钛合金

TC4(Ti-6Al-4V)合金 合金
TC4合金是最广泛使用的两相钛合金，各国都有相应的牌号。在该合 合金是最广泛使用的两相钛合金，各国都有相应的牌号。 合金是最广泛使用的两相钛合金 金中铝主要对α相起固溶强化作用，稳定α 提高相变温度， 金中铝主要对α相起固溶强化作用，稳定α相，提高相变温度，提高热 加工的温度范围，提高合金的比强度和耐热性。 增加β 加工的温度范围，提高合金的比强度和耐热性。钒增加β相，主要起强 化作用，改善合金塑性和韧性。该合金可加工成板、 化作用，改善合金塑性和韧性。该合金可加工成板、棒、丝及锻件等各 种材料，但加工成薄板和管材困难。 种材料，但加工成薄板和管材困难。 TC4合金主要在退火状态使用，以获得较好的综合性能。消除应力退 合金主要在退火状态使用，以获得较好的综合性能。 合金主要在退火状态使用 综合性能 火的制度为： 火的制度为：540~ 650℃下保温 ℃下保温0.5~1h，空冷。完全退火处理是在 ，空冷。 700~800℃下保持1~2h，随后空冷到 ℃，再空冷到室温。淬火和时效 ℃下保持 ，随后空冷到600℃ 再空冷到室温。 处理(850~950℃固溶+水淬+480~600℃时效)可以使该合金获得 ℃固溶+水淬+ 处理 ℃时效)可以使该合金获得1100MPa 以上强度，但塑韧性下降较多，一般不采用这种处理。 以上强度，但塑韧性下降较多，一般不采用这种处理。
钛合金的强韧化、 钛合金的强韧化、应用与发展
β钛合金和近β钛合金
β钛合金的β相可以残留到室温，但却是不稳定的，随后时效析 出α第二相强化。其强度可优于α+β钛合金，同时韧性也优于 α+β钛合金。但若控制不当，β合金可产生严重脆性。 控制第二相的数量、大小和分布。 典型合金Ti-13V-11Cr-3Al，经固溶淬火冷成形及时效处理，可获 得高强度。该合金已成功制作SR-71飞机的蒙皮。 要进一步提高强度，先要解决韧性低问题。 细化β晶粒可以提高塑性，但不能提高断裂韧性；通过形变热处 理改善断裂韧性。
时间
钛合金热处理基础
α钛合金和近α钛合金 钛合金和近α
一般室温组织基本上全是α 一般室温组织基本上全是α相，只是随从单相β相区冷 只是随从单相β 却时的冷速不同，可得到不同金相形态的α 却时的冷速不同，可得到不同金相形态的α相 慢冷时，β→β＋α，α由β中析出，得到片层魏氏Biblioteka Baidu组织； 冷速增加时，含较高β稳定元素的合金易得到一种网 篮状组织； 进一步增加冷速，得到马氏体相变β→α的产物α马 氏体。
工业纯钛
表6 工业纯钛的分类
工业纯钛的硬度是每个杂质元素强化效应叠加的结果，经验公式如下： 工业纯钛的硬度是每个杂质元素强化效应叠加的结果，经验公式如下：
HB = 57 + 196 N % + 158 O% + 45 C % + 20 Fe%
式中杂质的百分数是质量百分数。 式中杂质的百分数是质量百分数。
(a) (b) (c) (d) (e)
图11-1 钛与常见元素（溶质）间的二元相图分类
合金元素的分类
将钛的合金元素分成三类：
α相稳定元素，能提高α 相稳定元素，能提高 相稳定元素 氮等； 氮等 β相的转变温度 扩大 相区，如铝和氧、 相的转变温度，扩大 相区，如铝和氧、 相的转变温度 扩大α相区
中性元素， 相和β相中均有较大固溶度 中性元素，在α相和 相中均有较大固溶度，对α ⇔ β相变温度影响 相和 相中均有较大固溶度， 相变温度影响 不大，如锡 锆等。 如锡、 不大 如锡、锆等。 Β相稳定元素，一般是降低β相的转变温度 相稳定元素，一般是降低 相的转变温度 相稳定元素
第十一章 钛合金
工业纯钛
所谓的“工业纯钛”是指含有一定量杂质的纯钛：其氧、 所谓的“ 工业纯钛” 是指含有一定量杂质的纯钛： 其氧、 硅等杂质总量一般为0.2%~0.5%。这些杂质 氮 、 碳 、 铁 、 硅等杂质总量一般为 。 使工业纯钛既具有一定的强度和硬度， 使工业纯钛既具有一定的强度和硬度 ， 又有适当的塑性和 韧性，可用做结构材料。 韧性，可用做结构材料。 我国按杂质含量和硬度将海绵钛(原料)分为五级(0、1、2、 我国按杂质含量和硬度将海绵钛( 原料 ) 分为五级 、 、 、 3、4级)（见表5） 按杂质含量和力学性能将钛材分为5级 3、4级)（见表5）。按杂质含量和力学性能将钛材分为5级 (TD、TA0、TA1、TA2、TA3) （见表 ） 。 见表6） 、 、 、 、
钛合金的分类
按其成分和室温下的组织分为三类：
α-钛合金 ：显微组织是α相，含有α相稳定元素及一些中性强
化元素。主要元素是铝、锆、锡等。典型合金有Ti-8Al-1Mo-1V。
α+β钛合金 α+β钛合金 ：显微组织是α+β相，含有较多的α相稳定元素
和β相稳定元素。
钛合金和近β β钛合金和近β 钛合金 ：含有大量的β相稳定元素，多数还
TC4(Ti-6Al-4V)合金 合金
TC4合金的密度4.42g/cm3，弹性模量108GPa；相变点995℃±15℃。 退 火 态 的 TC4 合 金 的 典 型 机 械 性 能 如 下 ： 室 温 下 σb = 950~1100MPa, δ5=10%~15%,ψ=30%,在 400℃，σb=650MPa。 TC4合金还具有满意的耐蚀性、可焊性和机加工性能。 TC4合金一般用做400℃下长期使用的部件。它已广泛用做飞机发动机机匣、压
气体杂质元素的作用
氧
稳定α相元素，提高α→β相转变温度。占据八面体间隙位置，产生点阵畸变， 提高强度、降低塑性。
氮
与氧类似，是强稳定α相元素，提高α→β相转变温度，强烈提高强度而降低 塑性。
氢
稳定β相，降低塑性和韧性。 钛中的氢可能引起“氢脆”。335℃时氢在α-Ti中的溶解度为0.18%，并随 温度降低而迅速下降，从钛固溶体中析出氢化钛而引起的脆性。
工业纯钛
钛的基本特性
钛具有两种同素异构体α及β。低温α-Ti在882℃以下稳定，具有密排 六方结构(HCP)，而高温β-Ti稳定于882℃～熔点1678℃，为体心立方结 构(bcc)。钛合金转变点随成份而变。 钛体积质量小（4.51g/cm3)，但比强度高，在-253℃~600℃范围内， 钛的比强度是最高的；塑性好，熔点高，但由于同素异性转变和高温下 吸气、氧化倾向的影响，它的耐热性为中等，介于铝与镍之间。 具有优良的耐蚀性，在室温下能很快生成一层具极好保护性的钝化 层（TiO2)。在许多介质中，其耐蚀性极高；但在还原性介质中稍差。 钛的低温性能很好，在液氮温度下仍有良好的机械性能，强度高而 仍保持有良好的塑性和韧性。
生产方法
钛的合金化
在钛中加入合金元素，利用钛的同素异型 在钛中加入合金元素， 转变，通过合金元素对 相或 相或β相的稳定作 转变，通过合金元素对α相或 相的稳定作 相或β相的组织与性能 用，来控制α相或 相的组织与性能。 来控制 相或 相的组织与性能。
钛合金的二元相图
β稳定元素 稳定元素 中性元素 α稳定元素 稳定元素
钛合金热处理基础
α＋β钛合金
通过淬火时效得到细晶粒α+β结构，一次α 通过淬火时效得到细晶粒α+β结构，一次α相的比 α+β结构 例相对较高，这样合金具有很好的热疲劳性能。 例相对较高，这样合金具有很好的热疲劳性能。
钛合金的强韧化、 钛合金的强韧化、应用与发展
近α和α钛合金
这类合金的机械性能对热处理不敏感，因为总是α相没有相变。通过冷加工和随 后退火控制α相形态和大小，通过固溶强化强化α相。 经β相热加工冷却得到片状魏氏组织；α相热加工冷却得到等轴组织；经α+β相 热加工也得到等轴组织。 魏氏组织α片的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性能很好，而等轴α相的低周疲劳性 能和拉伸强度较高。 典型合金Ti-5Al-2.5Sn,在300℃以下使用,可以焊接,但冷加工困难。 发展方向：加入更多的α稳定元素，提高蠕变性能，但制备困难，在制备和使用 过程中易产生脆性。由于Al当量的限制，该合金的发展受到限制。 进一步发展方向：时效硬化α合金，Ti-25Cu，可冷加工和焊接，广泛用于发动机 铸件和法兰盘等。
β相稳定元素含量与淬火快冷组织关系示意图 相稳定元素含量与淬火快冷组织关系示意图
合金元素含量不同时可获得不同的快冷组织
当含量达到C1之前， 相在快冷淬火时发生完全的马氏体相变， 相在快冷淬火时发生完全的马氏体相变 当含量达到 之前， β相在快冷淬火时发生完全的马氏体相变，形 之前 成α’相； 相 在成分C1到 区间 可以有部分β相残留 得到α’ 残余 相组织。 区间， 相残留， 残余β相组织 在成分 到C2区间，可以有部分 相残留，得到 +残余 相组织。 有时，淬火温度过高时，会形成一种ω相 有时，淬火温度过高时，会形成一种 相； 当成分达到C2时 马氏体相变完全被抑制，只有残留 相存在 相存在， 当成分达到 时，马氏体相变完全被抑制，只有残留β相存在，这 种残留β相在机械外力作用下是不稳定的 可在应力作用下分解， 相在机械外力作用下是不稳定的， 种残留 相在机械外力作用下是不稳定的，可在应力作用下分解，称 为机械不稳定β相 分解成ω相 为机械不稳定 相，分解成 相； 当含量>C3时，应力不再起作用，残留β相稳定，不再分解，称为机 时 应力不再起作用，残留 相稳定 不再分解，称为机 相稳定， 当含量 械稳定β相 实际上，此相并非热力学稳定， 械稳定 相。实际上，此相并非热力学稳定，回火时会分解生成弥散 质点； 的α质点； 质点 只有当元素含量超过C4时才得到室温热力学稳定的 相 只有当元素含量超过 时才得到室温热力学稳定的 β相。 时才得到
相产生共析分解的元素， 使β相产生共析分解的元素，如Fe、Mn、Cr、Ni等； 相产生共析分解的元素 、 、 、 等 不使β相产生共析分解，但慢冷时析出 相 快冷时有α’马氏体相变， 不使 相产生共析分解，但慢冷时析出α相，快冷时有 ’马氏体相变， 相产生共析分解 如Mo、Nb、V等； 、 、 等 高温β相淬火快冷时可以发生马氏体相变。 高温 相淬火快冷时可以发生马氏体相变。
钛的基本特性
钛的弹性模量较低（120GPa），属中等，约为铁的54%，比模量稍低于钢适 于做弹性元件，但加工时回弹比较大。合金化可使钛弹性模量发生很大变化。 具有导热系数和线膨胀系数均低的特性。钛的比热容与不锈钢相当，电阻率 比不锈钢稍大。 钛的导磁率近乎为1.0，非磁性(严格说为顺磁性)。制成的潜艇，既能抗海 水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。同时，由于钛 无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监护作用。 钛的屈强比(σs/σb) 很高(达0.9~0.95)，对其应用与加工均有很大影响。 钛对超声波的阻抗较小，透声系数较高，适于做声纳导流罩之类材料。 钛具有优良的生物相容性且无毒、质轻、强度高，是非常理想的医用金属材 料，可用作植入人体的材料。
含有铝、锆、锡等。
室温强度可达到α+β钛合金水平，但具有更佳的工艺性能，高温强度 比不上α+β合金。 近β钛合金的显微组织是α+β相，α强化相分布在β相基体上。
钛合金热处理基础
少数钛合金系，如Ti-Cu，可进行时效析出 金属间化合物来强化。 大多数钛合金只是通过热处理控制β→α 通过热处理控制β→α 通过热处理控制 相变以得到预期的组织、性能和工艺特性。 相变 。 合金成分，特别是β相稳定元素含量以及 冷却速度，对β相变有重要影响。
钛合金的强韧化、 钛合金的强韧化、应用与发展
α+β钛合金 α+β钛合金
加入4-6%的β稳定元素，从而使α和β两个相都有较多数量，而 且抑制β相在冷却时发生转变，只在随后的时效时析出α相，产 生强化。 可在退火态或淬火时效态使用，既可以在α+β相区也可以在β 相进行热加工，使组织和性能有较大调整余地。 典型合金Ti-6Al-4V，用量占整个钛合金的一半。广泛用于压气机 盘件、叶片和其他锻件。
钛合金热处理基础
β钛合金和近β钛合金 钛合金和近β
β相发生分解的TTT曲线如图所示 相发生分解的 曲线如图所示
当温度为T3时，转变终了得β+α；
当温度为T2时，先是β→β＋ω（介稳相），再进 一步转变为β＋ω→β＋α＋ω→β＋α。 当温度为T1时，发生β→β＋ω。
连续冷却时
慢冷时，β→β＋α； 冷速增加时， 由β→β＋α→β＋α＋ω变为 β→β＋ω； 进一步增加冷速，不发生相变，得到室温介稳的β 相，或得到马氏体相变β→α的产物α马氏体。