金属材料学第11章 钛合金

各
类
α+β钛合金可热处理强化，常温强度高，中温
合 的耐热性也不错，但组织不够稳定，焊接性差
金
特
β合金塑性加工性好，合金浓度适当时，通过
点
热处理可获得高的常温力学性能，是发展高强度钛
合金的基础，但组织不够稳定，冶炼工艺复杂
应用程度: α+β合金 > α合金 > β钛合金
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1、α钛合金(Al/Sn)
α+β钛合金力学性能变化范围较宽，可适 应各种用途，约占航空工业使用的钛合金70％ 以上。目前国内外应用最广泛的α+β钛合金 是Ti-A1-V系的Ti-6A1-4V，即TC4合金。
3、β钛合金(Mo、V/Cr)
β钛合金是发展高强度钛合金潜力最大的合金。
热处理 特点
合金化特点：加入大量β稳定元素。 热处理特点:室温为单相β组织，经时效可↑↑ 强度。淬火态下能冷成型→进行时效处理。
图11.1钛与合金元素的典型二元线图
a）α稳定型, Al、Sn；b)β稳定型V、 Mo,c) α+γ共析型, Mn、Cr；d)α和β全溶 型， Ha、Zr
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Ti-Sn相图
α稳定型(包析)
β稳定型（共析）
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γ共析型
α和β全溶型
（二）钛合金的分类（GB/T3621—94） 在退火状态下，按组织分α型钛合金、β型
性能 特点 与应 用
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强韧性优于α+β合金，具有良好的焊接性和 压力加工性。缺点是β元素浓度高，密度↑，易 偏析，性能波动大。β相元素多是稀有金属，价 格↑，≯200℃使用，应用受限制.
目前应用的加工钛仅TB2 ，主要用于制造各种 整体热处理的冲压件和焊接件；如轮盘、轴类 等重载荷旋转件，以及飞机的构件等
11.1.2钛合金的相变
C0 tk
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1、马氏体转变
β相(bcc) → α′六方马氏体(hcp)； → α″斜方马氏体。
基 本
Ck ： Ms↓β相不发生M转变的合金浓度
概 念
tk ：当t淬↓到一定温度，β相浓度↑到Ck时， 淬火到室温β相也不发生M转变的临界淬火温度。
Ck和tk是非常重要的两个参数。
β为体心立方，具有较好的塑性，冷加工性能与纯钛 相近。
β钛合金的合金元素量较大，固溶强化效果大；加工 硬化性高；时效强化（析出α相强化）高。
β钛合金固溶后强度：750-950MPa，时效后强度 1000-1700MPa。
β相中原子扩散系数大，加热温度超过β相变点时，出现粗大
晶粒，产生“β脆性”
应
α钛合金不能热处理强化，退火或热轧态
用
下使用。TA7是应用最多的一种。 TA4~TA6是Ti-Al系二元合金
特 点
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2、α+β钛合金(Al/V、Mo)
合 金 化 特 点
性 能 特 点
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含4~6%的β稳定元素 →α和β同时强化。
α+β合金性能主要由β相元素来决定。 α相元素主要是铝， <6~7%→以免生成α2而 ↓韧性。另补加少量中性元素锡和锆。 β元素选择较复杂。+Mo和V等，再适当+少 量Mn和Cr或微量Si。
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美F-22战机约36%重量的零 件用钛合金制造
纯钛主要用于 350℃以 下工作、强度要求不高 的零件，如石油化工用 热交换器、反应器，海 水净化装置及舰船零部 件。
钛钢复合反应釜
钛管换热器
钛制蒸馏塔
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11.1.1钛的基本性质与合金化
①有同素异构转变。 β，bcc| 882℃| α，hcp ②比强度高。ρ=4.51g/cm3，可保持到550～600℃ ③耐蚀性好。形成保护膜, 耐海水腐蚀性是最好的 ④低温性能好。在77K下仍有良好的力学性能 ⑤导热系数低。比铁低4.5倍，易产生热应力 主要合金元素有A1、Zr、V 、Mo、Mn、Cr等
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4、亚稳定相的分解
淬火形成的α′、α″、ω和 βr相都是不稳定的
钛合金和α＋β型钛合金，以TA、TB、TC 表示。符号后面的数字表示顺序号。 TA7：Ti-5Al-2.5Sn TB2：Ti-3Al-8Cr-5Mo-5V TC4：Ti-6Al-4V
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二、钛合金特点
α钛合金高温性能好，组织稳定，焊接性好， 是常用耐热钛合金，但常温强度低，塑性不高
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一、钛的合金化及分类
（一）合金元素与钛的作用
1）α稳定型相图，扩大α 相区的元素有Al、Sn、O、 N、C等。
2）β稳定型相图，扩大β 相区的元素有V、Mo 等。
3）α+γ共析型相图，使 共析的元素有Mn、Fe、Cr、 Cu、Si、 Ni、 Ag等。
4） α和β全溶型相图，如 Zr、Ha等。
主要Me是Al和Sn，固溶强化:+1%Me，强度↑35~70MPa
Al
A1在α相中固溶度很大,↑耐热性(<500℃)
作 用 特
但Al＞6％后→与α共格有序相α2（Ti3Al） α2是硬而脆中间相，对合金塑韧性不利。
点ห้องสมุดไป่ตู้
Al大于25%后，则出现γ相（TiAl）
一般工业用钛合金Al含量很少超过6％。
α钛合金使用温度≯500℃。
11钛合金titanium alloy
11.1概述
钛及其合金是上世纪40年代发 展起来的一类新型结构材料
Ti的物理性能 纯Ti熔点1668℃。 强度高， 是Al的6倍，塑性好，便于冷 热加工。 还具有超导、记忆、 储氢等特殊性能。
热处理
纯Ti不能热处理强化，只能进
行冷变形强化，α＋β型钛 合金可热处理。
ω相硬而脆，虽↑↑强度、硬度和弹性模量，
特 但塑性急剧↓。一般情况下,ω相是有害组织，在 点 热处理时都要避开它的形成区间。加A1能抑制ω
相的形成 → 大多数工业用钛合金都含有A1
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3、 过冷(残余）βr 的形成
合金元素浓度较高，马氏体转变温度低于室温， β被 冻结，形成βr，成为β钛合金。
钛合金M是置换型过饱和固溶体，与钢间隙式M不同
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2、ω相的形成
β稳定型钛合金的成分位于临界浓度Ck附近时，淬火时 除形成α′或βr外，还能形成淬火ω相，用ωq表示。
性 质
ω是六方晶格，与β相有共格关系。ω相形 状与Me原子半径r有关，r与钛相差较小的合金，
ω相是椭圆形，Δr相差较大时为立方体形