稀有金属及其制备技术试题及答案

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1、1.请从 Ti 的二元相图角度分析 Al、V、Mo、Fe 、Cr、Sn 元素在钛合金中的作用；并在此基础上，结合现有钛合金牌号，提出发展新型高强钛合金、低成本钛合金的成分设计思路。答：根据钛的二元相图将钛的合金化元素分三类: 稳定化元素：提高 / 转变温度，增加 相，如Al； 稳定化元素：降低 / 转变温度，增加 相，如 V、Mo、Fe、Cr 等；中性元素：影响很小，如 Sn。Al:强化作用(室温和高温)；减小合金的比密度；含铝量达 6-7 时具有较高的热稳定性和良好的焊接性。V：提高室温强度和淬透性，不降低其塑性，是中/高强钛合金、阻燃钛合金最常用的元素之一，冷成形性优良；降低钛合金的耐热性

2、和耐蚀性，有毒性，价格较贵。Mo：提高强度、耐热性和耐蚀性；含量越高，淬透性越好（含量超过 24时，空冷能获得全 组织）；钼密度高、熔点高，易形成钼夹杂或钼偏析；大量钼的添加对钛合金的塑性、抗氧化性能和可焊性不利。Fe：Fe 是最强的 稳定元素，添加 1Fe，/ 相变点下降约 18 显著提高淬透性；主要用于高强高韧高淬透性的 钛合金；在合金铸锭中易形成偏析，在钛材中形成 斑型冶金缺陷，降低耐蚀性；铁便宜，是发展低成本钛合金的重要元素。Cr：铬是有效的 稳定元素，铬在 中的溶解度仅有 0.5%。共析反应缓慢，因此一般钛合金中 Cr含量低于 5，以避免析出 TiCr2 金属间化合物。Sn：Sn 属

3、于 Ti 的共析型元素主要起固溶强化作用，提高耐热性；锡含量过高增加钛合金的密度，超过一定浓度形成有序相 Ti3Sn，降低塑性及热稳定性。发展新型高强钛合金、低成本钛合金的成分设计思路：目前我国的高强钛合金主要有：TB8（合金成分为 Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si）、TC21 （合金成分：Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-1Nb）等，低成本钛合金有：Ti8LC（Ti-Al-Fe-Mo ）和 Ti12LC（Ti-Al-Mo-Fe ）等。由此可以看出发展新型高强钛合金、低成本钛合金主要通过合金化实现，应选择可以提高钛合金强度同时低成本合金元素，尽量避免选用价格较贵的合金

4、元素如 V、Nb 等，多采用便宜的合金元素 Al、Fe 等，以实现高强度低成本钛合金。2.按照亚稳状态下的相组成和 稳定元素含量将钛合金分成了哪几类，各有什么特点？答： 型钛合金：只由 稳定元素和/或中性元素合金化的钛合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是 相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强；在 500600的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。近 型钛合金：加入少量 稳定元素形成近 型钛合金，良好的焊接性和高的热稳定性；较高的蠕变强度和高温瞬时强度(即较高的热强性)；主要以 相为主，不能通过热处理进行强化。+ 型钛合金：同时加入稳定

5、 相元素和稳定 相元素，合金元素含量低于 10%，室温为+ 两相，但 相含量不超过 30%，有非常好的综合机械性能，尤其是好的工艺塑性和可采用强化热处理的能力，是应用最广泛的合金。近 型钛合金： 稳定元素略高于临界浓度的钛合金。成分中主要含有 稳定元素钒、钼、铁、铬等。具有最高的强化效应、最高的强度(1200MPa)、较深的淬透截面(60150mm)、良好的拉伸塑性和断裂韧性。亚稳 型钛合金：凡合金中所含 稳定化元素的量达到使马氏体转变点降至室温以下而又不足以使 转变点低于室温的合金称为亚稳态 型合金。在固溶处理状态具有中等强度和高的塑性，冷成型性和可焊性好。时效后室温强度高、断裂韧性好、淬透

6、性好，可满足航空大型锻件高强、高韧、高淬透性的使用要求。但是在 350以上热稳定性差，可在 300以下使用对杂质的敏感性高，尤其是对氧有高度的敏感性冶金工艺复杂，焊接性较差。稳定 型钛合金：这类合金在平衡状态下，全部由稳定的 相组成，热处理不能改变其相组织。3.请选择一种你关心的钛合金加工工艺，阐述其基本原理、工艺特点及其影响因素，分析 1-2 种缺陷的形成机理并提出改善措施。答：钛合金锻造基本原理：钛合金锻造是利用锻压机械对钛合金坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法。钛合金锻造的最原始坯料是铸锭，锻造过程中铸态组织经过变形和再结晶，使原有的粗大枝

7、晶和柱状晶粒变成了晶粒细小、大小均匀的等轴再结晶组织。同时铸锭内原有的偏析、疏松、气孔、裂纹等压合，使金属的组织变得更加密实，提高金属的塑性和力学性能。主要类型有：自由锻造、常规 锻造、近 锻造、亚 锻造、全 锻造等。钛合金锻造工艺有如下特点：(1)钛合金的锻造温度范围较窄；（）型钛合金锻造加热温度低于 ()/ 转变温度，型钛合金通常在（）两相区锻造， 钛合金始锻温度和终锻温度都高于()/ 转变温度；(2)钛合金具有很强的应变速率敏感性。在锻造过程中，随着变形速率的增加，其变形抗力显著增大；(3)锻造温度对钛合金变形抗力影响显著；(4)间隙元素（氧、氮、碳）的含量对钛合金锻造性能有显著影响，特

8、别是对氢元素尤为敏感。影响因素：主要有锻造温度、保温时间、变形程度、变形速率和锻后冷速。其中锻造温度：影响可加工性、显微组织、晶粒粗化；在保证不发生裂纹的前提下应尽量降低锻造温度；为得到高强度和塑性，在 + 区域精锻时，应控制锻造温度，减少加热次数，增加锻造比；尽量避免加热时的过热和锻造中的加工发热，以保证理想的锻造比和优良的性能。保温时间：影响吸氢、显微组织粗化；变形程度：影响可加工性、显微组织（如再结晶、晶粒结构和 相得形成）；变形速率：可加工性、变形过程中的试样升温、再结晶；锻后冷速：影响相变和析出行为。缺陷及改进措施：（1 ）锻造热应力：钛合金在相变点(+/ 转变温度)以上变形易获得网

9、篮组织或魏氏组织，塑性、疲劳性能差。随着锻造加热温度的升高，双相钛合金显微组织中初生 等轴的含量明显降低，而 板条含量显著增加。也就是说双相钛合金在相变点以下加热时，随着加热温度升高，组织中初生 等轴逐步向 相转变，从而导致加热锻造后的钛合金显微组织中初生 等轴含量降低、形态变小， 板条含量增多，当加热锻造温度超过钛合金相变点之后，双相钛合金组织中的初生 等轴全部消失，为板条状网篮组织或魏氏组织。改进措施：钛合金在锻造变形中，一般情况下中心部位是剧烈变形区，所以中心是温升最高的区域，将中心部位温升情况作为制订锻造工艺的主要依据。采用锻造速度较快的锻锤锻造钛合金时，必须考虑锻造过程中的中心热效应

10、，不能连续重击坯料。钛合金锻造在有条件的情况下建议采用压力机或快锻机，该类锻造设备打击速度低，锻造过程中坯料瞬时应变速率较低，产生的变形热不是非常明显，同时有足够时间进行变形热扩散，不会导致瞬时心部温度明显增高。（2）组织不均匀：锻造有时会产生粗大 块又称大白块，与网篮组织中细小的正常 条相比，在形态上表现为粗大、不均匀，由晶界向晶内生长，很少出现交错现象，其晶界面比较粗糙，凹凸不平。这种不均匀组织致使合金塑性与热稳定性能下降，影响了锻件质量。改进措施：首先在其铸锭开坯锻造时，采用适当的高温均匀化处理，对于铸锭柱状组织区域的微观晶内枝晶偏析通过均匀化退火或变形再结晶改善和消除；其次在合金坯料及

11、成品模锻过程中采用适当的锻后冷却方式加以控制，抑制其显微组织中出现粗大 块。4.请给出钛合金片层组织、等轴组织的基本特征和性能特点，并以 Ti-6Al-4V 钛合金为例，给出获得片层组织、双态组织的加工工艺，分析各工序对组织的影响。答：片层组织。组织特征：具有粗大等轴的原始 晶粒，在原始 晶界上有较为完整的 网，原始 晶界清晰完整，晶内 相呈片状规则排列。性能特点：断裂韧性、持久和蠕变强度好，但塑性、疲劳性能和拉伸性能都较低。等轴组织。组织特征：在 转变基体上均匀分布着含量超过 50%的等轴初生 相。性能特点：较高的塑性，尤其断面收缩率较高，但断裂韧性、冲击韧性和持久强度较差。片层组织加工条件

12、：加热和变形都在 相区进行时形成这种组织，或将合金加热到 相区较慢冷却时。双态组织加工条件：在 两相区的上部加热和变形，或在两相区变形后，再加热至两相区上部温度后空冷。Ti-6Al-4V 片层组织工艺：加热到 1065后进行炉冷可得到片层组织。双态组织：加热到 900或 955后进行炉冷得到双态组织。5.试评价集成计算技术在高性能钛合金材料及工艺技术发展中将发挥的作用（如何促进钛合金材料技术的发展）。答：集成计算材料工程( ICME) 是材料基因组计划 ( The Materials Genome Initiative-MGI) 的重要部分，它旨在把计算材料科学的工具集成成一个整体系统以加速材

13、料的开发，改造工程设计的优化过程，并把设计和制造统一起来，从而在实际制备之前就实现材料、制造过程和构件的计算机优化，其最终目标是提高先进材料的发现、开发、制造和使用的速度。由于数值模拟技术使得钛合金热加工工艺过程可以真实地在计算机上再现，所以企业生产者和科研工作者都利用此技术研究理想工艺参数与相应组织、力学性能的关系，达到优化现行生产工艺和降低新产品、新工艺、新材料研制成本的目的。有人研究了片状组织 TC21 钛合金在两相区锻造过程中的 相演变。采用 DEFROM 软件模拟分析了锻造过程中温度场、应变场的变化规律并定量分析了 相的形貌变化。有人采用刚粘塑性有限元法对 TC11 钛合金异型模锻件

14、成形过程进行了数值模拟，研究了锻件成型时金属流动规律、成形过程温度场及载荷等，实现了工艺的优化，且模拟结果与实验结果相吻合。有人对 TA15 钛合金大型整框零件锻造过程进行了数值模拟，确定了合理的坯料尺寸和模锻工艺参数。采用 DEFROM 3D 对 TC11 钛合金多火多向反复热镦拔工艺进行了三维有限元模拟，分析了在不同火次、不同变形阶段时锻件中的温度场、应变场，得出最佳镦粗比。利用商业化有限元模拟软件 Deform 3D 对 TiAl 合金高温锻造开坯工艺过程进行了数值模拟，获得了两步锻造时不同变形量组合下变形饼坯中等效应变场和断裂因子分布信息。与传统工艺试错法相比，采取模拟技术作为研发手段

15、可缩短研制周期、降低生产成本、优化生产工艺，从而达到提高生产效率和增加经济效益的目的。而钛合金因价格昂贵、生产周期长，其生产工艺的研究迫切需要模拟技术来为之开辟捷径，以攻克热加工温度范围窄、工艺组织性能关系复杂多样等难题。未来钛合金热变形机制及微观组织演变规律的研究须将物理模拟技术和数值模拟技术有机结合，建立更加符合实际生产过程的宏观有限元模型，并将其与微观组织演变模型耦合，力求模拟结果不仅能为现场生产提供理论依据，而且能够定量地指导现场工艺，最终达到实时跟踪变形过程、控制产品质量的目的。1.简述钨合金的主要强化机制及钨合金的典型热处理工艺。答：钨的合金化途径主要通过固溶强化、固溶软化、弥散强

16、化、变形强化、细晶强化、和气泡强化以及两种或两种以上的合金化途径组合成的复合强化。固溶强化：主要是通过添加置换元素的固溶强化。要求合金化元素在所有温度下能与钨形成连续固溶体以达到最大的固溶强度，以便在相应合金系统的固溶线温度高时，保证合金系统在高成分下仍可以在极高温度下使用；同时合金的原子尺寸和弹性与钨差异大。固溶软化：添加铼会加速钨合金在变形过程中孪晶的形成，减少堆垛层错能，降低对位错移动的晶格阻力，从而导致位错迁移率增加，促进钨的固溶软化。此现象也被称为“铼的塑化效应”。弥散强化：弥散强化包括直接强化和间接强化作用。直接强化：主要来源于位错与弥散颗粒的相互作用，其主要强化机制是颗粒对位错的钉扎作用，位错在颗粒周围缠结，阻碍位错滑移。