钛合金材料及其热加工讲座2007[1]411

1、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 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以下以下，是，是密排六方晶体密排六方晶体的的-Ti (相相), 在在882.5以以上，上，是是体心立方晶体体心立方晶体的的-Ti（相）相）。 可见，可见， 882.5这个

2、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，将其称为因之，将其称为相变点相变点。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子排列最密的晶面和晶向排列最密的晶面和晶向优先产生滑移。优先产生滑移。 为什么？为什么？ 因为原子因为原子密度最大密度最大的晶面原子的晶面原子间距小间距小，原子，原子结合力强结合力强，而晶面的而晶面的间距增大间距增大，则晶面间，则晶面间结合力较

3、弱结合力较弱，滑移阻力滑移阻力当然当然就就小小，显然易成为滑移面。而，显然易成为滑移面。而-Ti是是密排六方晶体密排六方晶体，其原，其原子排列子排列最密集的晶面最密集的晶面只有只有1个个，即，即 0001面。面。4 镁镁就是这种晶体结构。所以镁和镁合金就是这种晶体结构。所以镁和镁合金不好锻，塑不好锻，塑性很差性很差，锻造容易产生裂纹，更没有听说镁可以冷锻。，锻造容易产生裂纹，更没有听说镁可以冷锻。 当然，当然，变形条件改变变形条件改变了，如加热、大变形或高应变了，如加热、大变形或高应变速率下速率下次要滑移面次要滑移面也可以开动。所以，镁在也可以开动。所以，镁在热态塑性不热态塑性不坏，很好锻坏，

4、很好锻。 对于对于六方晶体六方晶体而言，而言，一个一个滑移面滑移面可以有可以有3个滑移方向个滑移方向。所以所以滑移系滑移系的数目是的数目是13=3个。个。5 但但条件变化条件变化了，如加热、大变形、高速变形，那了，如加热、大变形、高速变形，那么，么，次要滑移面也将产生滑移次要滑移面也将产生滑移。 在在体心立方晶体体心立方晶体中，中，主要滑移面次要滑移面主要滑移面次要滑移面共共有有48个个。当然，滑移容易了，也就是说塑性好了。当然，滑移容易了，也就是说塑性好了。 -Ti（相）是（相）是体心立方晶体体心立方晶体，体心立方晶体原子排列体心立方晶体原子排列最密的晶最密的晶面面有有6个个110，但，但滑

5、移方向滑移方向只有只有2个个，所以，所以滑移系滑移系数目数目62=12个个。6 由此，给我们的启示：由此，给我们的启示： 钛合金为什么一般钛合金为什么一般不能冷变形不能冷变形？ 又为什么发展又为什么发展近近锻造锻造、 锻造锻造？ （除了发挥材料性能）（除了发挥材料性能） 为什么要为什么要严格控制严格控制钛合金钛合金终锻温度终锻温度？ 为什么在为什么在高速锤高速锤上变形、金属上变形、金属填充填充 性能性能特别特别好好（一般一锤成形）？（一般一锤成形）？均与均与含含量有关量有关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(

6、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，如果单从熔点来讲，似乎钛是很好的耐热材料，可是很遗憾，自二次世界大战出现低于可是很遗憾，自二次世界大战出现低于400 使用的使用的TC4钛合金钛合金以来，六十年过去了，钛合金的使用温度仍以来，六十年过去了，钛合金的使用温度仍然然限于限于600 。 而将铁、钴、镍加入到钢中形成的铁基、钴基、而将铁、钴、镍加入到钢中形成的铁基、钴基、镍基黑色高温镍基黑色高温耐热合金耐热合金，其使用温度可达到，其使用温度可达到900。 那么为什么那么为什么？8原因：原因：高温下氧对钛的玷污速率很高高温下氧对钛的玷污

7、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)在空气中在空气中也会氧化的，形成一层也会氧化的，形成一层很薄的很薄的淡黄色的淡黄色的氧化膜氧化膜，如图黄色的，如图黄色的外圈。外圈。 一般讲，技术条件控制钛金属中杂质一般讲，技术条件控制钛金属中杂质氧含量氧含量0.15%（为什么？为什么？） 因为因为氧增加氧增加一点点，一点点，塑性塑性()大大大大下降下降。所以，当。所以，当b低时，也低时，也不要不要轻易轻易放松氧含量的控制放松氧含量的控制要求。对冶金厂来要求。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

8、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，冶金厂也不会随便提高氧含量。含量。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由于存在着较大的氧的梯度浓度梯度浓度，则给氧向基，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，不断地向金属高温下，氧很活泼，不断地向金属内部扩散内部扩散。 氧氧在固体金属钛中比氢在固体金属钛中比氢(H)有有较大的固溶度较大的固溶度，就，就 是说氧在钛中比

9、是说氧在钛中比H有较大的溶解度，而且它不是置有较大的溶解度，而且它不是置换式的固溶，而是换式的固溶，而是间隙式间隙式的。只要原子之的。只要原子之 间有点间有点间隙，它就可以钻进去，讲得明白一点，干脆叫它间隙，它就可以钻进去，讲得明白一点，干脆叫它无孔不入。无孔不入。因而，又为氧向金属内部扩散创造了条因而，又为氧向金属内部扩散创造了条件。件。10 讲到这里，你们可能会问，钛合金讲到这里，你们可能会问，钛合金不要在氧化不要在氧化性气氛性气氛中加热，而是在中加热，而是在还原性气氛还原性气氛中加热不是更好中加热不是更好吗？吗？ 回答是肯定的：回答是肯定的：不行。不行。即使没有电炉的条件下，即使没有电炉

10、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氢对钛合金性能的影响远比氧大得多，要发生，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。因为稳定性好。否则否则就判为就判为不合格不合格。当然，一般条件。当然，一般条件2/150，但，但合金合金（Ti40）或）或锻造锻造就不好说了。就不好说了。15 另一种微观指标另一种微观指标 K K1C1C 科学已发展到衡量材料性能，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，而是可用来考虑了，而是

11、可用微观力学性能微观力学性能来表征了，来表征了，K K1C1C就是就是表征材料表征材料抵抗裂纹扩展的能力抵抗裂纹扩展的能力。 当然，当然，微观指标微观指标比宏观指标比宏观指标更重要更重要，更能评价材，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。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

12、。 残余残余相中相中析出析出s相相（硬脆相）（硬脆相） 形成有序相形成有序相，致使晶体结构，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： 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 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

13、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，毫米，一般取一般取0.60.8 分钟分钟/毫米毫米, 热态回炉减半。热态回炉减半。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，其毛坯喷涂玻璃润滑剂，其作用作用： 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19 在锻造时，最好再采用在锻造时，最好再采用机油石墨机油石

14、墨均匀地洒入上均匀地洒入上下模膛内，这样：下模膛内，这样： a. 冷却冷却 b. 润滑润滑，利于金属流动（对于大型锻件，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20 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否会引起摩擦生热而出现温升（热效应）？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

15、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，也只能得到的常规锻造，也只能得到网篮组织网篮组织，甚至，甚至魏氏组魏氏组织织，无法得到，无法得到等轴组织等轴组织。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

16、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，而叫性能，但此时再也不能称为纯钛，而叫工业纯钛工业纯钛。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，但使的强化作用最大，但使塑性剧烈塑性剧烈下降下降。 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。23 H的危害性很

17、大，极其微量的的危害性很大，极其微量的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%。 -200-1000100036912154321t( )aK(Kg.M/cm2)1 0.001%H 2 0.008%H 3 0.018%H 4 0.04%H24 由由Ti和和H的相图可知：的相图可知： H在在钛中的钛中的溶解度溶解度比在比在钛中大得多钛中大得多 且且H在在钛中的钛中的溶解度溶解度随温度的降低而剧烈减少随温度的降低而剧烈减少Ti-H相图相图H H在在中的溶解度曲线中的溶解度曲线25 H在在

18、相中的相中的溶解度溶解度为为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在在相中的相中的溶解度溶解度很小，在很小，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（呈（黑色黑色）点点状，状，H含量高时呈含量高时呈针（片）针（片）状，如左图。状，如左图。TiH2的存在使合金变脆，称为的存在使合金变脆，称为氢化物氢化物型氢脆型氢脆。断口检查可发现裂纹是沿着氢。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

19、。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）26Fe、Si与与Ti形成形成置换式置换式固溶体，尽管固溶体，尽管Fe、Si在纯钛中在纯钛中也是杂质，但也是杂质，但不象不象O、N、C、H那样对那样对Ti的性能影响的性能影响大。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作为作为杂质杂质时（时（Fe与与Si也可作为合金元素加也可作为合金元素

20、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，它们是它们是降低降低转变温度的，是转变温度的，是稳定元素。稳定元素。27为了保证材料的为了保证材料的塑性塑性和和韧性韧性，在，在工业纯钛工业纯钛（TA1、TA2和和TA3）和）和钛合金钛合金中，一般中，一般限制限制O含量小于含量小于0.150.2%，N含量小于含量小于0.050.08%，C含量小于含量小于0.10.2%，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（年来，国内外发展了一些间隙

21、（杂质杂质）元素）元素特别特别低低的高纯度钛合金。如美国标准纯钛的的高纯度钛合金。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的冷脆性，并的冷脆性，并严重降低断裂韧严重降低断裂韧性性。所以，高纯度钛合金适宜于低温或要求高的断裂。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韧性时使用。降低间隙元素含量可提高提高材料的材料的断裂韧断裂韧性性。28 综上所述综上所述

22、，钛中的间隙杂质虽然能提高钛的强度，但，钛中的间隙杂质虽然能提高钛的强度，但建议建议不要不要采用提高间隙杂质来提高钛的强度。采用提高间隙杂质来提高钛的强度。 原因：原因：这种杂质不仅这种杂质不仅严重降低严重降低合金的合金的塑性塑性和和断裂韧性断裂韧性，而且会而且会加快加快疲劳裂纹扩展速率，并使其他一些重要性能，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，缺口敏感性等如热稳定性，蠕变抗力，缺口敏感性等变坏变坏。 此外此外，现用的和发展中的高强钛合金主要靠加入大量，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的合金元素来强化，这就需要基体元

23、素钛有更高的塑性塑性储备储备。所以提高钛的纯度（实际上是提高海绵钛的品位）。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钛合金的必要条件。必要条件。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bMPa%TA1BT1-0Ti-35IMI115KS503502550TA2BT1-1Ti-55IMI125KS604502045TA3BT1-2Ti-65IMI135KS855501540KS8

24、50.150.05KS500.030.0150.150.100.10.05KS600.150.050.050.0150.300.15中国中国俄罗斯俄罗斯美国美国英国英国日本日本ONCHFeSiTA1BT1-0Ti-35IMI115TA2BT1-1Ti-55IMI125TA3BT1-2Ti-65IMI1350.100.0150.300.1530工业纯钛的特点：工业纯钛的特点： 从上表可以看到：随着从上表可以看到：随着纯度降低纯度降低，或者说，或者说杂质杂质 含含量增加量增加，工业纯钛，工业纯钛强度提高强度提高，塑性下降塑性下降。 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

25、组织（一片 白白色），工业纯钛属色），工业纯钛属型合金型合金，我国用，我国用TA表示表示。 工业纯钛工业纯钛不能不能采用采用热处理强化热处理强化（退火是软化，（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的所谓冷作硬化冷作硬化。用钣金成形的飞机蒙皮，其强度可达。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。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

26、从事切削加工的听众，介绍一点切削加工方面的知识。面的知识。 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成富氧层富氧层，实际上应叫做，实际上应叫做硬化脆性层硬化脆性层。其厚度取决。其厚度取决于加热条件和合金牌号，对于于加热条件和合金牌号，对于型和近型和近型合金来讲，型合金来讲，最厚可达最厚可达0.7mm，如果，如果不经退火处理不经退火处理，一般的切削刀，一般的切削刀具是具是加工不动的加工不动的。特别是刨削加工更困难，一般采用。特别是刨削加工更困难，一般采用硬质合金刀具，切削速度硬质合金刀具，切削速度 为为15米米/分左右。当富氧层去分左右。当富氧层

27、去掉后，还是很好加工的。掉后，还是很好加工的。32 钛的导热性差钛的导热性差，加工时应，加工时应不断冷却不断冷却刀刃，一般刀刃，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。 加工钛比钢加工钛比钢需要更大的切削力需要更大的切削力，应采用刚度好的，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，磨削加工，除了除了降低磨削速度降低磨削速度，还需不断冷却（乳化，还需不断冷却（乳化液）。液）。 砂轮切割，尽可能少用砂轮切割，尽可能少用，如用，如用冷却；冷却；余量大余量大 一一点，点，至少

28、至少35毫米毫米烧伤区，做金相试样或性能烧伤区，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。332 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中中加入某些合金元素加入某些合金元素，其目的为，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，研制一个合金时，先考虑的问题先考虑的问题是加入的元素：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

29、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。 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众所周知，钛是，钛是过渡族过渡族金属元素，它最外层的电子结金属元素，它最外层的电子结构构3d24s2。 在元素周期表上有很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体。但是只有外层电子结构与。但是只有外层电子结构与Ti相近的元素才能有相近的元素才能有较较大的溶解度大的溶解

30、度。那么那么，哪些元素与，哪些元素与Ti是是同一过渡族同一过渡族，而且晶格类型，而且晶格类型相相同同，外层电子结构和原子半径，外层电子结构和原子半径相近相近呢？呢？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（d2s2）4d25s2（d2s2）5d26s2（d2s2）1.471.601.59-0.13-0.12 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，即在有相同的同素异晶转变，即在低温低温时为

31、时为密排六方晶格密排六方晶格，高高温温时为时为体心立方晶格体心立方晶格。体心立方体心立方密排六方密排六方37因此，因此，Zr、Hf既可在低温时既可在低温时溶解于溶解于-Ti ，又可在高温，又可在高温时时溶解于溶解于-Ti中。中。 又因外层电子结构和原子半径相近，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中均能中均能无限互溶无限互溶，就是说加入多少可以溶解，就是说加入多少可以溶解多少；而且是多少；而且是置换式的固溶置换式的固溶。由于在。由于在-Ti和和-Ti中的溶中的溶解能力相同，所以又称为解能力相同，所以又称为中性元素。中性元素。与与Zr、Hf元素具有元素具有类似

32、类似特性的还有特性的还有Sn（锡），但（锡），但Sn在在高温高温-Ti中不是无限的，而是中不是无限的，而是有限的溶解有限的溶解。 Zr、Hf、Sn中，中，Hf是是稀贵稀贵和和稀缺稀缺元素，一般不用。元素，一般不用。Zr、Sn常用。常用。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195

33、8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，其目的在于，其目的在于提高持久和蠕变强度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？39 原因：原因：Zr的的熔点熔点为为1750，比锡的，比锡的熔点熔点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

34、了合金的熔化温度。 这里再引入一个科学这里再引入一个科学概念：熔化温度高的合金，其概念：熔化温度高的合金，其再结晶温度必然是高的。再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，高合金熔化温度的同时，阻碍阻碍了合金再结晶过程的完了合金再结晶过程的完成，也就是说成，也就是说提高提高了再结晶温度。了再结晶温度。40 同样道理同样道理，再结晶温度高的合金，其相变温度也，再结晶温度高的合金，其相变温度也是高的。是高的。为什么？为什么？ 因为因为只有再结晶过程结束后相变才开始。只有再结晶过程结束后相变才开始。所以所以，合金的相

35、变温度在很大程度上决定了这个合金的工作合金的相变温度在很大程度上决定了这个合金的工作温度。温度。 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。 可见可见，发展热强钛合金一般选择，发展热强钛合金一般选择不是降低而是提不是降低而是提高相变点的合金元素是有道理的。高相变点的合金元素是有道理的。如美国的如美国的 Ti-1100合金，英国的合金，英国的IMI834合金，两者的相变点为合金，两者的相变点为1015左左右，可在右，可在600温度下

36、使用。温度下使用。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。Mo和和V

37、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）合金），而，而Ti-1023中，有中，有10V，只能称为，只能称为贫贫（近（近）合金。）合金。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，所得组织的所得组织的稳定性好稳定性好，且，且不会发生共析反应不会发生共析反应而使合金而使合金在一定条件下变脆。在一定条件下变脆。换句话讲换句话讲，在合金中除了加入，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

38、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等等都会发生共都会发生共析反应析反应，只是反应速度快慢而已。，只是反应速度快慢而已。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中均为中均为有限溶解有限溶解，但在，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生共析反应共析反应，其结果将，其结果将相分解为固溶体和相分解为

39、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，通常是以金属间化合物为基的固溶体。众所周知，在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。44 Ti与与Cu、Ni、Si等等非过度族元素非过度族元素形成的形成的共析反应共析反应进行极快，进行极快，在一般冷却条件下，不能阻止其共析反应。在一般冷却条件下，不能阻止其共析反应。换句话讲，换句话讲，很难将加入这类元素的合金中的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（保留）到室温。我们把这类元素称为活性活性共析元共析元素素，有时干脆称之为，有时

40、干脆称之为快共析元素。快共析元素。 Ti与与Fe、Mn、Cr等元素形成的共析反应进行极慢，在通常冷却情况下等元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根本来不及进行。所以把这类元素称为非活性非活性共析共析元素元素，也称，也称慢共析元素。慢共析元素。45 Fe、Mn、Cr是研制合金中最常采用的是研制合金中最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

41、元素，尽管在通常条件下共析反应来不及进行，可是通常条件下共析反应来不及进行，可是来不及进行不来不及进行不等于不会进行等于不会进行，在一定温度场和应力场作用下，共析，在一定温度场和应力场作用下，共析反应还是要发生的反应还是要发生的（共析反应的结果会使合金脆化）（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，一般所以，研制高温下工作的合金时，一般不宜不宜将将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。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

42、：（1）电极中的合金料（海绵钛，加入的元素或中间合）电极中的合金料（海绵钛，加入的元素或中间合金）的均匀性；金）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

43、原因： 合金元素的分配率；合金元素的分配率；凝固速度；凝固速度；液相移动和扩液相移动和扩散速度等等。散速度等等。其中影响最大的是合金元素的分配率。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不均匀而形成偏析。偏析。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，其组织还即使在退火状态下，其组织还存在存在某些某些金属金属 间化合物间化合物，如硅化物（颗粒）、，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

44、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。48 已经知道，已经知道，-Ti是是密排六方晶体密排六方晶体，而，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，那么要实现和完移动，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，必须要更大的能量成再结晶，必须要更大的能量提高温度。所以，提高温度。所以，Al的的加入提高了再结晶温度。加入提高了再结晶温度。 可见，再结晶温度是与相变

45、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）锻造温度比（比（）型高还是低？）型高还是低？49TA1TA2TA3除了除了Ti只有杂质只有杂质 工业纯钛工业纯钛TA4 (Ti-3Al)TA

46、5 (Ti-4Al)TA6 (Ti-5Al)TA7 (Ti-5Al-2.5Sn)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稳定元素，或者很少或者很少，称为，称为型合型合金。金。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，称为近近合金。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-0.2

47、5Si 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-(5.5

48、7.0)Al-(0.52.0)Mo-(0.82.5)V- (1.5-2.5)Zr 中国标准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-4VTC11: Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3SiTC6: 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-(1.5Zr2.5)Cr-(0.10.7)Fe 苏1965年研

49、制BT3-1: Ti-(4.56.2)Al-(1.02.5)Mo-(1.5Zr2.5)Cr-(0.51.5)FeTi6242S: Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si 中国研制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、 Alloy C）型型()型型型型T稳定元素含量（）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

50、是单一的相变点很高，几乎任何温度下都是单一的相。因此，相。因此，要改善工艺塑性要改善工艺塑性，需提高加热锻造温需提高加热锻造温度度。TA7就是这样，只有在就是这样，只有在相变点附近锻造相变点附近锻造，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。543 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K1CDa/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

51、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

52、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56在低强水平下，在低强水平下，塑性和断裂韧性塑性和断裂韧性(与高强度相比与高强度相比)提高提高的原因：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）57关于缺口疲劳性能问题关于缺口疲劳性能问题 ()区变形

53、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。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

54、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，所以，显微组织与加工过程的依赖关系显微组织与加工过程的依赖关系是：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。高。 片状片状多，光滑疲劳寿命短，因裂纹扩展开始早。多，光滑疲劳寿命短，因裂纹扩展开始早。591 1、型钛合金的热处理型钛合金的热处理+型型近近型型(+)型型近近型型型型T稳定元素含量（）稳定元素含量（）TA7: Ti-5Al-2.5Sn其中：Al元素元素溶于溶于相，相，起稳定起稳定相和提高强度、耐热相和提高强

55、度、耐热 性和减小比重的作用性和减小比重的作用。Sn元素元素溶于溶于相，相，起辅助强化的作用起辅助强化的作用，又不明显，又不明显 降低塑性，并可减少吸氧防污的优点。降低塑性，并可减少吸氧防污的优点。稳定稳定元素元素0，一般采用，一般采用退火处理退火处理，其组织为单，其组织为单 相相-固溶体，故固溶体，故不能热处理强化。不能热处理强化。 602 2、近、近型钛合金的热处理型钛合金的热处理 以以Ti-679合金、合金、BT20合金为例介绍：合金为例介绍：+型型近近型型(+)型型近近型型型型T稳定元素含量（）Ti-679: Ti-2.5Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si其中：其中： Al为

56、为稳定元素，稳定元素，强化强化相相 Mo为为稳定元素，稳定元素，强化强化相相 Sn、Zr为中性元素，为中性元素，强化强化、相相 Si形成形成Si化物颗粒，化物颗粒，提高蠕变性能提高蠕变性能BT20：Ti-(5.5-7.5)Al-(0.5-2.0)Mo-(0.8-1.8)V-(1.5-2.5)Zr61 近近型合金由于等轴型合金由于等轴相比例多，相比例多，热处理强化效果不热处理强化效果不明显明显，对于对于Ti-679合金采用合金采用标准热处理标准热处理。 900固溶固溶1小时空冷小时空冷500时效时效24小时空冷时效小时空冷时效处理（又称双重退火处理）处理（又称双重退火处理）固溶的作用：固溶的作用： 初生初生等轴化等轴化 在在900高温下保温高温下保温1小时，初生小时，初生聚聚集、合并、球化以提高塑性。集、合并、球化以提高塑性。 相浓度均匀化相浓度均匀化 在在900 高温下保温高温下保温1小时，由于原小时，由于原子的扩散作用，促使子的扩散作用，促使、晶粒中化学成分均匀化，即晶粒中化学成分均匀化，即使使、稳定元素均匀化。稳定元素均匀化。62 相比例均匀