第三章钛合金及合金化原理

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