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
合金化原理
合金化原理合金化是指将两种或两种以上的金属或非金属熔炼在一起，形成新的金属材料。
合金化的原理是通过改变金属的晶体结构，使其性能得到改善。
合金化可以提高金属的硬度、强度、耐热性、耐腐蚀性等性能，从而扩大金属的应用范围。
下面将从合金化的原理、方法和应用三个方面来详细介绍合金化的相关知识。
合金化的原理。
合金化的原理主要包括固溶强化、析出强化和相变强化三种方式。
固溶强化是指将一种金属溶解在另一种金属的晶格中，形成固溶体，从而提高金属的硬度和强度。
析出强化是指在合金中形成一种或多种溶解度有限的化合物，这些化合物的形成可以提高合金的硬度和强度。
相变强化是指在材料中发生相变时，晶粒的形态和尺寸发生变化，从而提高材料的性能。
合金化的方法。
合金化的方法主要包括熔炼法、粉末冶金法和表面合金化法。
熔炼法是将两种或两种以上的金属熔炼在一起，然后冷却凝固成合金。
粉末冶金法是将金属粉末混合后通过压制、烧结等工艺形成合金。
表面合金化法是将一种金属的表面覆盖上另一种金属，以改善金属的表面性能。
合金化的应用。
合金化广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。
在航空航天领域，合金化可以提高材料的耐高温、耐腐蚀性能，从而保证飞机在极端环境下的安全飞行。
在汽车制造领域，合金化可以提高汽车零部件的强度和硬度，延长零部件的使用寿命。
在电子设备领域，合金化可以提高电子元器件的导电性能和耐磨性能，从而提高设备的性能和可靠性。
总结。
合金化是一种重要的金属材料改性方法，通过改变金属的组织结构和成分，可以显著提高金属材料的性能。
合金化的原理主要包括固溶强化、析出强化和相变强化三种方式，合金化的方法主要包括熔炼法、粉末冶金法和表面合金化法。
合金化广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域，为各行业的发展提供了重要的支撑。
通过对合金化的原理、方法和应用的介绍，相信读者对合金化有了更深入的了解，也希望本文能够对相关领域的科研工作者和工程技术人员有所帮助。
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。
钛合金锻造技术解答
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注：玻璃润滑剂是由玻璃粉、稳定剂、固结剂以及水构成的悬浮液
2008-09-09
钛合金锻造基础
锻造设备类型与应变速率的关系
锻 造 设 备
液压 慢速液压
10-2~ 1
锻锤 机械压力 （快速）
10~ 200
1~ 30
10-4~ 10-2
平均应变速率/s-1
2008-09-09
2008-09-09
钛合金的常用术语
原始β晶粒
α集束
2008-09-09
钛合金的常用术语
其他术语参见GB8755-1988
谢谢！
2008-09-09
钛合金锻造基础
变形量控制 变形量： 钛合金的临界变形2—12%，实际控制应 在15—20%以上; 变形30—40%,可细化 组织；60—70%以上可将粗针状组织细 化转变为球状组织
与热效应综合考虑
2008-09-09
钛合金锻造基础
清理
{
氧化皮的清除 α壳层的清除
喷砂
可清除0.13~0.76mm厚的锈皮，喷砂设备：装有磨料的 滚筒、喷丸或喷砂装置
自由锻、挤压、平锻、快锻、精锻
β区加热，足够变形量，变形先小后大， 防止裂纹和局部变形。
2008-09-09
常用开坯设备
钛合金的生产流程
2008-09-09
钛的基本特征
钛元素的基本特征
(1) 密度(纯钛密度介于铝 和铁之间。 (2) 导热性差，导热率仅 为铁的1/6，铝的1/15。 (3) 摩擦系数较大。 (4) 热膨胀系数较低。 (5) 弹性模量较低。 (6) 无磁性。
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！。
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% 。
化学必修第一册第三章第二节 合金
形状记忆合金制成的水龙头 上的温度调节装置
形状记忆合金制成的 移动跳跃的机器人
钛合金
镍钴合金
钛合金、耐热合金和形状记忆合金等新型合金广泛应用于航空航天 、生物工程和电子工业等领域。
练习
1．下列物质，不属于合金的是（ D） A．硬铝 B．黄铜 C．钢铁 D．水银
一、金属分类
按色泽分 黑色金属——铁、锰、铬三种。 有色金属——除“铁、锰、铬”三种外。
按密度分 轻金属——密度小于4.5g/cm3——K、Na、Mg、Al等
重金属——密度大于4.5g/cm3——Fe、Cu、Hg、Pb等 金
属
按熔点分 低熔点金属——K、Na、Mg、Al等
高熔点金属——W、Fe、Cu、Pb等
铁和碳的合金
中碳钢 0.3~0.6% 高碳钢 ＞0.6%
钢
合金钢: 在碳素钢中加入铬 锰 钨 镍 钼 钴 硅 等合金
阅读教材P74资料卡片
合金钢也叫特种钢,是在碳素钢里适量地加人一种或几种合金元素,使钢的组织 结构发生变化,从而使钢具有各种特殊性能,如强度、硬度大,可塑性、韧性好, 耐磨, 耐腐蚀等。
立即产生气泡，将点燃 的木条放在试管口可观 察到淡蓝色火焰。
反应方程式
偏铝酸钠
两性氧化物：既能与酸反应生成盐和水,又能与碱反应生成盐和水的氧 化物,例如Al2O3。
5、钛合金：
（1）钛：具有银白色金属光泽，密度4.5g/cm3，熔
金属钛
点很高（1725℃），沸点3260℃。具有良好的延性和展
性。在常温下，钛的外形很像钢铁，但远比钢铁坚硬，
纯金属与合金的结构比较
合金化学性质优越：改变纯金属的配比，可以得到不同性能的合金。 合金机械性能优越：如不锈钢的耐腐蚀性比纯铁好
钛合金介绍PPT课件
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魏氏组织α 片结构的断裂韧性与屈服强度的关系
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α 稳定元素和间隙元素的固溶强化
间隙元素的硬化能力比α 稳定元素大，源于形成强的 局部定向电子结合键。
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β稳定元素的钛固溶强化作用
α +β 型钛合金的退火组织为α +β ，以TC加顺序号表示其合金
的牌号。 合金同时含有β 相稳定元素和α 相稳定元素。组织以α 相为主，β 相的数量通常不超过30%。 合金可通过淬火及时效进行强化，多在退火状态下使用。α+β 型钛合金的室温强度和塑性高于α 型钛合金，生产工艺比较简单， 通过改变成分和选择热处理制度又能在很宽的范围内改变合金的 性能，应用比较广泛，尤以TC4用途最广，用量最多。
（1）产生β相共析分解的元素，如铬、钴、锰、钨、铁、镍、
铜、银、金、钯、铂等。随温度降低， β相会发生共析分解， 析出α相及金属间化合物相。铜、硅等合金化时，共析转变快， 析出TiCu2，Ti5Si3。而铁、锰、铬、钴、镍等合金化时则速率 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。当快速冷却时，共析反应可以被完全抑制，过冷β相可 保留到室温，而不产生相变。
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气体杂质元素的作用
氢：稳定β相元素。
在335℃下，氢在α -Ti的溶解度为0.18%，并随温度降低而迅速 下降。故α相钛合金很容易发生氢脆，脆化原因是生成TiH2氢化物， 一般纯α-Ti的冲击韧性αK≈180J/cm2，当w(H)=0.015%时， αK 降至30J/cm2。因此，具有α 及α ＋β 组织的钛合金要求含氢量低， 一般采用真空冶炼，使含氢量较低。
_新教材高中化学第三章铁金属材料第二节金属材料第课时合金学生用书新人教版必修第一册
第1课时合金核心微网络素养新要求1.了解金属及其性能，认识金属材料的分类。
2．认识铁合金的类型、性能及用途。
3．学会铝和氧化铝的性质，认识两性氧化物的特性。
4．了解铝合金、新型合金的用途，理解金属材料的重要性。
学业基础—自学·思记·尝试一、合金及其性质1．合金的定义合金是由两种或两种以上的金属(或金属与非金属)熔合而成的具有________的物质。
2．合金的特性(1)合金的硬度一般比各成分金属的________。
(2)合金的熔点一般比各成分金属的________。
(3)合金的________、________及________一般优于各成分金属。
(4)合金的性能可以通过所添加的合金元素的________、含量和______________等来加以调节。
特别提醒(1)合金是混合物，不是纯净物，是通过熔合而成的。
(2)通常认为合金没有固定的熔点。
(3)组成合金的物质不一定都是金属，也可以有非金属，但一定有金属。
(4)合金的用途比纯金属更广泛。
(5)合金的种类远远多于纯金属的种类。
(6)一般来说合金中各成分金属保持了其原有的化学性质。
3.纯金属与合金的结构比较合金的形成改变了________________，使合金的性能与纯金属相比有很大的差异。
二、铁合金1．分类2．主要特征和用途3.钢中合金元素的主要作用三、铝和铝合金1．铝的存在和物理性质(1)存在：铝是地壳中含量最多的金属元素，铝在地壳中的含量仅次于________和________，居第三位。
(2)铝的物理性质2.铝的化学性质(1)铝与O2等非金属单质反应①常温下铝与O2的反应常温下，金属铝能被空气中的氧气氧化，表面生成一层致密的氧化铝薄膜，这层薄膜能阻止内部金属继续与氧气发生反应。
反应的化学方程式为4Al＋3O2===2Al2O3。
②在点燃条件下，铝剧烈燃烧，发出耀眼的白光。
4Al＋3O22Al2O3(2)铝与盐酸反应的实验探究特别提醒实验开始时不产生气泡，后产生气泡且速率加快，这是因为开始时Al表面的氧化铝薄膜参与反应，不产生H2，后来Al参与反应，产生H2，随着反应的进行，温度升高，反应速率加快。
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。
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。
冶金原理及工艺5.5典型合金的熔炼工艺-钛合金
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❖ 水冷铜坩埚应用最为广泛，欧美、中国都主要采用这种坩埚。 ❖ 铜材埚的直径D由炉容量与电极直径d所决定，一般为d/D为
0.45~0.75，而坩埚的合理深度H则与电流强度有关，一般铜 坩埚的深度直径比H/D约为1.2～1.5。
缺陷产生的潜在原因，包括燃烧、炉子漏气、焊接 时保护不好、外来杂质、低级残料及未混合均匀的 TiO2添加剂等。
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➢ 而已发现的高密度夹杂有两种类型： • 难熔金属(W，Mo，Ta和Nb)； • 其金属化合物(WC，TiW)等。 ➢ 难熔金属夹杂主要由于配料选择不当或意外造成的 ；
TiW主要来源于所采用的氩弧焊接钨电极；WC主要 来源于车削时使用的刀具。
➢ VAR法在熔炼之前都要进行电极材料的制备，电极材料经过 电弧熔化后都进入了铸锭(或作为下一次熔炼的电极)，因此 对电极材料的制备要进行严格控制，否则容易引进夹杂物。
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➢ 钛合金熔炼容易引入的夹杂物主要有二类： • 一类为低密度夹杂（硬α夹杂物）； • 另一类为高密度夹杂。 ➢ 在任何存在氧化反应的地方，都是硬α夹杂物这种
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3. 真空自耗电极凝壳炉熔炼——这种熔炉是在真空 自耗电极电弧炉基础上发展起来的, 它是一种将 熔炼与离心浇注联成一体的铸造异形件的炉型。 其最大的特点是在水冷铜坩埚与金属熔体之间存 在一层钛合金固体薄壳, 即所谓凝壳, 这层铜材质 的凝壳作为坩埚的内衬, 用于形成熔池储存钛液, 避免了坩埚对钛合金液的污染。浇注后, 留在坩 埚内的一层凝壳, 可作为坩埚内衬继续使用。
熔炼完毕后，将钛液倾注在铸型中得到所需的铸件。
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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。
钛合金的性能优异的原理
钛合金的性能优异的原理钛合金是一种由钛元素与其他合金元素（如铝、钒、锰、铁等）组成的合金材料。
钛合金因其优异的性能广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械等领域。
其性能优异的原理主要包括以下几个方面：1. 高比强度和低密度：钛合金具有较高的比强度和较低的密度，比强度是指材料承受最大外力时所能承受的力与其单位面积的比值。
钛合金的高比强度使其具有优异的抗拉、抗压和抗弯强度，适用于要求高强度同时又要求材料轻型化的场合。
2. 良好的耐腐蚀性能：钛合金在常温下具有良好的耐腐蚀性能，能够在大气、水、海水、酸、碱等介质中长期稳定使用。
这是因为钛合金表面生成一层致密、坚硬的氧化膜（TiO2），能够有效防止进一步氧化和腐蚀，从而延长了材料的使用寿命。
3. 良好的高温性能：钛合金具有良好的高温稳定性，能够在高温环境下保持较高的强度和刚性。
这是由于钛合金中添加的合金元素能够有效抑制晶界的变形和生长，提高了材料的熔点和热稳定性，从而在高温下表现出较好的性能。
4. 优异的低温性能：钛合金具有良好的低温韧性，能够在低温下保持较高的强度。
在极低温环境下，钛合金能够继续保持其原有的强度，并且不容易发生脆断现象，适用于一些低温环境下的应用场合，如航空航天领域。
5. 优良的机械性能：钛合金在室温下具有良好的可塑性和可加工性，能够通过热加工（如锻造、轧制）和冷加工（如拉拔、压缩）等方式进行成型加工。
这是由于钛合金具有良好的变形能力和形变硬化能力，能够在外力作用下发生塑性变形，从而实现材料的成形和加工。
综上所述，钛合金的性能优异主要是因为其具有高比强度和低密度、良好的耐腐蚀性能、高温性能和低温性能以及优良的机械性能。
这些优异的性能使得钛合金在各个领域中得到广泛应用，并逐渐替代传统金属材料。
然而，钛合金的制备过程较为复杂，成本较高，限制了其在一些应用领域的推广和使用。
因此，未来的研究方向包括进一步提高钛合金的制备工艺和技术，并探索新型高性能钛合金的开发。
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第三章钛合金及合金化原理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% 。
只要铝当量低于8%～9%，就不会出现α2相。
Sn 是相当弱的强化剂，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。
微量的B可细化钛及其合金的大晶粒，Ga可以与钛良好溶合，并显著提高钛合金的热强性。
氧是较“软”的强化剂，在含量允许的范围内时，不仅可保证所需的强度水平，而且可以保证足够高的塑性。
（4）第四种类型与α、β均有限溶解，并且有共析分解的相图，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，形成的Ti2Cr化合物有两种同素异晶形式，其固溶体以δ和γ表示。
Cr属于β稳定元素，在α钛中的溶解度不超过%。
Cr含量大于9%时，通过淬火可将β相固定到室温。
Cr可以使钛合金有好的室温塑性并有高的强度，同时可保证有高的热处理强化效应。
Ti-W系中,会产生偏析转变：β′↔α + β′′。
偏析反应温度较高，Ti-W系的热稳定性比Ti-Cr合金高的多。
W在α钛中的溶解度不高。
W含量大于25%时，通过淬火可将β相固定到室温。
氢降低钛的同素异晶转变温度，形成共析反应，从而使β固溶体分解而形成α相和钛的氢化物，在共析温度下氢在α钛中的溶解度为%。
氢组成间隙型固溶体，属于有害杂质，会引起钛合金的氢脆。
在非合金化钛和以α组织为基的单相钛合金中，氢脆的主要原因是脆性氢化物相的析出，急剧降低断裂强度。
在两相合金中，不形成氢化物，但形成氢的过饱和固溶体区，在低速变形时引起脆性断裂。
在β相含量小的合金中，这两种产生联合作用。
纯钛和近α组织的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）合金元素的分类①α稳定元素能提高β相变温度的元素，称为α稳定元素，与钛形成包析反应，这些元素的电子结构、化学性质和钛的差别较大。
铝是最广泛采用的、唯一有效的α稳定元素。
钛中加入铝，可降低熔点和提高β相变温度，在室温和高温都起到强化作用，也能减小合金的比密度。
含铝量达6%～7%的钛合金具有较高的热稳定性和良好的焊接性。
添加铝在提高β转变温度的同时，也使β稳定元素在α相中的溶解度增大。
铝原子以置换方式存在于α相中，当铝的添加量超过α相的溶解极限后，会出现以Ti3Al为基的有序α2固溶体，使合金变脆，热稳定降低。
Ti-Al系金属间化合物的密度小，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的吸引力。
铝含量分别为16%及36%的Ti3Al和Ti Al基合金，是很有前途的金属间化合物耐热合金。
②中性元素对钛的β元素转变温度影响不明显的元素，称为中性元素，中性元素锆、铪在α、β两相中有较大的溶解度，甚至能够形成无限固溶体。
中性元素锡、铈、镧、镁等，对钛的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相强度的同时，也提高其热强性。
强化效果低于铝，对塑性的不利作用也比铝小，有利于压力加工和焊接。
适量的铈、镧可以改善钛合金的高温拉伸强度及热稳定性的作用。
③β稳定元素降低钛β转变温度的元素，称为β稳定元素。
ⅰ β同晶元素。
β同晶元素如钒、钼、铌、钽，在周期表上的位置靠近钛，具有与β钛相同的晶格类型，能与β钛无限互溶，而在α钛中具有有限溶解度。
它们能以置换的方式大量溶入β钛中，产生较小的晶格畸变，在强化合金的同时，保持其较高的塑性。
ⅱβ共析元素β共析元素在α和β钛中均具有有限溶解度，但在β钛中的溶解度大于α中的。
慢共析元素有锰、铁、铬、钴钯等，使钛的β相具有很慢的共析反应，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钛所形成的共析反应速度很快，β相很难保留到室温。
共析分解所产生的化合物，都比较脆，但可用于强化钛合金（尤其热强性）。
当β稳定元素的含量达到某一临界值，较快冷却速度能使合金中的β相保持到室温，这一临界值称为临界溶度，用C k表示。
元素的C k越小，其稳定β相的能力越强。
一般β共析元素（尤其慢共析元素）的C k要小于β同晶元素。
④生成离子化合物的元素卤素元素氯、碘可与钛形成离子化合物。
在工业生产中，制造TiCl和TiI4,通过还原工艺，可获得海绵钛和碘化法高纯钛。
⑤不发生反应的元素和钛不发生作用的镁、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的影响钛合金主要强化途径是固溶强化和弥散强化。
前者是通过提高α相和β相的固溶溶度而提高合金的性能，后者是借助热处理获得高度弥散的α+β或α+金属间化合物来达到强化的目的。
钛合金：难以通过组织调整，在满足高强度水平的同时，仍然保持足够的塑性和韧性。
α稳定元素中，Al的固溶强化效果最显著。
β稳定元素优先溶于β相，因此β相具有更强的强度和硬度，合金平均强度随着组织中β相所占比例增加而提高，当α相和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的耐热合金，非活性共析元素的存在将降低材料的热稳定性。
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稳定元素和中性元素为主，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的钼、钨及共析转变较高的硅、铜等元素，在适当溶度范围内可有效增加合金的热强性。
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的材料。
（3）杂质元素对钛性能的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= O% +2N%+%换型元素。
综合考虑间隙元素对硬度的影响，引入氧当量：O当氧当量和硬度的关系为：HV=65+310O。
氢降低α + β/β相变温度，是β稳定元素，在β-Ti中的溶解度比α-Ti中大得多，，且在α-Ti中的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。
含氢的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，溶解在晶格中的氢原子，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。
增塑的原因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，提高了钛的强度，急剧降低塑性，影响程度按氮、氧、碳顺序递减。
微量铁和硅在固溶范围内与钛形成置换固溶体，对钛的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是形成固溶体还是形成化合物，形成的溶解度有多大，主要取决于原子的电子层结构、原子半径大小、晶格类型、电负性及电子浓度等因素。
钛是过渡族金属，在周期表上，与钛同族的元素锆和铪具有和钛相同的外层电子结构和晶格类型，原子半径也相近，故与α钛和β钛均能无限互溶，形成连续固溶体。
在周期表上，靠近钛的元素（如钒、钼、铌、钽）与β钛具有相同的晶格类型，能与β钛无限互溶，与α钛有限溶解。
周期表上离钛越远的元素，其电子结构及原子半径约钛相差越大，与钛的溶解度也越小，并且容易形成化合物。
合金元素对钛合金组织结构和性能的影响1.Al 铝具有显著的固溶强化作用，在α-Ti中的固溶度大于在β-Ti中的固溶度，提高α /β相互转变的温度，扩大α相区，属于α稳定化元素。
当合金中Al的质量分数在7%一下时，随含Al量的增加，合金的强度提高，塑性无明显降低；当合金中Al的质量分数超过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中也有一定的固溶度。
钒具有显著的固溶强化作用，在提高合金强化的同时能保持良好的塑性。
钒还能提高钛合金的热稳定性。
3.Cu 铜属于β稳定化元素，钛合金中的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的作用。
由于铜在α相中的固溶度随温度的降低而显著减少，故可以通过时效沉淀强化来提高合金的强度。
4.Si 硅的共析转变温度较高（860℃），可改善合金的耐热性能。
在耐热合金中加入的硅量以不超过α相最大固溶度为宜，一般为%左右。
由于硅和钛的原子尺寸差别较大，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。
硅除了作为固溶元素固溶于基体，还有一部分形成第二相沉淀析出，扩大了马氏体稳定存在温度区间，提高了合金硬度。