全方位的讲解钛及钛合金材料_钛及钛合金_
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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
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
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。
江西工埠集团 詹小辉
(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
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。
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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
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。
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
---
Hale Waihona Puke 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 C N H O
一和
0.2 0.1 0.0 0.01 0.2 0.1 0.4 ---
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
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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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
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 --- ---
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)
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
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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。
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。
(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
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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
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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。
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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
~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
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
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.
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