全方位的讲解钛及钛合金材料_钛及钛合金_

（2） 真空加热
先装炉料，然后加热并抽真空（有时真空度达到要求后充惰性
气体），保温、冷却，最后出炉（出炉温度最佳＜200℃）空冷。
（3） 加热特点
①加热工艺依据
钛的加热工艺主要依据其物理化学特性，其中导热率和
化学活性是重要因素。
a. 钛的化学活性大，其导热系数低为铜的 1/2，铝的 1/3，
钢的 1/5，说明在同一加热温度下，钛的加热时间要长，使其表面受
所以，实际再结晶退火温度：工业纯钛为 650-700℃； TC4 钛合金为 800-850℃。
（2） 消除应力退火 消除金属材料因变形加工、切削加工、焊接加工及深加工制造 等过程引起的内部应力，又不发生再结晶的退火称为消除应力退火。 如：工业纯钛消除应力退火温度 550-600℃，TC4 钛合金消除应 力退火温度 550-600℃。 4. 加热 （1） 非真空加热
110
2 级 MHT-125 99.5 0.15 0.03 0.10 0.03 0.03 0.10 0.02 0.07 0.005
125
3 级 MHT-140 99.3 0.20 0.03 0.15 0.03 0.04 0.15 0.02 0.08 0.010
140
4 级 MHT-160 99.1 0.30 0.04 0.15 0.04 0.05 0.20 0.03 0.09 0.012
钛及钛合金材料
（一） 钛材料 1. 碘化钛碘与粗钛在低温下直接作用生成挥发性的碘化钛，经加 热使碘化钛分解，再沉积而得到高纯度的金属钛称为碘化钛。 牌号：TAD. 符号：Til2. 纯度＞99.9%（wt） 主要用于科研，如测试纯钛的化学性能、物理性能、合金化研 究等。 2. 海绵钛 含钛的矿石从金红石（Tio2）存在，经氯（Cl2）化生成四氯化 钛（TiCl4），再用活性金属（Mg 或 Na）还原得到海绵状的金属 钛（Ti）称为海绵钛。 镁法海绵钛： MHTi 纳法海绵钛：NHTi 海绵钛是疏松多孔，纯度 99.1-99.7%（wt），其硬度 HB 为 100-157，是钛工业生产的原料。 海绵钛分级见表 1. 3. 工业纯钛 含有一定量的氧、氮、碳、硅、铁及其他元素杂质的α相钛称 为工业纯钛。 工业纯钛的含钛量≮99.0%（wt）
Si
C1
C
N
O Mn
Mg
布氏硬度不
大于 Brinell
hardness NO
H
more than
0.02 0.06 0.02 0.02 0.06 0.01 0.06 0.005
100
1 级 MHT-110 99.6 0.10 0.03 0.08 0.03 0.02 0.08 0.01 0.07 0.005
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（四） 热处理 1. 概念 通过对金属材料采用适合的加热方式、保温、冷却以获
得预期的组织形态、分布及性能的工艺称为热处理。 加热的方式有非真空加热、真空加热。冷却的方式有空冷、水
冷、油冷、炉冷等。 2. 真空热处理 一般指在 1X10-5 Pa 的真空环境中（通常最低要求
-3
2-3X10 Pa 的真空度），进行加热，(有时要求充惰性气体)，保温、 冷却的热处理工艺称为真空热处理。
TiO2（浅蓝色） TiO2（黄褐色）
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③875-1050℃ Ti 基体 TiO+少量 Ti TiO TiO2（紫色粉末）
TiO2（深蓝色） 5. 加热设备及气愤 （1） 感应加热：高频、中频及低频感应炉 （2） 电接触加热：直接电阻加热 （3） 燃气加热：煤气炉，液化气炉 （4） 燃油加热：重油炉，柴油炉 （5） 间接式电阻加热：箱式电阻丝炉、管式电阻丝炉、辊道式
②选择适宜的设备、工具模 确认使用的压力加工设备、工具模要有足够的刚性和实现塑性 变形的能力。 ③确认技术经济合理的工艺路线 常用的压力加工设备繁多，选择的原则是不能“大马拉小车”， 也不能“小马拉大车”，考虑的核心是成本低，质量符合，保证塑性 变形的能力。 (4)变形方式 ①锻造 使用锻造设备上的锤头（包括模具），对钛坯料加力，使其发生 塑性变形，获得预期的形状、尺寸、组织和性能的产品的压力加工工 艺称为锻造。 一般认为：加力的时间短发生了塑性变形称为锻；加力的时间
特别是钛吸氢变脆特性，钛的吸氢是可逆的，即吸氢也可析出 氢，但是高于 300℃时吸氢大于析出氢。钛与氢反应形成氢化钛（TiH2） 细小弥散的指点，使钛受脆，其冲击值大幅度下降。
针对钛的活性特性，确定合理的加热温度和保温时间对获得良 好性能的钛材具有重要意义。
②过热 对钛的加热温度偏高，并保温时间过长，使其组织中的晶粒长 大，导致力学性能显著降低的现象称为过热。 ③过烧 对钛的加热温度过高，接近固相线时，其组织中的晶界处优先 发生氧化，进而发生部分熔化的现象称为过烧。 （4） 钛的氧化膜 钛的氧化膜随温度不同有不同的厚度和颜色，其成分也发生了变
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按杂质元素含量把工业纯钛划分为四个级别，见表 2.
Ti 不
产品牌 小于%
产品
号及 HB wt
等级
≯
No
Grade
Brands less Fe
than
0 级 MHT-100 99.7 0.06
表 1 海绵钛分级（MHTi） GB/T2524-2002
化学成分（质量分数，%） Chemical Composition，% 杂质元素不大于（% wt） Impurity，no more than
以钛为基体金属元素和含有其他合金元素及杂质元素
所组成的合金称为钛合金。
钛合金举例见表 3.
牌号 化学成分组 Ti
Pd
Mo
TA9 Ti-0.2Pd
0.12-0.
余量
---
25
表 3 钛合金 GB/T3620.1-94
杂质元素不大于（%）
其他元素
Ni
单总
Fe wk.baidu.com N H O
一和
0.2 0.1 0.0 0.01 0.2 0.1 0.4 ---
产品的出炉温度＜200℃才能保证钛的表面不被氧化， 呈银白色的金属钛本色。
3. 退火 对产品加热到适合温度，保温一定时间，使其冷却，获
得接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。 退火目的是均匀化学成分，改善机械性能和工艺性能。例如：
消除因加工引起的硬化、如消除内应力、如实现再结晶、如真空退火 除气（一般是氢气）等。
AMTY:原苏联国家航空技术委员会标准 ④JIS: 日本工业标准 ⑤EN: 欧洲标准委员会标准 ⑥DIN: 德国标准
WL：德国航空材料标准 ⑦BS: 英国标准 ⑧NF: 法国标准 2. 钛及钛合金牌号对照表 4 3. 有关标准检验项目表 5 4. 产品标准参考表 6、表 7 5. 出口用标准
（三） 国际组织与标准化机构 1. 部分国际组织、国家标准化机构和标准代号 2. 与金属材料有关的部分国外协会、学会及专业标准代号。
～900
＜0.051
灰色
927-982
＜0.051
灰色
1038
0.102
灰色
1093
0.356
灰色
举例：在一定温度下，把试样剖开看截面的氧化膜结构及颜色变化。
①700-800℃
Ti 基体（银白色） Tio（青铜色 ） TiO2（金红石，淡蓝色）。
②825-850℃
Ti 基体 Ti+TiO 粉末 TiO+少量 Ti TiO2（深蓝色）
（二） 标准 1. 常用标准（钛） （1） 中国标准 ①GB：国家强制性标准 ②GB/T: 国家推荐性标准 ③GJB: 国家军用标准 ④YB: 部颁标准 ⑤YY: 行业标准 ⑥YS/T: 行业标准 ⑦NY/T: 行业标准 （2） 国际及外国标准
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①ISO：国际标准化组织标准 ②ANSI：美国国家标准 a. ASTM: 美国材料试验协会标准 b. MIL-T(MIL-STD): 美国军标 c. AMS: 美国金属学会标准 ③TOCT: 原苏联国家标准
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（1）再结晶退火 对冷变形和热变形的金属加热到高于再结晶温度，使其破碎的
晶粒和拉长的晶粒重新成核并长大成为细小的等轴晶粒，不禁消除了 加工引起的硬化，还恢复了加工变形能力，这称为再结晶退火。
考虑再结晶退火温度受产品变形率和原始晶粒的大小等影响因 素，再结晶温度要比理论讲的再结晶温度高出 100-150℃为宜。
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长发生了塑性变形称为压。
②轧制
使用两个旋转的轧辊之间的空隙或模具孔，对钛坯料加力，使
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化。表 8 给出了氧化膜厚度和颜色。
加热温度（℃） 氧化膜厚度（mm）
氧化膜颜色
＜200
极薄
银白色
～300
极薄
淡黄色
～400
极薄
金黄色
～500
极薄
蓝色
～600
极薄
紫色
～649
0.005
紫色
～704
0.0076
红灰色
700-800
＜0.025
红灰色
760-871
＜0.025
红灰色
005 5 000
5. ELI 钛及钛合金 具有超低间隙杂质元素的钛及钛合金称为 ELI 钛及钛合金。如： Ti-6Al-4V ELI. 为了改善低温钛及钛合金的塑性和韧性开发出来的超低间隙元
素的钛及钛合金，由于间隙元素含量小，其溶于钛后减小了钛晶格歪 曲，随温度降低，钛的强度增加，而塑性和韧性下降的很小，在室温 -253℃条件下具有强度高，良好的塑性和高的断裂韧性。
t（℃） 图示 1 给出了加热流程
h（分）
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OA B
CD
图示 1 加热工艺流程
OA: 炉子加热升温
AB: 装料温度 工业纯钛 350-400℃
TC4 钛合金 600-700℃
BC: 保温
CD: 冷却（一般为空冷）
保温时间 h=D/2+（30-50 分钟）
D 为钛的直径或厚度 mm.
503 5 000
TA10 Ti-0.3Mo-0. 余量 --- 0.2-0 0.6-0 0.3 0.0 0.0 0.01 0.2 0.1 0.4
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8Ni TC4 Ti-6Al-4V 余量 ---
.4
.9 0 8 3 5 5 0 0
0.3 0.1 0.0 0.01 0.2 0.1 0.4 --- ---
电阻丝炉 以上加热属非真空加热，要求加热炉内的气氛保持中性或微氧 化性，绝对不允许燃气及燃油的火焰直接喷射钛的表面，不允许用氢 气加热。
（五） 钛材加工 （1） 钛材压力加工（又称塑性加工）概念
通过压力加工设备使钛金属塑性变形，把固态钛变成为所需要 的产品形态的加工过程称为压力加工。 （2） 压力加工特点 ①无切屑变形，金属损耗小 ②获得所需要形态的同时，也获得了期望的组织与性能
热的时间要长，则钛截面的温度差要大，只有在加热长的时间内才达
到平衡。
b.钛的化学活性大，在常温的空气中，钛表面的氧膜是一层致密、
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惰性和稳定的保护膜能阻止氧等向钛基体扩散。这层氧化膜为金红石 结构（TiO2），呈银白色，具有自愈性能。
但是随温度升高，钛的氧化膜发生变化，如：钛在 500-550℃的纯氧中有自燃烧特性，在空气中 600-650℃时，与氧发 生强烈反应，使钛表面钝化膜增厚，进而脱落，将失去对钛的保护作 用。如：钛在 500-560℃的空气中，有明显吸氮的特性，高于 850℃ 发生强烈反应，使氧化膜增厚，进而促进脱落。如：在高于 900℃的 空气中，钛与碳发生强烈反应，增加氧化膜厚度，进而促进脱落。
C
0.10 0.10 0.10 0.10
表 2 工业纯钛分级 GB/T3620.1-94.
杂质元素不大于（%）
其他元素
N
H
O
单一 总和
0.03 0.015 0.15 0.10 0.40
0.03 0.015 0.20 0.10 0.40
0.05 0.015 0.25 0.10 0.40
0.05 0.015 0.30 0.10 0.40
160
5 级 MHT-200 98.5 0.40 0.06 0.30 0.05 0.10 0.30 0.08 0.15 0.030
200
化学成分
牌号
Ti
组
Fe
TA0 工业纯钛 余量 0.15 TA1 工业纯钛 余量 0.25 TA2 工业纯钛 余量 0.30 TA3 工业纯钛 余量 0.40
4. 钛合金
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③对产品适合专业化的规模生产 （3） 影响压力加工因素
①确认合理的变形程度 要实现变形过程，取决于钛本身的性能，必须选择合理的变形参 数即适宜的温度、速度、变形率，能避免产生裂纹、断裂、分层、 折叠等缺陷和因为变形率不足而造成不希望的组织。
如：在拉制棒材过程中，所确认的温度、速度、涂层、模具等 环节不合适，可能会发生塑性变形失稳，而产生拉断、颈缩等现象。