料的Cu（导电材料）、Al（耐腐蚀材料） 以及W、Mo、Ge、Si（电子材料）等，但大尺寸规格的 纯金属功能材料却是很少的。
对于结构材料来说，在工业界以吨为单位进行加工生产 的纯金属只有钛。
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6.1.1 钛的物化性质
6.1 概述
❖ 钛的密度：4.506-4.516g/cm3 ❖ 熔点：1668℃ ❖ 导热性和导电性差，近似或略低于不锈钢
❖ 美国在1948年用镁还原法制出2t海绵钛，从此达到了工业 生产规模。随后，英国、日本、前苏联和中国也相继进入 工业化生产，其中主要的产钛大国为前苏联、日本和美国。
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6.1 概述
6.1.4 钛及钛合金的应用 ◆工业纯钛
✓工业纯钛的纯度为99.2%以上 ✓由于在冶炼过程中残留杂质的强化作用（主要是固溶强 化），使得工业纯钛具有作为结构材料所必须的强度和硬度。 其抗拉强度通常在280~630MPa范围内。 ✓工业纯钛还具有优异的耐腐蚀性能。 ✓工业纯钛在制备过程中，不必在合金化上花费费用，与钛 合金相比，工业纯钛的回收管理是很容易的，并且具有在民 用和耐腐蚀材料等方面使用所必备的材料性能。
纯钛 TiAl4 Ti-5AL-2.5Sn Ti-8Cr-8Mo Ti-32Mo Ti-6Al-4V Ti-6Al-4.5Sn-2Nb-1.5Mo
使用最 广泛
8
6.1 概述
◆在欧美，对钛的利用首先是从钛合金开始的， 在1960年所需要的95%为钛合金，纯钛仅为5%。 以后工业纯钛的利用渐渐增加起来。近年来已增 加到了30~50%；