钛合金材料及其热加工讲座

1、钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座2 一、钛和钛合金的基本知识一、钛和钛合金的基本知识 纯钛纯钛 1 1）高纯度钛的特性）高纯度钛的特性 具有同素异晶转变的特性具有同素异晶转变的特性 钛在固态随着温度的改变，其原子排列的晶体结钛在固态随着温度的改变，其原子排列的晶体结 构要发生变化（组织转变）。构要发生变化（组织转变）。 高纯度钛的组织转变温度为高纯度钛的组织转变温度为882.5。也就是说，在。也就是说，在 882.5以下，是密排六方晶体的以下，是密排六方晶体的-Ti (相相),

2、在在882.5以以 上，是体心立方晶体的上，是体心立方晶体的-Ti（相）。相）。 可见，可见， 882.5这个温度是纯钛发生组织转变（这个温度是纯钛发生组织转变（相相 相）的温度。相）的温度。 因之，将其称为相变点。因之，将其称为相变点。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座3 由由-Ti 转变 转变-Ti（ （ 相相转变 转变相 相 ），其塑性变形），其塑性变形 的能力发生了变化。的能力发生了变化。 为什么？为什么？ 因为金属塑性变形（锻造）时，首先是沿着晶体中原因为金属塑性变形（锻造）时，首先是沿着晶体中原 子排列最密的晶面和晶向优先产生滑移。子排列最密的晶面和晶向优先产生滑移

3、。 为什么？为什么？ 因为原子密度最大的晶面原子间距小，原子结合力强，因为原子密度最大的晶面原子间距小，原子结合力强， 而晶面的间距增大，则晶面间结合力较弱，滑移阻力当然而晶面的间距增大，则晶面间结合力较弱，滑移阻力当然 就小，显然易成为滑移面。而就小，显然易成为滑移面。而-Ti是密排六方晶体，其原是密排六方晶体，其原 子排列最密集的晶面只有子排列最密集的晶面只有1个，即个，即 0001面。面。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座4 镁就是这种晶体结构。所以镁和镁合金不好锻，塑镁就是这种晶体结构。所以镁和镁合金不好锻，塑 性很差，锻造容易产生裂纹，更没有听说镁可以冷锻。性很差，锻

4、造容易产生裂纹，更没有听说镁可以冷锻。 当然，变形条件改变了，如加热、大变形或高应变当然，变形条件改变了，如加热、大变形或高应变 速率下次要滑移面也可以开动。所以，镁在热态塑性不速率下次要滑移面也可以开动。所以，镁在热态塑性不 坏，很好锻。坏，很好锻。 对于六方晶体而言，一个对于六方晶体而言，一个 滑移面可以有滑移面可以有3个滑移方向。个滑移方向。 所以滑移系的数目是所以滑移系的数目是13=3个。个。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座5 但条件变化了，如加热、大变形、高速变形，那但条件变化了，如加热、大变形、高速变形，那 么，次要滑移面也将产生滑移。么，次要滑移面也将产生滑移。

5、 在体心立方晶体中，主要滑移面次要滑移面共在体心立方晶体中，主要滑移面次要滑移面共 有有48个。当然，滑移容易了，也就是说塑性好了。个。当然，滑移容易了，也就是说塑性好了。 -Ti（相）是体心立方晶体，（相）是体心立方晶体， 体心立方晶体原子排列最密的晶体心立方晶体原子排列最密的晶 面有面有6个个110，但滑移方向只有，但滑移方向只有2 个，所以滑移系数目个，所以滑移系数目62=12个。个。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座6 由此，给我们的启示：由此，给我们的启示： 钛合金为什么一般不能冷变形？钛合金为什么一般不能冷变形？ 又为什么发展近又为什么发展近锻造、锻造、 锻造？锻造

6、？ （除了发挥材料性能）（除了发挥材料性能） 为什么要严格控制钛合金终锻温度？为什么要严格控制钛合金终锻温度？ 为什么在高速锤上变形、金属填充为什么在高速锤上变形、金属填充 性能特别好（一般一锤成形）？性能特别好（一般一锤成形）？ 均与均与含含 量有关量有关 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座7 化学性能活泼、容易氧化化学性能活泼、容易氧化 高纯度钛的熔点为高纯度钛的熔点为16684，比铁，比铁(1539)、 钴钴(1500 )、镍、镍(1450 )的熔点还高。的熔点还高。 如果单从熔点来讲，似乎钛是很好的耐热材料，可如果单从熔点来讲，似乎钛是很好的耐热材料，可 是很遗憾，自二次

7、世界大战出现低于是很遗憾，自二次世界大战出现低于400 使用的使用的TC4 钛合金以来，六十年过去了，钛合金的使用温度仍然限钛合金以来，六十年过去了，钛合金的使用温度仍然限 于于600 。 而将铁、钴、镍加入到钢中形成的铁基、钴基、镍而将铁、钴、镍加入到钢中形成的铁基、钴基、镍 基黑色高温耐热合金，其使用温度可达到基黑色高温耐热合金，其使用温度可达到900。 那么为什么那么为什么？ 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座8 原因：高温下氧对钛的玷污速率很高原因：高温下氧对钛的玷污速率很高 控制的杂质氧 含量0.15% 氧化膜 基体金属 的界面 钛金属钛金属(如钛棒如钛棒)在空气中在空

8、气中 也会氧化的，形成一层很薄的也会氧化的，形成一层很薄的 淡黄色的氧化膜，如图黄色的淡黄色的氧化膜，如图黄色的 外圈。外圈。 一般讲，技术条件控制钛金属中杂质氧含量一般讲，技术条件控制钛金属中杂质氧含量0.15% （为什么？）（为什么？） 因为氧增加一点点，塑性因为氧增加一点点，塑性()大大下降。所以，当大大下降。所以，当b 低时，也不要轻易放松氧含量的控制要求。对冶金厂来低时，也不要轻易放松氧含量的控制要求。对冶金厂来 讲，提高强度并不难，降低海绵钛的品位就可以解决，讲，提高强度并不难，降低海绵钛的品位就可以解决， 但是氧含量但是氧含量 ， 。所以，冶金厂也不会随便提高氧。所以，冶金厂也不

9、会随便提高氧 含量。含量。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座9 当金属钛（钛合金）在高温下加热时：当金属钛（钛合金）在高温下加热时： 由于存在着较大的氧的梯度浓度，则给氧向基由于存在着较大的氧的梯度浓度，则给氧向基 体体 金属扩散（渗透）创造了条件，正如水由高金属扩散（渗透）创造了条件，正如水由高 处流处流 向低处一样，落差越大，水的流速越快。向低处一样，落差越大，水的流速越快。 高温下，氧很活泼，不断地向金属内部扩散。高温下，氧很活泼，不断地向金属内部扩散。 氧在固体金属钛中比氢氧在固体金属钛中比氢(H)有较大的固溶度，就有较大的固溶度，就 是是 说氧在钛中比说氧在钛中比H有

10、较大的溶解度，而且它不是置换有较大的溶解度，而且它不是置换 式的固溶，而是间隙式的。只要原子之式的固溶，而是间隙式的。只要原子之 间有点间间有点间 隙，它就可以钻进去，讲得明白一点，干脆叫它无隙，它就可以钻进去，讲得明白一点，干脆叫它无 孔不入。因而，又为氧向金属内部扩散创造了条件。孔不入。因而，又为氧向金属内部扩散创造了条件。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座10 讲到这里，你们可能会问，钛合金不要在氧化讲到这里，你们可能会问，钛合金不要在氧化 性气氛中加热，而是在还原性气氛中加热不是更好性气氛中加热，而是在还原性气氛中加热不是更好 吗？吗？ 回答是肯定的：不行。即使没有电炉

11、的条件下，回答是肯定的：不行。即使没有电炉的条件下， 宁可在油炉中加热。宁可在油炉中加热。 为什么？为什么？ 氢对钛合金性能的影响远比氧大得多，要发生氢对钛合金性能的影响远比氧大得多，要发生 氢脆。所以，技术条件控制的氢含量氢脆。所以，技术条件控制的氢含量50，表示材料或工艺是稳定的，表示材料或工艺是稳定的， 因为稳定性好。否则就判为不合格。当然，一般条件因为稳定性好。否则就判为不合格。当然，一般条件 2/150，但，但合金（合金（Ti40）或）或锻造就不好说了。锻造就不好说了。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座15 另一种微观指标另一种微观指标 K K1C 1C 科学已发展到

12、衡量材料性能，不能单从宏观角度科学已发展到衡量材料性能，不能单从宏观角度 来考虑了，而是可用微观力学性能来表征了，来考虑了，而是可用微观力学性能来表征了，K K1C 1C就是 就是 表征材料抵抗裂纹扩展的能力。表征材料抵抗裂纹扩展的能力。 当然，微观指标比宏观指标更重要，更能评价材当然，微观指标比宏观指标更重要，更能评价材 质的优劣。质的优劣。 但是，不管用但是，不管用或或K1C表征材料（锻件或构件）的表征材料（锻件或构件）的 稳定性，都属于表面稳定性。稳定性，都属于表面稳定性。 影响材料（锻件或构件）热稳定性的另一个因素影响材料（锻件或构件）热稳定性的另一个因素 内部组织转变。内部组织转变。

13、 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座16 冶金热稳定冶金热稳定 主要是材料内部相分解、相析出引起的热稳定性主要是材料内部相分解、相析出引起的热稳定性 下降。下降。 残余 残余相中析出 相中析出s相（硬脆相）相（硬脆相） 形成有序相，致使晶体结构形成有序相，致使晶体结构 发生变化发生变化 现在讲不清楚，现在讲不清楚， 以后再分析以后再分析 这里要特别强调的，也是你们应该注意的，有三点：这里要特别强调的，也是你们应该注意的，有三点： 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座17 导热系数小导热系数小 Al 0.52卡/厘米秒度 15倍 Fe 0.19卡/厘米秒度 5倍 Ti

14、0.036卡/厘米秒度 以此为1 所以，钛合金不采用快速加热，也不采用低温预热，所以，钛合金不采用快速加热，也不采用低温预热， 否则保温时间太长，而是炉温到预定温度后一次直接放否则保温时间太长，而是炉温到预定温度后一次直接放 入高温区加热。入高温区加热。 保温时间：保温时间：0.51.0分钟分钟/毫米，一般取毫米，一般取0.60.8 分钟分钟/毫米毫米, 热态回炉减半。热态回炉减半。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座18 摩擦系数大摩擦系数大 就是说比较粘，金属流动性不好，因此注意以下就是说比较粘，金属流动性不好，因此注意以下 问题：问题： 设计模具时，金属流动激烈处，圆角半角

15、大一点。设计模具时，金属流动激烈处，圆角半角大一点。 锻造时，加强润滑。锻造时，加强润滑。 毛坯喷涂玻璃润滑剂，其作用：毛坯喷涂玻璃润滑剂，其作用： a. 减少加热氧化减少加热氧化 b. 减缓冷却减缓冷却 c. 润滑作用润滑作用 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座19 在锻造时，最好再采用机油石墨均匀地洒入上在锻造时，最好再采用机油石墨均匀地洒入上 下模膛内，这样：下模膛内，这样： a. 冷却冷却 b. 润滑，利于金属流动（对于大型锻件，润滑，利于金属流动（对于大型锻件， 特别注意均匀润）特别注意均匀润） c. 容易出模容易出模 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座2

16、0 这里，要特别介绍的，或者说要消除你们顾虑的，这里，要特别介绍的，或者说要消除你们顾虑的， 更要引起注意的更要引起注意的热效应问题热效应问题 钛合金摩擦系数大，那么锻造时金属流动激烈，是钛合金摩擦系数大，那么锻造时金属流动激烈，是 否会引起摩擦生热而出现温升（热效应）？否会引起摩擦生热而出现温升（热效应）？ 答案是肯定的，会产生热效应的。答案是肯定的，会产生热效应的。 一般资料介绍可达一般资料介绍可达3050，有些教科书上写着，有些教科书上写着， 可能高达可能高达100 以上。以上。 假定是这样，那么，国内外传统的相变点以下假定是这样，那么，国内外传统的相变点以下40 50 的常规锻造，也只

17、能得到网篮组织，甚至魏氏组织，的常规锻造，也只能得到网篮组织，甚至魏氏组织， 无法得到等轴组织。无法得到等轴组织。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座21 膨胀系数小膨胀系数小 热收缩率为钢的一半左右，模具设计时热收缩率为钢的一半左右，模具设计时=0.70.8 高纯度钛的强度很低高纯度钛的强度很低 b250300MPa, 7080 一般用于科研，没有工业应用价值。一般用于科研，没有工业应用价值。 但当其中含有一定杂质时，将强烈地改变机械但当其中含有一定杂质时，将强烈地改变机械 性能，但此时再也不能称为纯钛，而叫工业纯钛。性能，但此时再也不能称为纯钛，而叫工业纯钛。 钛合金材料及其

18、热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座22 加入加入0.05%的的O、N或或C，能使钛的，能使钛的b分别提高：分别提高：6、 12.5和和3.5MPa。其中。其中N N的强化作用最大，但使塑性剧烈的强化作用最大，但使塑性剧烈 下降。下降。 当含当含C C量大于量大于0.2%，就会出现脆性化合物碳化钛，就会出现脆性化合物碳化钛 （TiC）。所以）。所以C含量一般控制在含量一般控制在0.1%。 O、N、C是提高是提高转变的温度，也就是说扩大转变的温度，也就是说扩大 相区的，是相区的，是稳定元素。稳定元素。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座23 H的危害性很大，极其微量的的危害性很大，极

19、其微量的H能使材料变脆能使材料变脆所谓所谓 氢脆。所以钛中含量必须严格控制，一般要求氢脆。所以钛中含量必须严格控制，一般要求H含量小含量小 于于0.0150.02%。 -200-1000100 0 3 6 9 12 15 4 3 2 1 t( ) aK(Kg.M/cm 2) 1 0.001%H 2 0.008%H 3 0.018%H 4 0.04%H 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座24 由由Ti和和H的相图可知：的相图可知： H在在钛中的溶解度比在钛中的溶解度比在钛中大得多钛中大得多 且且H在在钛中的溶解度随温度的降低而剧烈减少钛中的溶解度随温度的降低而剧烈减少 Ti-H相图

20、相图 H H在在中的溶解度曲线中的溶解度曲线 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座25 H在在相中的溶解度为相中的溶解度为2%，是降低，是降低转变温度的转变温度的稳稳 定元素。而定元素。而H在在相中的溶解度很小，在相中的溶解度很小，在150，小于，小于 0.003%。 当含当含H的的-Ti共析分解以及含共析分解以及含H的的-Ti冷却时，均可析冷却时，均可析 出氢化物出氢化物TiH2。H含量低时，含量低时，TiH2呈（黑色）点状，呈（黑色）点状，H 含量高时呈针（片）状，如左图。含量高时呈针（片）状，如左图。 TiH2的存在使合金变脆，称为氢化物的存在使合金变脆，称为氢化物 型氢脆。

21、断口检查可发现裂纹是沿着氢型氢脆。断口检查可发现裂纹是沿着氢 化物与基体之间的界面发展的。这是因化物与基体之间的界面发展的。这是因 为基体金属与氢化物之间的结合力较弱，为基体金属与氢化物之间的结合力较弱， 受力后引起应力集中而形成裂纹，并迅受力后引起应力集中而形成裂纹，并迅 速扩展而导致断裂。速扩展而导致断裂。 纯钛中的氢化物（黑针）纯钛中的氢化物（黑针） 含含H0.023%（wt） 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座26 Fe、Si与与Ti形成置换式固溶体，尽管形成置换式固溶体，尽管Fe、Si在纯钛中在纯钛中 也是杂质，但不象也是杂质，但不象O、N、C、H那样对那样对Ti的性能

22、影响的性能影响 大。含大。含0.05Fe或或Si，仅使钛的强度提高，仅使钛的强度提高1012MPa。 但但Fe、Si作为杂质时（作为杂质时（Fe与与Si也可作为合金元素加也可作为合金元素加 入入Ti中），其含量要求分别小于中），其含量要求分别小于0.3%和和0.15%。 Fe、Si不管是杂质还是添加元素，主要溶解于不管是杂质还是添加元素，主要溶解于相中，相中， 它们是降低它们是降低转变温度的，是转变温度的，是稳定元素。稳定元素。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座27 为了保证材料的塑性和韧性，在工业纯钛（为了保证材料的塑性和韧性，在工业纯钛（TA1、 TA2和和TA3）和钛合金

23、中，一般限制）和钛合金中，一般限制O含量小于含量小于0.15 0.2%，N含量小于含量小于0.050.08%，C含量小于含量小于0.1 0.2%，H含量小于含量小于0.0150.02%。 近近20年来，国内外发展了一些间隙（杂质）元素特别年来，国内外发展了一些间隙（杂质）元素特别 低的高纯度钛合金。如美国标准纯钛的低的高纯度钛合金。如美国标准纯钛的Ti-6Al-4V合金合金 的的O含量小于含量小于0.2%，C含量小于含量小于0.1%；而高纯度的；而高纯度的Ti- 6Al-4V（ELI）合金的）合金的O含量小于含量小于0.13%，C含量小于含量小于 0.08%。因为。因为O会增加会增加Ti的冷脆

24、性，并严重降低断裂韧的冷脆性，并严重降低断裂韧 性。所以，高纯度钛合金适宜于低温或要求高的断裂性。所以，高纯度钛合金适宜于低温或要求高的断裂 韧性时使用。降低间隙元素含量可提高材料的断裂韧韧性时使用。降低间隙元素含量可提高材料的断裂韧 性。性。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座28 综上所述，钛中的间隙杂质虽然能提高钛的强度，但建综上所述，钛中的间隙杂质虽然能提高钛的强度，但建 议不要采用提高间隙杂质来提高钛的强度。议不要采用提高间隙杂质来提高钛的强度。 原因：这种杂质不仅严重降低合金的塑性和断裂韧性，原因：这种杂质不仅严重降低合金的塑性和断裂韧性， 而且会加快疲劳裂纹扩展速率

25、，并使其他一些重要性能，而且会加快疲劳裂纹扩展速率，并使其他一些重要性能， 如热稳定性，蠕变抗力，缺口敏感性等变坏。如热稳定性，蠕变抗力，缺口敏感性等变坏。 此外，现用的和发展中的高强钛合金主要靠加入大量此外，现用的和发展中的高强钛合金主要靠加入大量 的合金元素来强化，这就需要基体元素钛有更高的塑性的合金元素来强化，这就需要基体元素钛有更高的塑性 储备。所以提高钛的纯度（实际上是提高海绵钛的品位）储备。所以提高钛的纯度（实际上是提高海绵钛的品位） 是发挥合金潜力以及研制新的高强度、高塑性和高韧性是发挥合金潜力以及研制新的高强度、高塑性和高韧性 钛合金的必要条件。钛合金的必要条件。 钛合金材料及

26、其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座29 工业纯钛按杂质含量不同，在我国现行冶标中有三个牌号：工业纯钛按杂质含量不同，在我国现行冶标中有三个牌号： 中国中国俄罗斯俄罗斯美国美国英国英国日本日本 b MPa % % TA1BT1-0Ti-35IMI115KS503502550 TA2BT1-1Ti-55IMI125KS604502045 TA3BT1-2Ti-65IMI135KS855501540 KS850.150.05 KS500.03 0.015 0.150.10 0.10.05 KS600.150.050.050.0150.300.15 中国中国俄罗斯俄罗斯美国美国英国英国日本日本ONC

27、HFeSi TA1BT1-0Ti-35IMI115 TA2BT1-1Ti-55IMI125 TA3BT1-2Ti-65IMI1350.100.0150.300.15 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座30 工业纯钛的特点：工业纯钛的特点： 从上表可以看到：随着纯度降低，或者说杂质从上表可以看到：随着纯度降低，或者说杂质 含含 量增加，工业纯钛强度提高，塑性下降。量增加，工业纯钛强度提高，塑性下降。 工业纯钛在退火状态下为单相的工业纯钛在退火状态下为单相的组织（一片组织（一片 白白 色），工业纯钛属色），工业纯钛属型合金，我国用型合金，我国用TA表示。表示。 工业纯钛不能采用热处理

28、强化（退火是软化，工业纯钛不能采用热处理强化（退火是软化， 不不 是强化）。要想提高工业纯钛的强度，只能采用冷变形是强化）。要想提高工业纯钛的强度，只能采用冷变形 的所谓冷作硬化。用钣金成形的飞机蒙皮，其强度可达的所谓冷作硬化。用钣金成形的飞机蒙皮，其强度可达 600MPa。 上面主要以纯钛来介绍其力学性能特点的，其实， 对于钛合金来讲，同样存在同素异晶转变、化学性活泼、 摩擦系数大、导热性差、线膨胀系数小等特点，以后就 不再重复介绍了。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座31 下面对从事切削加工的听众，介绍一点切削加工方下面对从事切削加工的听众，介绍一点切削加工方 面的知识。面

29、的知识。 钛的化学性质活泼极易氧化，其结果在工件表面形钛的化学性质活泼极易氧化，其结果在工件表面形 成富氧层，实际上应叫做成富氧层，实际上应叫做硬化脆性层。其厚度取决于硬化脆性层。其厚度取决于 加热条件和合金牌号，对于加热条件和合金牌号，对于型和近型和近型合金来讲，最型合金来讲，最 厚可达厚可达0.7mm，如果不经退火处理，一般的切削刀具，如果不经退火处理，一般的切削刀具 是加工不动的。特别是刨削加工更困难，一般采用硬是加工不动的。特别是刨削加工更困难，一般采用硬 质合金刀具，切削速度质合金刀具，切削速度 为为15米米/分左右。当富氧层去掉分左右。当富氧层去掉 后，还是很好加工的。后，还是很好

30、加工的。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座32 钛的导热性差，加工时应不断冷却刀刃，一般钛的导热性差，加工时应不断冷却刀刃，一般 用乳用乳 化液，也可用机油冷却，否则刀具寿命很低。化液，也可用机油冷却，否则刀具寿命很低。 加工钛比钢需要更大的切削力，应采用刚度好的加工钛比钢需要更大的切削力，应采用刚度好的 机机 床进行车削加工，否则因弹性变形而影响精度。床进行车削加工，否则因弹性变形而影响精度。 磨削加工，除了降低磨削速度，还需不断冷却（乳化磨削加工，除了降低磨削速度，还需不断冷却（乳化 液）。液）。 砂轮切割，尽可能少用，如用冷却；余量大砂轮切割，尽可能少用，如用冷却；余量大

31、 一一 点，至少点，至少35毫米烧伤区，做金相试样或性能毫米烧伤区，做金相试样或性能 试样时，试样时， 必须车或铣掉，否则容易出现假象。必须车或铣掉，否则容易出现假象。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座33 2 2、钛合金、钛合金 所谓钛合金，人为地在所谓钛合金，人为地在Ti中加入某些合金元素，其目的为中加入某些合金元素，其目的为 了提高或满足某种机械性能。了提高或满足某种机械性能。 钛与合金元素的相互作用钛与合金元素的相互作用 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座34 影响钛与合金元素相互作用的基本因素影响钛与合金元素相互作用的基本因素 研制一个合金时，先考虑的问

32、题是加入的元素：研制一个合金时，先考虑的问题是加入的元素： 与钛形成固溶体还是化合物与钛形成固溶体还是化合物 ； 与与-Ti-Ti还是还是-Ti-Ti形成固溶；形成固溶； 溶解度有多大。溶解度有多大。 上述问题主要取决于加入元素的：上述问题主要取决于加入元素的： 晶格类型；晶格类型； 电子层结构；电子层结构； 原子半径大小；原子半径大小； 电子浓度等。电子浓度等。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座35 钛与合金元素的相互作用钛与合金元素的相互作用 众所周知，钛是过渡族金属元素，它最外层的电子结众所周知，钛是过渡族金属元素，它最外层的电子结 构构3d24s2。 在元素周期表上有很

33、多元素都能与在元素周期表上有很多元素都能与Ti形成置换式固溶形成置换式固溶 体。但是只有外层电子结构与体。但是只有外层电子结构与Ti相近的元素才能有较相近的元素才能有较 大的溶解度。大的溶解度。 那么，哪些元素与那么，哪些元素与Ti是同一过渡族，而且晶格类型相是同一过渡族，而且晶格类型相 同，外层电子结构和原子半径相近呢？同，外层电子结构和原子半径相近呢？ 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座36 元素元素外层电子结构外层电子结构 原子半径原子半径R， 原子半径差原子半径差 （RT-Rx），）， 晶格类型晶格类型 Ti（钛）（钛） Zr（锆）（锆） Hf（铪）（铪） 3d24s2（

34、d2s2） 4d25s2（d2s2） 5d26s2（d2s2） 1.47 1.60 1.59 -0.13 -0.12 从上表可知，从上表可知，Zr与与 Hf元素与元素与Ti属于同一类，在固态都属于同一类，在固态都 有相同的同素异晶转变，即在低温时为密排六方晶格，高有相同的同素异晶转变，即在低温时为密排六方晶格，高 温时为体心立方晶格。温时为体心立方晶格。 体心立方体心立方 密排六方密排六方 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座37 因此，因此，Zr、Hf既可在低温时溶解于既可在低温时溶解于-Ti ，又可在高温，又可在高温 时溶解于时溶解于-Ti中。中。 又因外层电子结构和原子半径相

35、近，所以，两者在又因外层电子结构和原子半径相近，所以，两者在 -Ti和和-Ti中均能无限互溶，就是说加入多少可以溶解中均能无限互溶，就是说加入多少可以溶解 多少；而且是置换式的固溶。由于在多少；而且是置换式的固溶。由于在-Ti和和-Ti中的溶中的溶 解能力相同，所以又称为中性元素。解能力相同，所以又称为中性元素。 与与Zr、Hf元素具有类似特性的还有元素具有类似特性的还有Sn（锡），但（锡），但Sn在在 高温高温-Ti中不是无限的，而是有限的溶解。中不是无限的，而是有限的溶解。 Zr、Hf、Sn中，中，Hf是稀贵和稀缺元素，一般不用。是稀贵和稀缺元素，一般不用。Zr、 Sn常用。常用。 钛合金

36、材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座38 那么，到底用那么，到底用Zr还是还是Sn，很有讲究。，很有讲究。 这里用这里用TC11TC11合金来举例：合金来举例： TC11合金是我国于合金是我国于70年代末年代末80年代初仿制原苏联年代初仿制原苏联 用于用于500的的BT9热强钛合金，其名义成分为热强钛合金，其名义成分为 Ti-6.5Al- 3.5Mo-1.5Zr-0.3Si。 而原苏联于而原苏联于1958年研制这个合金时，最初用的是年研制这个合金时，最初用的是 2.5Sn。后来发现加。后来发现加Sn的热强性不太好。于的热强性不太好。于1966年以年以 1.5Zr替代了替代了2.5Sn，其

37、目的在于提高持久和蠕变强度。，其目的在于提高持久和蠕变强度。 为什么以为什么以Zr代替代替Sn可提高热强性呢？可提高热强性呢？ 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座39 原因：原因： Zr的熔点为的熔点为1750，比锡的熔点，比锡的熔点231.9高得多。高得多。 一个钛合金的热强性（高温性能）取决于：一个钛合金的热强性（高温性能）取决于： 合金的熔化温度合金的熔化温度 再结晶温度再结晶温度 相变温度相变温度 加加Zr意味着提高了合金的熔化温度。意味着提高了合金的熔化温度。 这里再引入一个科学概念：熔化温度高的合金，其再这里再引入一个科学概念：熔化温度高的合金，其再 结晶温度必然是高

38、的。结晶温度必然是高的。 道理很简单，高熔点元素加入到合金中，在提高道理很简单，高熔点元素加入到合金中，在提高 合金熔化温度的同时，阻碍了合金再结晶过程的完成，合金熔化温度的同时，阻碍了合金再结晶过程的完成， 也就是说提高了再结晶温度。也就是说提高了再结晶温度。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座40 同样道理同样道理，再结晶温度高的合金，其相变温度也是，再结晶温度高的合金，其相变温度也是 高的。为什么？高的。为什么？ 因为只有再结晶过程结束后相变才开始。所以，合因为只有再结晶过程结束后相变才开始。所以，合 金的相变温度在很大程度上决定了这个合金的工作温金的相变温度在很大程度上决

39、定了这个合金的工作温 度。度。 例如例如TC4的相变点正常情况下为的相变点正常情况下为1000，而，而TC11 有时高达有时高达10201030。因此，。因此，TC4的使用温度低于的使用温度低于 400，而，而TC11可在可在500使用。使用。 可见，发展热强钛合金一般选择不是降低而是提高可见，发展热强钛合金一般选择不是降低而是提高 相变点的合金元素是有道理的。如美国的相变点的合金元素是有道理的。如美国的 Ti-1100合合 金，英国的金，英国的IMI834合金，两者的相变点为合金，两者的相变点为1015左右，左右， 可在可在600温度下使用。温度下使用。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及

40、其热加工讲座41 同晶元素的加入量越多，合金组织中的同晶元素的加入量越多，合金组织中的相越稳定。相越稳定。 当当Mo、V含量达到某一临界值时，即使空冷也能将合含量达到某一临界值时，即使空冷也能将合 金中的金中的相保留到室温。这一临界值称为相保留到室温。这一临界值称为“临界浓度临界浓度”。 一个合金元素的临界浓度反映其稳定一个合金元素的临界浓度反映其稳定相的能力，临界相的能力，临界 浓度越小的元素，稳定浓度越小的元素，稳定相的能力越大，如相的能力越大，如Mo的临界浓的临界浓 度为度为11.0%（重量），而（重量），而V为为19.3%，Mo稳定稳定相的能相的能 力几乎是力几乎是V的一倍。的一倍。M

41、o和和V是开发高强合金的主要合金是开发高强合金的主要合金 元素，但常用的是元素，但常用的是Mo，如，如21S中有中有15Mo， 中仅有 中仅有 11.5Mo，称为，称为合金（又称亚稳定合金（又称亚稳定合金），而合金），而Ti-1023 中，有中，有10V，只能称为贫，只能称为贫（近（近）合金。）合金。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座42 在在Ti中加入中加入Mo、V、Nb、Ta来稳定来稳定相的一个特点，相的一个特点， 所得组织的稳定性好，且不会发生共析反应而使合金所得组织的稳定性好，且不会发生共析反应而使合金 在一定条件下变脆。换句话讲，在合金中除了加入在一定条件下变脆。换句

42、话讲，在合金中除了加入Mo、 V、Nb、Ta以外，加入其他以外，加入其他稳定元素，如常用的元稳定元素，如常用的元 素素Cr、Mn、Fe、Co、W、Cu、Ni、Si等都会发生共等都会发生共 析反应，只是反应速度快慢而已。析反应，只是反应速度快慢而已。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座43 共析元素的特点：共析元素的特点： 它们在它们在-Ti和和-Ti中均为有限溶解，但在中均为有限溶解，但在-Ti中的溶中的溶 解度比解度比-Ti中大得多。因为毕竟是中大得多。因为毕竟是稳定元素，当然主稳定元素，当然主 要溶解于要溶解于相中来稳定相中来稳定相和固溶强化相和固溶强化相。相。 这类元素与这

43、类元素与相形成的固溶体，在一定条件下要发相形成的固溶体，在一定条件下要发 生共析反应，其结果将生共析反应，其结果将相分解为固溶体和相分解为固溶体和相。而相。而相相 通常是以金属间化合物为基的固溶体。众所周知，在通常是以金属间化合物为基的固溶体。众所周知，在 钛合金中凡是出现金属间化合物，一般都会使金属变钛合金中凡是出现金属间化合物，一般都会使金属变 脆。脆。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座44 Ti与与Cu、Ni、Si等非过度族元素形成的共析反应等非过度族元素形成的共析反应 进行极快，在一般冷却条件下，不能阻止其共析反应。进行极快，在一般冷却条件下，不能阻止其共析反应。 换句

44、话讲，很难将加入这类元素的合金中的换句话讲，很难将加入这类元素的合金中的相固定相固定 （保留）到室温。我们把这类元素称为活性（保留）到室温。我们把这类元素称为活性共析元素，共析元素， 有时干脆称之为快共析元素。有时干脆称之为快共析元素。 Ti与与Fe、Mn、Cr等元等元 素形成的共析反应进行极慢，在通常冷却情况下根本素形成的共析反应进行极慢，在通常冷却情况下根本 来不及进行。所以把这类元素称为非活性来不及进行。所以把这类元素称为非活性共析元素，共析元素， 也称慢共析元素。也称慢共析元素。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座45 Fe、Mn、Cr是研制合金中最常采用的是研制合金中最

45、常采用的共析元素，共析元素， Fe（5.25.7%wt）、）、Mn（5.7%wt）、）、Cr（9.0%wt） 稳定稳定相的能力比相的能力比Mo（11.0%wt）、）、V（19.3%wt）等）等 大得多。但大得多。但Fe、Mn、Cr毕竟是毕竟是共析型元素，尽管在共析型元素，尽管在 通常条件下共析反应来不及进行，可是来不及进行不通常条件下共析反应来不及进行，可是来不及进行不 等于不会进行，在一定温度场和应力场作用下，共析等于不会进行，在一定温度场和应力场作用下，共析 反应还是要发生的（共析反应的结果会使合金脆化）。反应还是要发生的（共析反应的结果会使合金脆化）。 所以，研制高温下工作的合金时，一般

46、不宜将所以，研制高温下工作的合金时，一般不宜将Fe、Mn、 Cr作为主元素加入到合金中去。作为主元素加入到合金中去。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座46 众所周知，真空自耗电弧熔炼的特点：众所周知，真空自耗电弧熔炼的特点：边熔化边边熔化边 凝固。凝固。 钛合金化学成分的均匀性取决于：钛合金化学成分的均匀性取决于： （1）电极中的合金料（海绵钛，加入的元素或中间合金）电极中的合金料（海绵钛，加入的元素或中间合金） 的均匀性；的均匀性； （2）熔炼过程中在有限的熔池中的搅拌。）熔炼过程中在有限的熔池中的搅拌。 如果压制电极用海绵钛，加入的元素、合金、中间如果压制电极用海绵钛，加入

47、的元素、合金、中间 合金颗粒大小不合适；或布料不均；或因电极压制时焊合金颗粒大小不合适；或布料不均；或因电极压制时焊 接得不好，在熔化过程中有大块合金料掉入熔池又来不接得不好，在熔化过程中有大块合金料掉入熔池又来不 及熔化和搅拌均匀就凝固了。及熔化和搅拌均匀就凝固了。 从凝固条件来分析，可能产生从凝固条件来分析，可能产生斑点的原因：斑点的原因： 合金元素的分配率；凝固速度；液相移动和扩散合金元素的分配率；凝固速度；液相移动和扩散 速度等等。其中影响最大的是合金元素的分配率。速度等等。其中影响最大的是合金元素的分配率。 上述诸多因素都有可能造成化学成分不均匀而形成上述诸多因素都有可能造成化学成分

48、不均匀而形成 偏析。偏析。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座47 说明：说明： 讲的是基本组织，实际上，工业用的钛合金，讲的是基本组织，实际上，工业用的钛合金， 即使在退火状态下，其组织还存在某些金属即使在退火状态下，其组织还存在某些金属 间化合物，如硅化物（颗粒）、间化合物，如硅化物（颗粒）、Ti3Al等，等， 但在分类时可以不考虑。但在分类时可以不考虑。 用用加工的方法（加工的方法（ 锻造、锻造、处理）将高温处理）将高温 相保留下来得到全相保留下来得到全相，也算相，也算合金，称亚合金，称亚 稳定的稳定的 合金。合金。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座48 已

49、经知道，已经知道，-Ti是密排六方晶体，而是密排六方晶体，而Al的加入，使的加入，使-Ti 的晶格发生弯扭，从而阻碍了原子再结晶过程中的定向移的晶格发生弯扭，从而阻碍了原子再结晶过程中的定向移 动，因而延迟了晶粒的聚集长大过程，那么要实现和完成动，因而延迟了晶粒的聚集长大过程，那么要实现和完成 再结晶，必须要更大的能量再结晶，必须要更大的能量提高温度。所以，提高温度。所以，Al的加的加 入提高了再结晶温度。入提高了再结晶温度。 可见，再结晶温度是与相变温度有密切关系的。可见，再结晶温度是与相变温度有密切关系的。 再结晶温度高，合金的熔化温度就高。众所周知，决再结晶温度高，合金的熔化温度就高。众

50、所周知，决 定金属热强性的基本因素是熔化温度。所以，提高金属熔定金属热强性的基本因素是熔化温度。所以，提高金属熔 化温度意味着提高工作温度。因此，近化温度意味着提高工作温度。因此，近 合金是发展热强合金是发展热强 钛合金的方向。钛合金的方向。 这里，先提个问题：这里，先提个问题：型钛合金（如型钛合金（如TA7）锻造温度比）锻造温度比 （）型高还是低？）型高还是低？ 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座49 TA1 TA2 TA3 除了除了Ti只有杂质只有杂质 工业纯钛工业纯钛 TA4 (Ti-3Al) TA5 (Ti-4Al) TA6 (Ti-5Al) TA7 (Ti-5Al-2.

51、5Sn) TA8 (Ti-5Al-2.5Sn-1.5Zr-3Cu） 型钛合金型钛合金 如果合金中没有如果合金中没有稳定元素，或者很少，称为稳定元素，或者很少，称为型合型合 金。金。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座50 如果合金中如果合金中稳定元素含量稳定元素含量2，称为近，称为近合金。合金。 TC2: Ti-3Al-1.5Mn 中国 Ti-1100: Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mn-0.45Si 美国 IMI834: Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si 英国 IMI685: Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.25Si

52、 英国 Ti-679 (IMI679): Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si 英国 Ti-55: Ti-5.3Al-4.1Sn-2Zr-1Mo-0.25Si-1Nd (钕-稀土) 中国 BT18: Ti-(7.88.3)Al-(0.40.8)Mo-(7.88.5)Zr-(0.81.2)Nb 苏1963年研制 Ti-(7.28.2)Al-(0.21.0)Mo-(1012)Zr-(0.71.4)Nb 苏1986年研制 BT20: Ti-(5.57.5)Al-(0.52.0)Mo-(0.81.8)V-(1.52.5)Zr 苏1964年研制 TA15 (BT20): Ti-(5

53、.57.0)Al-(0.52.0)Mo-(0.82.5)V- (1.5-2.5)Zr 中国标准 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座51 如果合金中如果合金中稳定元素含量在稳定元素含量在26， 8，称为，称为(+) 型两相钛合金。型两相钛合金。 TC4: Ti-6Al-4V TC11: Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si TC6: Ti-(4.05.2)Al-(1.02.0)Mo-(1.5Zr2.5)Cr 苏1957年研制 Ti-(4.06.2)Al-(1.02.5)Mo-(1.5Zr2.5)Cr 苏1958年研制 Ti-(5.26.8)Al-(2.03.0)Mo

54、-(1.5Zr2.5)Cr-(0.10.7)Fe 苏1965年研制 BT3-1: Ti-(4.56.2)Al-(1.02.5)Mo-(1.5Zr2.5)Cr-(0.51.5)Fe Ti6242S: Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si 中国研制 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座52 (+)型（TC4、TC6、TC11、Ti6242） + 型（TA4、TA5、TA6、TA7、TA8） 近型（Ti-55、IMI679、IMI685、IMI834、Ti- 1100、BT18、BT20 ） 近型（Ti-1023、Ti-17、21S） 型（TB1、TB2、Ti-40、 Al

55、loy C） 型型()型型型型 T 稳定元素含量（） 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座53 由上图可以看到：由上图可以看到： 型钛合金型钛合金 相变点很高，几乎任何温度下都是单一的相变点很高，几乎任何温度下都是单一的 相。因此，要改善工艺塑性，需提高加热锻造温相。因此，要改善工艺塑性，需提高加热锻造温 度。度。TA7就是这样，只有在相变点附近锻造，就是这样，只有在相变点附近锻造， 否则很容易锻裂。否则很容易锻裂。 原因：原因： 密排六方晶体，滑移数目只有三个，工艺塑密排六方晶体，滑移数目只有三个，工艺塑 性很差。性很差。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座54 3

56、 3、不同组织的力学性能、不同组织的力学性能 组织决定性能组织决定性能 组织 类型 室温拉伸热稳定高温性能断裂韧性疲劳性能 强度塑性强度塑性拉伸持久蠕变K1C Da/dN低周高周 等轴好最好好好一般差差最差快较差好 双态与等轴同一水平高于等轴较好较快较好 高于 等轴 三态 高于 等轴 与等轴同一水平高于双态 高于 双态 慢 高于 双态 好 网篮 高于 等轴 差好差高于双态好慢 高于 等轴 差 魏氏较差最差差最差较差差最快差差 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座55 从时效曲线、高低强度条件下的力学性能，可以看出几点重从时效曲线、高低强度条件下的力学性能，可以看出几点重 要结论：要

57、结论： 在一定的时效温度下，在一定的时效温度下，()区的变形量对强度区的变形量对强度(高或低强度高或低强度 条件下条件下)影响均不大影响均不大 增加增加()区变形量，将使塑性提高，断裂韧性降低区变形量，将使塑性提高，断裂韧性降低 原因：原因：增加增加()区的变形量会将以两种方式影响显区的变形量会将以两种方式影响显 微组织微组织 减少针减少针( (或片或片) )状状的同时增加等轴的同时增加等轴含量含量 减少晶界减少晶界，也有利于提高塑性，也有利于提高塑性 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座56 在低强水平下，塑性和断裂韧性在低强水平下，塑性和断裂韧性(与高强度相比与高强度相比)提高

58、的原因：提高的原因： 提高时效温度，使次生提高时效温度，使次生相粗化（减少界面相，降低强度，相粗化（减少界面相，降低强度， 而塑性、韧性提高）而塑性、韧性提高） 提高时效温度，增加了提高时效温度，增加了颗粒之间的间距颗粒之间的间距(颗粒长粗颗粒长粗) )，从，从 而能降低转变而能降低转变基体中次生基体中次生相的缺口敏锐度（提高了塑性相的缺口敏锐度（提高了塑性 和韧性）和韧性） 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座57 关于缺口疲劳性能问题关于缺口疲劳性能问题 ()区变形量越小，针状区变形量越小，针状越多，缺口疲劳寿命越高越多，缺口疲劳寿命越高 ()区变形量越大，等轴区变形量越大，等

59、轴越多，缺口疲劳寿命越低越多，缺口疲劳寿命越低 原因：原因： 缺口疲劳寿命是受裂纹扩展控制的，而无论在哪，针状缺口疲劳寿命是受裂纹扩展控制的，而无论在哪，针状相均使相均使 材料的抗裂纹扩展性能提高，所以针状材料的抗裂纹扩展性能提高，所以针状多，缺口疲劳寿命高。多，缺口疲劳寿命高。 钛合金材料及其热加工讲座钛合金材料及其热加工讲座58 关于光滑疲劳性能问题关于光滑疲劳性能问题 ()区变形量增大，等轴区变形量增大，等轴量增加，从而有利于改善光滑疲劳量增加，从而有利于改善光滑疲劳 寿命，原因：寿命，原因： 光滑疲劳性能是受裂纹起始控制的，等轴光滑疲劳性能是受裂纹起始控制的，等轴多塑性好，塑性多塑性好，塑性 好裂纹起始延迟。好裂纹起始延迟。 所以，显微组织与加工过程的依赖关系是：所以，显微组织与加工过程的依赖关系是： 等轴等轴多，塑性高，裂纹起始延迟多，塑性高，裂纹起始延迟( (形核寿命长形核寿命长) )，光滑寿命，光滑寿命 高