1、第第1010章章 钛合金钛合金 钛从实现工业生产至今才钛从实现工业生产至今才5050多多年，由于其密度小、比强度高、耐年，由于其密度小、比强度高、耐腐蚀等一系列优异特性，发展非常腐蚀等一系列优异特性，发展非常快，短时间内已显示出了它强大的快，短时间内已显示出了它强大的生命力，成了航空航天工业、能源生命力，成了航空航天工业、能源工业、海上运输业、化学工业以及工业、海上运输业、化学工业以及医疗保健等方面不可缺少的材料。医疗保健等方面不可缺少的材料。10.1 钛合金的合金化原理钛合金的合金化原理一、一、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。，hcp|882|，bcc
2、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，易产生热应力主要合金元素有主要合金元素有A1、Zr、V、Mo、Mn、Cr等等合金元素的质量分数（合金元素的质量分数（%）（a）Ti-Sn(Al等等)（b）Ti-V(Mo等等)（c）Ti-Mn(Cr等等)（d）Ti-Zr图图 钛与常见合金元素间的四种典型二元相图钛与常见合金元素间的四种典型二元相图二二、钛合金的
3、相变特点钛合金的相变特点 1、马氏体转变、马氏体转变 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。tc ：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tc是非常重要的两个参数。是非常重要的两个参数。Ck：Ms室温时室温时相不发生相不发生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2 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
4、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 q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，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
5、都含有大多数工业用钛合金都含有A13 3、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）马氏体分解,钛合金钛合金、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.10.2 常用钛合金常用钛合金 Ti合金按退火组织可以分为合金按退火组织可以分为:分分类类 钛合
6、金钛合金,以以TA表示；表示；钛合金钛合金,以以TB表示；表示；+钛合金，钛合金，以以TC表示表示.符号后面的数字表示顺序号。符号后面的数字表示顺序号。各各类类合合金金特特点点 钛合金高温性能好，组织稳定，焊接性好，钛合金高温性能好，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 +钛合金可热处理强化，常温强度高，中温钛合金可热处理强化，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，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
7、发展高强度钛热处理可获得高的常温力学性能，是发展高强度钛合金的基础，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 1 1、钛合金钛合金主要主要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
8、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2 2、+钛合金钛合金 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都有较多量。都有较多量。+元素元素和和同时强化。同时强化。+合金性能主要由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锡和锆。韧性。另补加少量中性元素锡和锆。元素选择较复杂。元素选择较复杂。
9、+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。3 3、钛合金钛合金 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
10、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，价格格，200使用，应用受限制使用，应用受限制.目前应用仅目前应用仅TB2，主要用于制造各种整体热处主要用于制造各种整体热处理的冲压件和焊接件；如轮盘、轴类等重载荷旋理的冲压件和焊接件；如轮盘、轴类等重载荷旋转件，以及飞机的构件等转件，以及飞机的构
11、件等10.3 钛及钛合金的发展与应用钛及钛合金的发展与应用 1、钛合金生产工艺、钛合金生产工艺 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 2、钛合金的新发展、钛合金的新发展 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 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；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 Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo和和+钛合金钛合金TC4；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
12、夫球头；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；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；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。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，因其明显的缺点要是时效硬化，因其明显的缺点,应用受到一定的限制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，约占航空工业使用的钛合金合金70以上。以上。小小 结结
