金属材料学第11章-钛合金课件.ppt

1、2022-12-1511.1概述 钛及其合金是上世纪40年代发展起来的一类新型结构材料o Ti的物理性能 纯Ti熔点1668。强度高，强度高，是是Al的的6倍，塑性好，便于冷倍，塑性好，便于冷热加工。热加工。还具有超导、记忆、储氢等特殊性能。o 热处理热处理 纯纯Ti不能热处理强化，只能进不能热处理强化，只能进行冷变形强化，行冷变形强化，型钛合金可热处理。美美F-22战机约战机约36%重量的零重量的零件用钛合金制造件用钛合金制造11钛合金titaniumalloy2022-12-15o 纯钛主要用于纯钛主要用于 350以以下工作、强度要求不高下工作、强度要求不高的零件，如石油化工用的零件，如石

2、油化工用热交换器、反应器，海热交换器、反应器，海水净化装置及舰船零部水净化装置及舰船零部件。件。钛钢复合反应釜钛钢复合反应釜钛管换热器钛管换热器钛制蒸馏塔钛制蒸馏塔2022-12-1511.1.1钛的基本性质与合金化钛的基本性质与合金化有同素异构转变。有同素异构转变。，bcc|882|，hcp 比强度高。比强度高。=4.51g/cm3，可保持到，可保持到550600耐蚀性好。形成保护膜耐蚀性好。形成保护膜,耐海水腐蚀性是最好的耐海水腐蚀性是最好的低温性能好。在低温性能好。在77K下仍有良好的力学性能下仍有良好的力学性能导热系数低。比铁低导热系数低。比铁低4.5倍，易产生热应力倍，易产生热应力主

3、要合金元素有主要合金元素有A1、Zr、V、Mo、Mn、Cr等等2022-12-15一、钛的合金化及分类（一）合金元素与钛的作用o 1）稳定型相图，扩大相区的元素有Al、Sn、O、N、C等。o 2）稳定型相图，扩大相区的元素有V、Mo 等。o 3）+共析型相图，使共析的元素有Mn、Fe、Cr、Cu、Si、Ni、Ag等。o 4）和全溶型相图，如Zr、Ha等。图11.1钛与合金元素的典型二元线图a）稳定型,Al、Sn；b)稳定型V、Mo,c)+共析型,Mn、Cr；d)和全溶型，Ha、ZrTi-Sn相图2022-12-15稳定型(包析)稳定型（共析）和全溶型共析型2022-12-15o（二）钛合金的分

4、类（GB/T362194）o 在退火状态下，按组织分型钛合金、型钛合金和型钛合金，以TA、TB、TC表示。符号后面的数字表示顺序号。符号后面的数字表示顺序号。o TA7：Ti-5Al-2.5Sno TB2：Ti-3Al-8Cr-5Mo-5Vo TC4：Ti-6Al-4V2022-12-15各各类类合合金金特特点点 钛合金钛合金高温性能好高温性能好，组织稳定，焊接性好，组织稳定，焊接性好，是常用耐热钛合金，但常温强度低，塑性不高是常用耐热钛合金，但常温强度低，塑性不高 +钛合金钛合金可热处理强化可热处理强化，常温强度高，中温，常温强度高，中温的耐热性也不错，但组织不够稳定，焊接性差的耐热性也不错

5、，但组织不够稳定，焊接性差 合金塑性加工性好，合金浓度适当时，通过合金塑性加工性好，合金浓度适当时，通过热处理可获得高的常温力学性能，是发展热处理可获得高的常温力学性能，是发展高强度高强度钛钛合金的基础，但组织不够稳定，冶炼工艺复杂合金的基础，但组织不够稳定，冶炼工艺复杂 应用程度应用程度:+合金合金 合金合金 钛合金钛合金二、钛合金特点2022-12-15 1 1、钛合金钛合金(Al/Sn)(Al/Sn)主要主要Me是是Al和和Sn，固溶强化，固溶强化:+1%Me，强度，强度3570MPaAl作作用用特特点点 A1在在相中固溶度很大相中固溶度很大,耐热性耐热性(500)但但Al6后后与与共格

6、有序相共格有序相2（Ti3Al）2是硬而脆中间相，对合金塑韧性不利。是硬而脆中间相，对合金塑韧性不利。Al大于大于25%后，则出现后，则出现相（相（TiAl）应应用用特特点点 一般工业用钛合金一般工业用钛合金Al含量很少超过含量很少超过6。钛合金使用温度钛合金使用温度500。钛合金不能热处理强化，退火或热轧态钛合金不能热处理强化，退火或热轧态下使用。下使用。TA7是应用最多的一种。是应用最多的一种。TA4TA6是是Ti-Al系二元合金系二元合金2022-12-152 2、+钛合金钛合金(Al/V、Mo)合合金金化化特特点点 含含46%的的稳定元素稳定元素和和同时强化。同时强化。+合金性能主要由

7、合金性能主要由相元素来决定。相元素来决定。相元素主要是铝相元素主要是铝，67%以免生成以免生成2而而韧性。另补加少量中性元素韧性。另补加少量中性元素锡和锆锡和锆。元素选择较复杂。元素选择较复杂。+Mo和和V等，再适当等，再适当+少少量量Mn和和Cr或微量或微量Si。性性能能特特点点 +钛合金力学性能变化范围较宽，可适钛合金力学性能变化范围较宽，可适应各种用途，约占航空工业使用的钛合金应各种用途，约占航空工业使用的钛合金70以上。目前国内外应用最广泛的以上。目前国内外应用最广泛的+钛合金钛合金是是Ti-A1-V系的系的Ti-6A1-4V，即，即TC4合金。合金。2022-12-153 3、钛合金

8、钛合金(Mo(Mo、V/Cr)V/Cr)钛合金是发展高强度钛合金潜力最大的合金。钛合金是发展高强度钛合金潜力最大的合金。热处理热处理特点特点 合金化特点：加入大量合金化特点：加入大量稳定元素。稳定元素。热处理特点热处理特点:室温为单相室温为单相组织，经时效可组织，经时效可强度。淬火态下能冷成型强度。淬火态下能冷成型进行时效处理。进行时效处理。性能性能特点特点与应与应用用 强韧性优于强韧性优于+合金，具有良好的焊接性和合金，具有良好的焊接性和压力加工性。缺点是压力加工性。缺点是元素浓度高，密度元素浓度高，密度，易，易偏析，性能波动大。偏析，性能波动大。相元素多是稀有金属，价相元素多是稀有金属，价

9、格格，200使用，应用受限制使用，应用受限制.目前应用的加工钛仅目前应用的加工钛仅TB2，主要用于制造各种主要用于制造各种整体热处理的冲压件和焊接件；如轮盘、轴类整体热处理的冲压件和焊接件；如轮盘、轴类等重载荷旋转件，以及飞机的构件等等重载荷旋转件，以及飞机的构件等2022-12-1511.1.2钛合金的相变C0tk2022-12-15基基本本概概念念 相相(bcc)六方马氏体六方马氏体(hcp)；斜方马氏体。斜方马氏体。tk ：当：当t淬淬到一定温度，到一定温度，相浓度相浓度到到Ck时，时，淬火到室温淬火到室温相也不发生相也不发生M转变的临界淬火温度。转变的临界淬火温度。Ck和和tk是非常重

10、要的两个参数。是非常重要的两个参数。Ck：Ms相不发生相不发生M转变的合金浓度转变的合金浓度钛合金钛合金M是置换型过饱和固溶体，与钢间隙式是置换型过饱和固溶体，与钢间隙式M不同不同1、马氏体转变、马氏体转变 2022-12-152 2、相的形成相的形成 稳定型钛合金的成分位于临界浓度稳定型钛合金的成分位于临界浓度Ck附近时，淬火时附近时，淬火时除形成除形成或或r外，还能形成淬火外，还能形成淬火相，用相，用q表示。表示。特特点点性性质质 是六方晶格，与是六方晶格，与相有共格关系。相有共格关系。相形相形状与状与Me原子半径原子半径r有关，有关，r与钛相差较小的合金，与钛相差较小的合金，相是椭圆形，

11、相是椭圆形，r相差较大时为立方体形相差较大时为立方体形 相硬而脆，虽相硬而脆，虽强度、硬度和弹性模量，强度、硬度和弹性模量，但塑性急剧但塑性急剧。一般情况下。一般情况下,相是有害组织，在相是有害组织，在热处理时都要避开它的形成区间。加热处理时都要避开它的形成区间。加A1能抑制能抑制相的形成相的形成 大多数工业用钛合金都含有大多数工业用钛合金都含有A12022-12-153、过冷过冷(残余）残余）r 的形成的形成o合金元素浓度较高，马氏体转变温度低于室温，合金元素浓度较高，马氏体转变温度低于室温，被被冻结，形成冻结，形成r，成为，成为钛合金。钛合金。o为体心立方，具有较好的塑性，冷加工性能与纯钛

12、为体心立方，具有较好的塑性，冷加工性能与纯钛相近。相近。o钛合金的合金元素量较大，固溶强化效果大；加工钛合金的合金元素量较大，固溶强化效果大；加工硬化性高；时效强化（析出硬化性高；时效强化（析出相强化）高相强化）高。o钛合金固溶后强度：钛合金固溶后强度：750-950MPa，时效后强度，时效后强度1000-1700MPa。o 相中原子扩散系数大，加热温度超过相中原子扩散系数大，加热温度超过相变点时，出现粗大相变点时，出现粗大晶粒，产生晶粒，产生“脆性脆性”2022-12-154 4、亚稳定相的分解、亚稳定相的分解 淬火形成的淬火形成的、和和r相都是不稳定的相都是不稳定的最终产物最终产物都是平衡

13、都是平衡+相相 共析共析型的型的 分解产物是分解产物是+TixMy（）化合物）化合物各种亚各种亚稳相分稳相分解过程解过程（1）过冷）过冷r相分解相分解;（2）马氏体分解，钛合金）马氏体分解，钛合金、在在300 400发生快速分解，在发生快速分解，在400500回火时回火时弥散度高的弥散度高的+相混合物，弥散强化。相混合物，弥散强化。（3）相的分解。相的分解。2022-12-1511.2.1.型钛合金型钛合金o主加元素为铝，还有锡、硼等。主加元素为铝，还有锡、硼等。o不能热处理强化，通常在退火不能热处理强化，通常在退火状态下使用，组织为单相状态下使用，组织为单相 固固溶体。溶体。o强度低于另两类

14、钛合金，但高强度低于另两类钛合金，但高温强度、低温韧性及耐蚀性优温强度、低温韧性及耐蚀性优越。越。o0.2Pd的加入引起阳极钝化，使腐蚀抗力提高1000倍。钛合金氢泵钛合金氢泵诱导轮诱导轮钛合金氢泵壳体钛合金氢泵壳体11.2常用钛合金常用钛合金2022-12-15o 型钛合金型钛合金属于密排六方结构，较高的强度和良好的韧性，对高温氧污染有较强的抗力，但成形性能较差。o 常用牌号有常用牌号有TA5、TA7等。等。典型的钛合金TA7（Ti-5Al-2.5Sn），市场占有20，组织稳定、焊接性好，比强度是铝和钢的两倍，用作飞机蒙皮和模锻件。oAl、Sn可使再结晶温度和同素异构转变温度升高。钛合金泵钛

15、合金泵图11.4Ti-Al二元合金相图钛端2022-12-15o 型钛合金型钛合金主要用于制造主要用于制造500以以下工作的零件，如飞机压气机叶片、下工作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等。机匣及飞船上的高压低温容器等。钛合金卫星框架钛合金卫星框架钛合金液下泵钛合金液下泵-Ti合金组织合金组织2022-12-1511.2.2.+型钛合金型钛合金o加入的合金元素有铝、钒、加入的合金元素有铝、钒、钼钼、铬等。、铬等。o可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好的热强可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好的热强性、耐

16、蚀性和低温韧性。性、耐蚀性和低温韧性。钛合金列管式换热器钛合金列管式换热器2022-12-15o +型钛合金共有九个牌型钛合金共有九个牌号，其中以号，其中以TC4(Ti6Al4V)应用最广、应用最广、用量最大，用量最大，占市场55。其经过淬火加时效处理后，其经过淬火加时效处理后，组织为组织为+时效析出的时效析出的针状针状。2022-12-15o+型钛合金型钛合金主要用于主要用于制造制造400196o以下工作的飞机压气机以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体箱部件及舰船耐压壳体等。等。生物医生物医用材料用材料飞

17、机压气机叶片飞机压气机叶片2022-12-15o 11.2.3.型钛合金型钛合金o 加入的合金元素有钼、加入的合金元素有钼、铬、钒等。铬、钒等。o 经淬火加时效处理后，经淬火加时效处理后，组织为组织为 相基体上分布相基体上分布着细小的着细小的 相粒子。相粒子。o 这类合金强度高，但这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，难于冶炼工艺复杂，难于焊接，应用受到限制。焊接，应用受到限制。钛合金管钛合金管钛合金管应用钛合金管应用2022-12-15o 型钛合金有型钛合金有TB2、TB3、TB4三个牌三个牌号。号。o 主要用于主要用于350以以下工作的结构件和下工作的结构件和紧固件，如飞机压紧固件，如飞机压气机

18、叶片、轴、弹气机叶片、轴、弹簧、轮盘等。簧、轮盘等。钛合金棒钛合金棒钛合金眼镜架钛合金眼镜架钛离心泵钛离心泵2022-12-1511.3 钛及钛合金的发展与应用钛及钛合金的发展与应用 o 1、钛合金生产工艺、钛合金生产工艺 o 冶炼技术：电子束重熔技术，真空冶炼等冶炼技术：电子束重熔技术，真空冶炼等 o 2、钛合金的新发展、钛合金的新发展 o 宇航工业宇航工业：AlloyC是一个新型高温钛合金，使用温度是一个新型高温钛合金，使用温度o 高达高达650，用于制造发动机的排气管；，用于制造发动机的排气管；o 船舶工业船舶工业：深海潜水调查船的耐压壳体。近：深海潜水调查船的耐压壳体。近钛合金钛合金o

19、 Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo和和+钛合金钛合金TC4；o 民品工业民品工业:电磁烹调器具电磁烹调器具、网球球拍、高尔夫球头、网球球拍、高尔夫球头；o 汽车工业汽车工业:进、排气阀，目前仅用于赛车和运动汽车；进、排气阀，目前仅用于赛车和运动汽车；o 化学工业化学工业:反应器、热交换器、吸收塔、冷却器等；反应器、热交换器、吸收塔、冷却器等；o 医疗领域医疗领域:骨骼整补等嵌入材料骨骼整补等嵌入材料。2022-12-15 钛合金是钛合金是20世纪出现的一种新型结构材料。它具有密度世纪出现的一种新型结构材料。它具有密度小、强度高、耐高温和耐腐蚀等特点，且资源丰富，已成小、强度高、耐高温和

20、耐腐蚀等特点，且资源丰富，已成为航天、化工等部门广泛应用的材料为航天、化工等部门广泛应用的材料 钛合金塑性差，且不能热处理强化钛合金塑性差，且不能热处理强化.钛合金主加元素是钛合金主加元素是Cr、Mo、V等元素及少量铝。主等元素及少量铝。主要是时效硬化，因其明显的缺点，应用受到一定的限制要是时效硬化，因其明显的缺点，应用受到一定的限制 +钛合金是目前最重要的钛合金。同时加入钛合金是目前最重要的钛合金。同时加入稳定稳定元素和元素和稳定元素，使稳定元素，使和和同时得到强化。力学性能变同时得到强化。力学性能变化范围较宽，可以适应各种用途，约占航空工业使用的钛化范围较宽，可以适应各种用途，约占航空工业

21、使用的钛合金合金70以上。以上。小小 结结2022-12-15o1 对于+两相钛合金，可采用下述热处理方法强化 _。oa 再结晶退火 b 淬火回火oc 淬火时效 d 上述方法都不能强化o2.根据退火组织，钛合金分为哪三类？o3.Ti6Al4V属于哪一类钛合金？合金中Al和V对组织各有何作用？o4.为什么在几乎所有的钛合金中，均有一定含量的合金元素铝？为什么铝的加入量都控制在6-7%以下？o5.为什么国内外目前应用最广泛的钛合金是Ti-Al-V系的Ti-6Al-4V即TC4合金？o6.简述铝和锡在钛合金中的作用。稳定型合金是钛与哪些元素形成的合金？2022-12-15o7.说明下列符号的物理意义

22、说明下列符号的物理意义oTA7；TC4；TB2；o8.根据钛合金在退火状态的相组成可分为 ，型钛合金，分别以 o ,表示。o9.钛合金淬火时会得到 ，组织。o10.钛合金是发展高强钛合金潜力最大的合金。2022-12-15测试题o1下列是什么钢种？使用状态组织？下列是什么钢种？使用状态组织？o20Cro1Cr25Tio40CrMoo14MnVTiReoW18Cr4Vo4Cr13o1Cr18Ni12Mo2Tio12Cr1MoVo9Mn2V o65Mno2.说明下列钢号括号内合金元素的主要作用。说明下列钢号括号内合金元素的主要作用。o低碳珠光体钢低碳珠光体钢12Cr1MoV(Cr)o调质钢调质钢40CrNiMo(Mo)o铁素体不锈钢铁素体不锈钢1Cr25(Cr)o奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti(Ti)o热作模具钢热作模具钢3Cr2W8V(V)o弹簧钢弹簧钢60Si2Mn(Mn)o马氏体不锈钢马氏体不锈钢9Cr18(Cr)o低合金工具钢低合金工具钢9SiCr(Si、Cr)o渗碳钢渗碳钢 20CrMn(Mn)o普低钢普低钢 10MnPNbRe（Re）