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1、材料科学前沿 钛及钛合金 Titanium and Titanium AlloyTitanium and Titanium Alloy 内容提要 四 钛合金的发展与应用 三 钛合金物理冶金基础 二 纯钛 一 简介 一 简介 1791年 英国牧师格累高尔发现了一种新元素 1795年 法国化学家克拉普罗特以日耳曼神话中 女神坦的名字为它命名 Titanium 译成中文就 是 钛 从此 钛便进入了科学家的实验室 简 介 Q钛是一种新金属 由于它具有一系列优异特性 被广泛用于航 空 航天 化工 石油 冶金 轻工 电力 海水淡化 舰艇和 日常生活器具等工业生产中 它被誉为现代金属 简 介 Q金属钛生产从
2、1948年至今才有半个世纪的历史 它是伴随着航 空和航天工业而发展起来的新兴工业 它的发展经受了数次大起 大落 这是因为钛与飞机制造业有关的缘故 Q但总的说来 钛发展的速度是很快的 它超过了任何一种其他 有色金属的发展速度 这从全世界海绵钛工业发展情况可以看出 海绵钛生产规模60年代为60kt a 70年代为1l0kt a 80年代为 130kt a 到1992年已达140kt a 二 纯钛 纯 钛 Ti Q 4 507 g cm3 QTm 1688 Q具有同素异构转变 882 5 为密排六方结构的 相 882 5 体心立方结构的 相 钛在氮气中加热可发生燃烧 因此钛在加热和焊接时应采 用氩气
3、保护 密度小 比强度高 比强度高的特性仍可保持到550 600 与 高强合金相比 相同强度水平可降低重量40 以上 弹性模量低 120GPa 约为铁的54 导热系数小 比铁低4 5倍 抗拉强度与其屈服强度接近 无磁性 无毒 抗阻尼性能强 耐热性能好 耐低温性能好 在液氮温度下仍有良好的机械性能 强度高而仍 保持良好的塑性及韧性 耐腐蚀性能 钝化层 TiO2 纳米尺度 室温下长大极慢 吸气性能 储气 干燥 钛的十大性能 特点 Q是很活泼的元素 Q有很好的钝化性能 钝化膜很稳定 在许多环境中表现出 很好的耐蚀性 有 耐海水腐蚀之王 之称 Q高温下 钛的化学活性很高 能与卤素 氧 氮 碳 硫 等元素
4、发生剧烈反应 Q钛一般不发生孔蚀 除在几种个别介质 如发烟硝酸 甲 醇溶液 中 也不发生晶间腐蚀 钛的应力腐蚀破裂敏感 性小 具有抗腐蚀疲劳的性能 耐缝隙腐蚀性能良好 纯钛特点 纯钛 一种银白色的金属 纯钛 分类 用途 根据杂质含量 钛分为高纯钛 纯度达99 9 和工业纯钛 纯度达99 5 工业纯钛有三个牌号 分别用TA 顺序号数字1 2 3表示 数字越大 纯度越低 杂质含量对钛的性能影响很大 少量杂质可显著提高钛的强度 故工业纯钛强度较高 接近高强铝合金的水平 主要用于制造 350 以下温度工作的石油化工用热交换器 反应器 船舰零件 飞机蒙皮等 三 钛合金的物理冶金基础 钛合金的物理冶金基础
5、 Q钛合金二元相图 Q钛合金分类 主要合金元素与相的形成 Q气体杂质元素的作用 Q钛合金热处理基础 Q钛合金的强韧化基础 主要内容 钛合金二 元相图 以钛为基的二元 合金相图大致可 分为四类 见图 a d 钛合金二 元相图 a 合金元素与 Ti和 Ti形成连续固溶体 锆和铪 等元素的性质与钛极相近 原子半径差别也不大 可 以形成连续固溶体 钛合金二 元相图 b 合金元素与 Ti形 成连续固溶体 而与 Ti只形成有限固溶体 这类元素扩大 相区 缩 小 相区 降低 相区 相区的相变温度 称 为 相区稳定元素 钛中 近邻 如钒 铌 钽 铼 钼属于这一类 它 们是bcc结构 原子尺寸 也相差不大 钛合
6、金二 元相图 c 此类合金元素 Ti和 Ti都形 成有限固溶体 相区会发生共析 分解 这类元素 有铬 钴 锰 钨 铁 镍 铜 银 金 钯 铂等 它们使 相 转变温度下降 所以也属于稳定 相元素 钛合金二 元相图 d 合金元素与 Ti和 Ti都形成有 限固溶体 但 相由 包析反应生成 使 相转变温度升高 因而是 相稳定元 素 主要元素有铝 硼 氧 氮 碳 钪 稼 镧 铈 钆 钕 锗等 钛合金的分类 Q钛合金按退火状态下的相组成 分为 Q 型钛合金 以TA后加顺序号表示其牌号 Q 型钛合金 以TB后加顺序号表示其牌号 Q和 型钛合金 以TC后加顺序号表示其牌号 Q 型钛合金的退火组织为 以TC加顺
7、序号表示其合金 的牌号 Q合金同时含有 相稳定元素和 相稳定元素 组织以 相为主 相的数量通常不超过30 Q合金可通过淬火及时效进行强化 多在退火状态下使用 型 钛合金的室温强度和塑性高于 型钛合金 生产工艺比较简单 通 过改变成分和选择热处理制度又能在很宽的范围内改变合金的性 能 应用比较广泛 尤以TC4用途最广 用量最多 钛合金的分类 Q 型钛合金主要加入元素是Al 其次是中性元素Sn和Zr 起 固溶强化作用 Q在退火状态下的室温组织是单相 固溶体 Q 型钛合金的牌号与工业纯钛相同 均划入TA系列 Q 型钛合金不能进行热处理强化 热处理对于它们只是为了消 除应力或消除加工硬化 型钛合金 合
8、金加入了大量的多组元 相稳定元素 同时还 加入 相稳定元素Al 应用的 型钛合金主要为亚稳定的 钛 合金 退火状态为 两相组织 将其加热到 单相区后淬火 因 相来不及析出而得到的过饱和的 相 称为亚稳 相 Q该类合金塑性好 易于冷加工成形 成形后可通过时 效处理 使强度提高 Q该类合金的淬透性高 Q化学成分偏析严重 这种类型的合金只有两个牌号 实际获得应用的仅有TB2一种 钛合金的分类 钛的主要合金元素 现有钛合金中的主要合金元素有钒 铌 钼 铬 锰 镍 铜 锡及钽等 可分为三类 第一类是 相稳定元素 提高 转变温度 铝是最常见 最有效的 强化元素 有效提高低温和高温 550 以下 的强度 同
9、时铝的密度小 因此铝是钛合金中的一个基 本合金元素 第二类是合金元素锡 锆等 能有效强化 相 它们在 Ti 和 Ti都有大的固溶度 但对 相变温度影响较小 故有中性强化元素之称 它们的强化作用也可保持到较 高的温度 第三类是 相稳定元素 一般是降低 转变温度 见下页 Q 第三类是 相稳定元素 一般是降低 转变温度 它可以 分为两小类 1 产生 相共析分解的元素 如铬 钴 锰 钨 铁 镍 铜 银 金 钯 铂等 随温度降低 相会发生共析分解 析 出 相及金属间化合物相 铜 硅等合金化时 共析转变快 析 出TiCu2 Ti5Si3 而铁 锰 铬 钴 镍等合金化时则速率较 慢 即使连续缓慢冷却 也可能
10、转变不完全 保留一些残余的 相 当快速冷却时 共析反应可以被完全抑制 过冷 相可保留 到室温 而不产生相变 2 不产生 相共析分解的元素 如钒 铌 钽 铼 钼属于 这一类 慢冷时析出 相 快冷时有 马氏体相变 随着合金元 素含量达到临界值 快冷使 相成为室温稳定相 相稳定能力 按钼 钒 铌 钽次序变小 当含量较低时 C1之 前 相发生马氏体相 变 形成 相 在成分 C1和C2之间 得到 残余 相组织 当成分 达到C2时 马氏体转 变完全被抑制 只有 残留 相存在 在应力 下分解 形成 相 当 含量大于C3时 残余 相保持稳定 不再分 解 实际上 此相并 非热力学稳定 回火 时就会分解成弥散的
11、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 高温 相淬火快速冷却时的相变 合金元素含量不同 可 能获得不同的快冷组织 当含量较低时 相发 生马氏体相变 形成 相 气体杂质元素的作用 Ti是hcp结构 它的 0001 面不是唯一的滑移面 其他 如 晶面也可参与滑移 因此 纯钛的塑性好 优 于镁和锌等 但钛的机械性能与其气体 杂质 包括氧 氮 氢 铁及硅 含量有密切关系 Q氧 稳定 相元素 在 相中的溶解度w O 高达14 5 占 据八面体间隙位置 产生点阵畸变 起强化作用 不利塑性 因此 利用含氧量的不同可以得到几种不同强度及加工性 能组合的商业用纯钛 一般含氧量均较高 w
12、O 达 0 1 0 2 Q氮 是强稳定 相元素 溶解度达6 5 7 4 质量 也是 存在于间隙位置 形成间隙固溶体 它强烈提高强度而降低 塑性 当w N 0 2 时可发生脆性断裂 所以含氮量不能太高 但实际合金的w N 也有0 03 0 06 的水平 气体杂质元素的作用 氢 稳定 相元素 Q在335 下 氢在 Ti的溶解度为0 18 并随温度降低而迅速下 降 故 相钛合金很容易发生氢脆 脆化原因是生成TiH2氢化物 一般纯 Ti的冲击韧性 K 180J cm2 当w H 0 015 时 K降至 30J cm2 因此 具有 及 组织的钛合金要求含氢量低 一般采 用真空冶炼 使含氢量较低 碳 稳定
13、 相元素 碳小于0 1 间隙固溶体 大于0 1 时析出碳 化物 钛合金热处理基础 少数钛合金系 如Ti Cu系 可以进行时效析出 金属间化合物 如Ti2Cu 强化 大多数钛合金只 是通过热处理控制 相变 合金成分 特别是 相稳定元素含量以及冷却速度 对 相变有重要影 响 钛合金热处理基础 自高温 相稳定区冷却下来 相发生分解 当转变温度T3时 转变终了得 相 当转变温度T2时 先是 此时 为介稳 定相 再进一步转变为 当转变温度为T1时 发生 相变 三种情况下相应的硬度变化见图 相均匀细 小 析出明显强化合金 但一般同时引起严重 脆性 因此 相沉淀硬化是难以接受的 再增加冷速 可以不发生相变得
14、到室温介稳的 相 或者得到 马氏体相变 得到 马氏体 相 当 稳定剂小于临界浓度时 在随后的时 效时 马氏体又可以分解析出细小 相 钛合金的强韧化基础 钛合金的机械性能与其显微组织密切相关 通过 热处理和热机械处理 可以得到需要的组织和性能 下面分近 和 钛合金 钛合金和 钛合金三类 合金讨论 钛合金的强韧化基础 1 近 和 钛合金 这类合金的力学性能对一般的热处理不敏感 因为总 是 相没有相变 通过冷加工和随后退火控制 相的晶粒 大小 通过固溶强化可以强化合金 热加工制度分为 和 相区热加工三种 经 热加工冷却后得到片状魏 氏组织 结构 热加工可以得到等轴 结构 对于近 钛合金经 热加工后也
15、可得到等轴 结构 魏氏组织 片结构的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性都 很好 而等轴 相结构的低周疲劳性能和拉伸强度较高 魏氏组织 片结构的断裂韧性与屈服强度的关系 间隙元素的硬化能力比 稳定元素大 源于形成强的 局部定向电子结合键 稳定元素和间隙元素的固溶强化 稳定元素的钛固溶强化作用 多元合金强化更有效 固 溶强化低温有效 高温时需 沉淀析出强化 钛合金的强韧化基础 钛合金 2 钛合金 Ti 6Al 4V是应用最广泛的 钛合金 其强度特性可通过控制 二相的相对含量及金相形态而变化 退火态合金拉伸强度约 900MPa 而固溶时效态可以获得1200MPa 一般说来通过组织细 化和 相变控制 可以获得
16、高强度 首先经 两相区热加工后控 制固溶处理 得到细而均匀分布的一次 相 再时效得到在前 相 区析出细的二次 相质点 细的等轴 结构还具有较高的塑性 疲 劳裂纹形成阻力和高温低周疲劳强度 当合金在 相区处理时 则控制冷却可得到魏氏组织片状 相和网 篮状组织 在相同强度条件下 这种组织具有比等轴 结构高的断 裂韧性 疲劳裂纹扩展阻力和蠕变强度 钛合金的强韧化基础 钛合金和近 钛合金 钛合金的 相可以残留到室温 但却是不稳定的 相 随后时 效析出 第二相强化 这类合金主要是时效强化 在制备过程中 可以有很好的工艺和成型性能 以后经热处理又可以得到很高 的强度 其强度和韧性均可优于 钛合金 但是如果处理不 当 合金可产生严重脆性 0 2 850 70d 1 MPa 要求 析出相质点细小均匀析出 细化 晶粒可以推迟晶界 相 优先析出 低温时效可以促进均匀析出和控制 长大 二次时效 处理也可得到更加均匀的 最有效的方法是控制位错结构 以 促进 质点在位错处均匀析出 有三类不同方法可得到合适的位 错结构 促进 均匀细小析出 一是固溶前冷加工 二是冷加工 恢复处理 三是温加工 易得到合适的位错结构
