金属材料-6 钛合金

1、第七章 钛及钛合金一、钛及钛合金的基本状况二、钛的分类与牌号三、钛的合金化四、钛合金相变分析及热处理特点五、工业钛合金六、钛合金的发展一、钛及钛合金的基本状况 1. 简介 2. 产量与用量 3. 基本性能1. 简介 钛是20世纪50年代初走向工业化生产的一种重要金属。 钛性质优良，储量丰富。从工业价值和资源寿命的发展前景看，它仅次于铁、铝而被誉为正在崛起的“第三金属”。 钛是一种对社会经济和国防具有重要战略意义的稀有金属。 钛具有许多重要的特性，如密度低、比强度高、耐腐蚀、线膨胀系数低、导热率低、无磁性、生理相容性好、表面可饰性强，具有储氢、超导、形状记忆、超弹和高阻尼等特殊功能。它既是优质的

2、轻型耐腐蚀的结构材料，又是新型的功能材料以及重要的生物医用材料。航空航天器常用：压力容器、贮箱、发动机壳体和喷管地壳中储量丰富，仅次于铝、铁、镁。强度与优质钢相近，但密度仅有4.5g/cm3，比强度最高高温（400-500）性能较铝合金、镁合金好抗蚀性可与不锈钢媲美，酸性介质中的耐蚀优于不锈钢生物相容性好，人造骨头，关节、心脏起搏器等500 以上高温下软化 高温化学性质活泼、熔炼困难、加工困难 用镁热法还原TiCl4生成海绵钛2. 产量与用量世界海绵钛年产量多年来都在6-10万吨之间；钛材的年产量多在5-6万吨之间世界钛的主要应用领域 加工材多为板、棒、线、管和锻件我国钛材产量及用途 我国钛资

3、源已探明近10108吨TiO2，居世界第一。 海绵钛产量超过4000吨/年，用量大于6000吨/年，属进口国 预计2010年达到2万吨的用量，成为世界第三(同美、日)与俄、美相比，品种少、规格不全大型主承力结构件用钛合金基本为空白；缺少满足使用要求的厚板；没有航母用高强(1250MPa)、高韧、可焊、耐蚀的钛合金(国外21S合金)我国：在武器装备上应用范围窄，用量小。歼8飞机上用Ti合金量为2%，我国核潜艇上只有几吨。国外：l美国第三代战机钛合金用量达到20-25%，第四代战机约35%。l 俄国阿尔法核潜艇的钛合金用量高达上千吨。l民用客机用钛合金不断增加，第四代B757和空客A320分别达到

4、6%和4.5%；第五代B777和空客A340分别达到7%和6%；新一代B787和空客A380更分别达到15%和10%。我国钛合金的状况3. 基本性能 (1) 钛的原子构造及晶体结构 (2) 钛的电性能 (3) 钛的热性能 (4) 钛的化学及腐蚀性能 (5) 钛的力学性能两个最为显著的优点 两个最为显著的优点：比强度高和耐腐蚀性好比强度高和耐腐蚀性好。 使钛在空中、陆地、海洋和外层空间都有广泛的用途：包括航空航天、常规兵器、舰艇及海洋工程、核电及火力发电、化工与石油化工、冶金、建筑、交通、体育与生活用品等。 与钢铁及铝合金等量大面广的金属材料相比，钛及钛合金的生产和应用的规模及发展依然存在一定的

5、限制因素，最重要的是制造加工过程比较复杂制造加工过程比较复杂而成本价格偏高成本价格偏高。 (1) 钛的原子构造及晶体结构 原子序数22。外层电子为3d24s2，d电子层不充满，过渡金属。 钛的相对原子质量是47.90，其主要的同位素相对原于质量有46，47，48，49，50，其相对原子质量为48的同位素在自然界中的相对含量最高，达到73.45。 纯钛的熔化温度为16401670。 钛有两种同素异晶体即和，转变温度为882.5；低温为相(hcp)，高温相(bcc)。 -Ti在25时的点阵常数为a=0.29503nm，c=0.46831nm，c/a=1.5873；-Ti在25时的点阵常数为0.32

6、320nm。 纯钛的密度为4.50g/cm3。 (2) 钛的电性能 钛的过渡金属原子构造决定了它具有高电阻。 由于氧、氮、碳、铁等杂质对钛的电阻影响很大，所以钛的电阻测定分散性较大。 纯度最高的碘法钛的电阻率0.45.m。随温度增高比电阻增加。当发生转变时，比电阻下降， 的平均比电阻率为0.16.m 。 当温度接近绝对零度时，钛具有超导性，但因冷作硬化和微量杂质的影响很大，故纯钛的超导物理数据的分散性较大。 (3) 钛的热性能 钛和钛合金的线膨胀系数约为8.29.110-6K。 比热容比较低，其热导率热导率大约只是铝及铝合金热导率的115，是钢的15。(4) 钛的化学及腐蚀性能 有很高的化学活

7、性，并随温度升高而急剧增强。钛的活性表面钛的活性表面在室温就开始吸氢，在在室温就开始吸氢，在300300时吸氢量加大时吸氢量加大。 钛氧开始明显发生作用的温度是600；而与氮发生作用的温度高于700 。 通过真空退火，几乎可以完全除去氢，而氧、氮则不可能除去。 钛在空气介质中加热时，会在表面生或一种既薄、致密而稳定的氧化膜，它具有保护作用。 钛在500以下的空气中是稳定的，在800 以上时，氧化膜要分解，氧原子会进入晶格从而使金属变脆。 工业纯钛在不同温度下的空气介质中，加热半小时后氧化膜的厚度不同，会出现不同颜色。温度从低到高的顺序为：银白、黄色、紫色(650)、红灰色、灰色。 熔融状态的钛

8、与已知的所有耐火材料都发生强烈反应熔融状态的钛与已知的所有耐火材料都发生强烈反应。(只与ThO2不反应) 剧烈的氧化能发生燃烧，干钛粉的自燃温度为300600。粉状、海绵钛、尘状、细屑状钛很容易由于火星或一个小火苗而引起燃烧。 钛的电位仅低于镍基合金，有良好的抗电化学腐蚀性能。在与大多数金属构成的原电池系统中，钛及其合钛及其合金的电位是属于高价的正电位金的电位是属于高价的正电位从而使与其接触的其他金属腐蚀。 (5) 钛的力学性能 钛中的杂质含量对钛的力学性能影响很大，杂质含量增加，可以提高其强度而降低塑性。 最纯的钛用碘化法或电解方法获得。氧、碳、氮是钛中普遍存在的杂质，能提高钛的强度而降低其

9、塑性。其中氮的影响最大，碳最小，而氧居中。高纯钛的基本力学性能抗拉强度/ MPa屈服强度/MPa延伸率/%断面收缩率/%HV/MPa弹性模量/GPa250300 140190 5070768889105108(25 )75(550) 氢脆：在钛中氢的含量达到一定数值后，将大大提高钛对缺口的敏感性，而急剧降低缺口试样的冲击韧性等性能。 钛中氢的含量应低于0.0070.008(质量分数)，而不允许高于0.01250.015(质量分数)，高于这个含量，在组织上将析出氢化物，并出现明显的氢脆现象。 除氧、碳、氮外，对钛的强度影响较大的元素是硼、铍和铝。 其他元素对钛的强度影响不那么强烈，影响程度依次排

10、列为铬、钴、铌、锰、铁、钒和锡。 对钛及其合金来说，氢脆是一个重要问题氢脆是一个重要问题。钛容易从酸洗液、腐蚀液和热加工的高温气氛中吸氢。 氢脆表现为两种形式：对工业纯钛和合金，氢脆表现为塑性降低，而强度稍有增加，同时在低于93时合金冲击韧性降低；另一种形式则类似于钢的脆化，在恒载荷或持续载荷下，进行慢速拉伸试验时出现的一种脆化现象。二、钛的分类与牌号工业纯钛变形钛合金1. 工业纯钛系 指具有不同的铁、碳、氮、氧等杂质含量的非合金钛。它不能进行热处理强化。其成形性能优异，并且易于熔焊和钎焊。 主要用于制造各种非承力件，长期工作温度可达300。半成品有厚板、薄板、棒材、丝材、管材、锻件和铸件。

11、工业纯钛牌号有TA1、TA1-1、TA1ELI、TA2、TA2ELI、TA3、TA3ELI、TA4、TA4ELI。 ELI (Eextra Low Interstitial grades) 表示“超低间隙杂质级”工业纯钛的牌号与杂质含量合金牌号化学成分，%杂质，不大于FeCNHO其他元素单一总和TA1ELI0.100.030.0120.0080.100.050.20TA10.200.080.030.0150.180.100.40TA1-10.150.050.030.0030.12-0.10TA2ELI0.200.050.030.0080.100.050.20TA20.300.080.030.0

12、150.250.100.40TA3ELI0.250.050.040.0080.180.050.20TA30.300.080.050.0150.350.100.40TA4ELI0.300.050.050.0080.250.050.20TA40.500.080.050.0150.400.100.40GB/T 3620.120072. 变形钛合金 (1) 经典的钛合金分类方法，是指麦克格维纶于1956年提出的按照退火态相组成而进行分类的方法，即将钛合金划分为型(TA)、 +型(TC)、型(TB)钛合金。 (2) 近50年来，随着钛合金研究与应用的迅速发展，特别是热处理强化的钛合金，经常遇到的是非平衡

13、态的组织，因此按照亚稳定状态的相组成进行钛合金的分类更为可取。 根据钛合金从相区淬火后的相组成与稳定元素含量关系，可以将钛合金划分成以下六种类型： 型钛合金；近型钛合金；马氏体 +型钛合金； 近亚稳定型钛合金；亚稳定型钛合金；稳定型钛合金。淬火后的相组成与稳定元素含量关系1) 型钛合金：工业纯钛和只含稳定元素2) 近型钛合金：KMo c13) 马氏体+型钛合金：c1 KMo ck，简称 + 型4) 近亚稳定型钛合金 ：ck KMo c3，简称近型5) 亚稳定型钛合金：c3 KMo c，简称为全型KMo称为稳定元素含量各类钛合金的主要特征以Ti-6Al-4V为准： 向右侧，随着稳定元素的增加。合

14、金的成形能力、应变速率敏感性、热处理强化效果和室温强度不断提高； 向左侧，随着稳定元素的减少，合金的转变温度，流变应力，可焊性和高温强度有所增加。型和近型合金牌号名义化学成分合金牌号名义化学成分TA5Ti-4Al-0.005BTA11Ti-8Al-1Mo-1VTA6Ti-5AlTA15Ti-6.5Al-1Mo-1V-2ZrTA28Ti-3AlTA15-1Ti-2.5Al-1Mo-1V-1.5ZrTA15-2Ti-4Al-1Mo-1V-1.5ZrTA17Ti-4Al-2VTA22Ti-3Al-1Mo-1Ni-1ZrTA18Ti-3Al-2.5VTA22-1Ti-3Al-0.5Mo-0.5Ni-0

15、.5ZrTA20Ti-4Al-3V-1.5ZrTA24Ti-3Al-2Mo-2ZrTA25Ti-3Al-2.5V-0.05PdTA24-1Ti-2Al-1.5Mo-2ZrTA26Ti-3Al-2.5V-0.1RuGB/T 3620.12007型和近型 有37个牌号，含TA系 34个，及TC1、TC2、TC20型和近型合金牌号名义化学成分合金牌号名义化学成分TA7Ti-5Al-2.5SnTA21Ti-1Al-1MnTA7ELITi-5Al-2.5SnELITC1Ti-2Al-1.5MnTA14Ti-2.3Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.2SiTC2Ti-4Al-1.5MnTA12Ti-5.5

16、Al-4Sn-2Zr-1Mo-1Nd-0.25SiTA12-1Ti-5.0Al-4Sn-2Zr-1.5Mo-1Nd-0.25Si TA10Ti-0.3Mo-0.8NiTA19Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1SiTA8Ti-0.05PdTA16Ti-2Al-2.5ZrTA8-1Ti-0.05PdTA23Ti-2.5Al-2Zr-1FeTA9-1Ti-0.2PdTA23-1Ti-2.5Al-2Zr-1FeTA13Ti-2.5CuTA27Ti-0.10RuTC20Ti-6Al-7NbTA27-1Ti-0.10Ru马氏体+型钛合金牌号名义化学成分牌号名义化学成分TC3Ti-5Al-4VTC

17、15 Ti-5Al-2.5FeTC4Ti-6Al-4VTC16 Ti-3Al-5Mo-4.5VTC4ELITi-6Al-4VELITC17 Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4CrTC6Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si TC18 Ti-5Al-4.75Mo-4.75v-1Cr-1FeTC8Ti-6.5Al-3.5Mo-0.25SiTC19 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6MoTC9Ti-6.5Al-3.5Mo-2.5Sn-0.3SiTC10Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Cu-0.5FeTC21 Ti-13Nb-13ZrTC11Ti-6.5Al-3.5Mo-1

18、.5Zr-0.3SiTC22 Ti-6Al-4V-0.05PdTC12Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Zr-2Sn-1NbTC23 Ti-6Al-4V-0.1Ru马氏体+型钛合金有TC系 17个牌号近与型钛合金牌号名义化学成分牌号名义化学成分TB2Ti-5Mo-5V-8Cr-3AlTB6Ti-10V-2Fe-3AlTB3Ti-3.5Al-10Mo-8V-1FeTB7Ti-32MoTB4Ti-4Al-7Mo-10V-2Fe-1ZrTB8Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.25SiTB5Ti-15V-3Al-3Cr-3SnTB9Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr近与型有TB系 8个牌号

19、,其中TB7为型主要钛合金的相对位置强度水平和显微组织的变化规律在临近成分Ckp附近的合金具有最细最均匀的显微组织和最高的强度等级其他分类方法按照性能特点，钛合金又可以分为结构钛合金、热强钛合金、耐腐蚀钛合金和功能钛合金四大类按照应用领域，钛合金可分为航空航天用钛合金和非航空航天用钛合金两大类合金化：三大类元素 提高转变温度、扩大区且在中大量固溶-稳定元素 降低转变点、扩大区且在中大量固溶-稳定元素 对转变温度影响小，在、均大量溶解-中性元素TTiAl, O, N, C 稳定TTiTTi共析型稳定H, Mn, Fe, CoNi, Cu, Si同晶型稳定V, Nb, Ta, Mo, Re, Cr

20、, W 中性:Zr, Sn, HfTTi三、钛的合金化相稳定元素和中性元素主要对-Ti进行固溶强化。相稳定元素对-Ti也有固溶强化作用。改变和相的组成量，从而控制钛合金的性能，该类元素是可热处理强化钛合金中不可缺少的。 型钛合金主要加入元素是Al，其次是中性元素Sn和Zr，起固溶强化作用起固溶强化作用。在退火状态下的室温组织是单相固溶体。型钛合金的牌号与工业纯钛相同，均划入TA系列。型钛合金不能进行热处理强化不能进行热处理强化，热处理对于它们只是为了消除应力或消除加工硬化。 +型钛合金的退火组织为+。合金同时含有相稳定元素和相稳定元素。组织以相为主，相的数量通常不超过30%。合金可通过淬火及时

21、效进行强化淬火及时效进行强化，多在退火状态下使用。+型钛合金的室温强度和塑性高于型钛合金，生产工艺比较简单，通过改变成分和选择热处理制度又能在很宽的范围内改变合金的性能，应用比较广泛，尤以TC4用途最广，用量最多。 型钛合金以TB加顺序号表示其合金的牌号。合金加入了大量的多组元相稳定元素，同时还加入相稳定元素Al。应用的型钛合金主要为亚稳定的钛合金，退火状态为+两相组织，将其加热到单相区后淬火，因相来不及析出而得到的过饱和的相，称为亚稳相。 该类合金塑性好，易于冷加工成形，成形后可通过时效处理，使强度提高； 该类合金的淬透性高； 化学成分偏析严重，实际应用的以TB2为主 1 钛合金热处理应注意

22、的问题(1) 脆性：加热温度不超过/边界，因为粗化、在组织中呈粗、长片状析出，形成魏氏组织。(2) 导热性差：变形开裂、淬透性差，限制热处理。淬火时效用的少，主要为退火（退火时断裂韧性提高）(3) 高的化学活性、吸氢倾向大：加热时应防止氧化和吸氢四、钛合金相变分析及热处理特点2 钛合金的退火无均匀化退火，主要是基于回复和再结晶的退火，另外还伴随有相变重结晶。(1) 简单退火：在低于再结晶开始温度40退火，获得多边形化组织，基本消除加工硬化。(2) 等温退火：先加热到再结晶温度(900)以上，再转入较低温度保温(600)，空冷，获得高塑性和稳定组织(3) 双重退火：与(2)基本同，第一段加热后冷

23、至室温，再升温，以获得更高的塑性和断裂韧性。(2)(3)主要用于+型(4) 不完全退火：去应力退火(5) 退火：一般不用，TC4合金经退火后，析出针状相，韧性和屈服强度提高1：六方马氏体、稍高强、针2：斜方马氏体、软但可时效3：+/4：六方、硬脆性相、颗粒、塑性低5：过饱和的（固溶处理）13452MfMs TTi稳定元素含量3 钛合金淬火时形成的亚稳相-区淬火五、工业钛合金 1、工业纯钛 2、TA12钛合金 3、TC4钛合金(1) 基本特征含Ti量高于99%，可直接作结构材料，TAx885OC时多型性转变；1672OC熔化导电、导热率低弹性模量只约Fe、Ni的一半，不利于结构刚度活泼，但室温生

24、成致密氧化膜， 600以下防氧化在HF、H2SO4、HCl、正磷酸和某些有机酸中易被腐蚀高温下，钛与除惰性气体以外的所有气体反应，熔体只与ThO2不反应（熔炼用坩锅？）（熔炼用坩锅？）1、工业纯钛(2) 显微组织从相区缓冷为单一组织；快冷(200/s)发生马氏体相变，获得针状组织；从+相区快冷，会获得不同比例的+组织。(3)熔炼与铸造工艺两次以上真空自耗电弧炉熔炼(4)热变形工艺10001050铸锭开坯，每火4050%；900950毛坯锻造，3040%变形量，终锻温度高于650，其后815(低于转变温度95)(5) 组织与力学性能： 区加工退火获得等轴晶 区深冲时， 从中呈针状析出，强度增加而

25、塑性降低 区淬火(很少采用)得到针状马氏体，强度升高但不稳定 工业纯钛的强度随杂质量提高，TA3与调制钢水平接近 高温下，强度迅速下降（污染变脆） 屈强比0.2/b=0.7-0.9，回弹大，不利于冷加工 疲劳强度高、耐磨性差、摩擦系数大 工业纯钛多为板、棒产品，制造350以下工作的零件 飞机蒙皮、隔热板等2、TA12钛合金 Ti-5.5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.25Si-1Nd合金，是一种稀土Nd强化的综合性能良好的近热强钛合金。 长时间工作温度可达550，用于航空发动机高压段的压气机盘、鼓筒和叶片等零件。 室温平衡组织为和相，还有富Nd稀土相，硅化物和Ti3X相 采用双重退火、三重退

26、火或去应力退火TA12的基本力学性能3、TC4钛合金 TC4(Ti一6Al一4V)钛合金是由美国于1954年研制成功的Ti-Al-V系+型钛合金，含有6%的稳定元素Al和4的稳定元素V； 铝当量为7.0，钼当量为2.9，退火状态含1015 相； Al在Ti-Al-V系中通过固溶强化相提高合金的室温强度和热强性能； V是钛合金中既提高强度又改善塑性的少数合金元素之一。V对钛合金塑性的有利影响，是因为它不像大多数合金元素那样增大钛晶格c/a轴的比值，而是减小该比值，从而提高相的塑性变形能力。此外，V还能抑制2超结构相的形成，避免在长时间使用过程中出现合金脆化。优异的综合性能和良好的工艺特性。具有中等的室温和高温强度，良好的蠕变抗力和热稳定性，较高的疲劳性能和海水中的裂纹扩展抗力，以及满意的断裂韧性和热盐应力腐蚀性能，对氢的敏感性也比TC2、TCl合金为小，适于制造从-196450温度范围内工作的各种零件，