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 tita nium alloy, p erforma nee, and market app licati on prosp ect;

Emp hatically discusses the prin ci pie of heat treatme nt, the rei nforceme nt mecha nism of tita nium alloy, hot worki ng p rocess and heat treatme nt p rocess.

Key Word: Titanium alloy; Solid solution hardening; Ageing stre ngthe ning; With soluble que nching

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02

N2 H2 C02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P -Ti（密

排立方）和P -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a -Ti或P -Ti的稳定作用。改变a和P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P稳定元素，Al在Ti中主要溶入p固溶体，少量溶于P相。在室温下，Al在P -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p -Ti 和p -Ti 中均能形成无限固溶体。Sn 在 p

-Ti 和

p -Ti 中的溶解度也较大。因此Zr 和Sn 不仅能强化p 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

p -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

p 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p 相，这一含量称为“临 界浓度”。

1.4 Mn 、Fe 、Cr 、Cu 、及Si 等

p 稳定元素能形成共析反应，其临界浓度比 p 同 晶元素都

低，故其稳定p 相能力比p 同晶元素还大。其中Cu Si 等属于活性共析 型p 稳定元素，其共析反应速度很快，在一般冷却条件下，

p 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。 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, 在a -Ti 中的固溶度大，且随含量的增加可使 的温度范围。a 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a 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p 型和a +p 型钛合金.而且室温塑性及冲压性能较差；在 500 —600C 的高温强度和蠕变强度高于p 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 。

Q 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。

2.2

p 型钛合金

p 型钛合金含有Mo V 、Nb Ta 和Fo 、Mn Co Cr 、W i 、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p 一Tt 相同的体 心立方晶格，能无限溶于p -Ti 中，是稳定的相p 相同晶元素；而Fe 、Mn Co Cr 、

钛合金中的C L 的含量超过极限溶解 可形成稳定的a 固溶体。这类元素

a T p 转变温度升高，扩大a 稳定相

Ni、Cu Si等元索只能有限固溶于p -Ti中，形成的p相在低温时会发生共析分解，是稳定P相的共析元素。随着上述元素含量的增加，合金的a —p转变温度

急剧降低，扩大了P稳定相的温度范围。P型钛合金的主要牌号有TBI、TB2等。

可热处理强化，在P单相区内加热、保温、空冷正火或固溶淬火。可以将高温P 相保留到室温，得到介稳定P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+ P型钛合金

a+p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a Ti和p -Ti中。a+p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 TCIO。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—500r之间的耐热性能良好。TCI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

P型和a + p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。

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