金属材料学第11章钛合金

2023/2/511.1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Ti的物理性能纯Ti熔点1668℃。强度高，是Al的6倍，塑性好，便于冷热加工。还具有超导、记忆、储氢等特殊性能。热处理纯Ti不能热处理强化，只能进行冷变形强化，α＋β型钛合金可热处理。美F-22战机约36%重量的零件用钛合金制造11钛合金titanium

alloy2023/2/5纯钛主要用于350℃以下工作、强度要求不高的零件，如石油化工用热交换器、反应器，海水净化装置及舰船零部件。

钛钢复合反应釜钛管换热器钛制蒸馏塔2023/2/511.1.1钛的基本性质与合金化①有同素异构转变。β，bcc|

882℃|α，hcp②比强度高。ρ=4.51g/cm3，可保持到550～600℃③耐蚀性好。形成保护膜,耐海水腐蚀性是最好的④低温性能好。在77K下仍有良好的力学性能⑤导热系数低。比铁低4.5倍，易产生热应力主要合金元素有A1、Zr、V、Mo、Mn、Cr等2023/2/5一、钛的合金化及分类（一）合金元素与钛的作用1）α稳定型相图，扩大α相区的元素有Al、Sn、O、N、C等。2）β稳定型相图，扩大β相区的元素有V、Mo等。3）α+γ共析型相图，使共析的元素有Mn、Fe、Cr、Cu、Si、Ni、Ag等。4）α和β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）α稳定型,Al、Sn；b)β稳定型V、Mo,c)α+γ共析型,Mn、Cr；d)α和β全溶型，Ha、ZrTi-Sn相图2023/2/5α稳定型(包析)β稳定型（共析）α和β全溶型γ共析型2023/2/5（二）钛合金的分类（GB/T3621—94）在退火状态下，按组织分α型钛合金、β型钛合金和α＋β型钛合金，以TA、TB、TC表示。符号后面的数字表示顺序号。TA7：Ti-5Al-2.5SnTB2：Ti-3Al-8Cr-5Mo-5VTC4：Ti-6Al-4V2023/2/5各类合金特点

α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

α+β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

β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，是发展高强度钛合金的基础，但组织不够稳定，冶炼工艺复杂

应用程度:α+β合金>α合金>

β钛合金二、钛合金特点2023/2/5

1、α钛合金(Al/Sn)主要Me是Al和Sn，固溶强化:+1%Me，强度↑35~70MPaAl作用特点A1在α相中固溶度很大,↑耐热性(<500℃)但Al＞6％后→与α共格有序相α2（Ti3Al）α2是硬而脆中间相，对合金塑韧性不利。Al大于25%后，则出现γ相（TiAl）应用特点

一般工业用钛合金Al含量很少超过6％。

α钛合金使用温度≯500℃。

α钛合金不能热处理强化，退火或热轧态下使用。TA7是应用最多的一种。

TA4~TA6是Ti-Al系二元合金2023/2/52、α+β钛合金(Al/V、Mo)合金化特点

含4~6%的β稳定元素→α和β同时强化。

α+β合金性能主要由β相元素来决定。

α相元素主要是铝，

<6~7%→以免生成α2而↓韧性。另补加少量中性元素锡和锆。

β元素选择较复杂。+Mo和V等，再适当+少量Mn和Cr或微量Si。性能特点α+β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70％以上。目前国内外应用最广泛的α+β钛合金是Ti-A1-V系的Ti-6A1-4V，即TC4合金。2023/2/53、β钛合金(Mo、V/Cr)

β钛合金是发展高强度钛合金潜力最大的合金。热处理特点

合金化特点：加入大量β稳定元素。热处理特点:室温为单相β组织，经时效可↑↑强度。淬火态下能冷成型→进行时效处理。性能特点与应用

强韧性优于α+β合金，具有良好的焊接性和压力加工性。缺点是β元素浓度高，密度↑，易偏析，性能波动大。β相元素多是稀有金属，价格↑，≯200℃使用，应用受限制.

目前应用的加工钛仅TB2

，主要用于制造各种整体热处理的冲压件和焊接件；如轮盘、轴类等重载荷旋转件，以及飞机的构件等2023/2/511.1.2钛合金的相变C0tk2023/2/5基本概念

β相(bcc)→α′六方马氏体(hcp)；→α″斜方马氏体。

tk：当t淬↓到一定温度，β相浓度↑到Ck时，淬火到室温β相也不发生M转变的临界淬火温度。Ck和tk是非常重要的两个参数。

Ck：Ms↓β相不发生M转变的合金浓度钛合金M是置换型过饱和固溶体，与钢间隙式M不同1、马氏体转变

2023/2/52、ω相的形成

β稳定型钛合金的成分位于临界浓度Ck附近时，淬火时除形成α′或βr外，还能形成淬火ω相，用ωq表示。特点性质

ω是六方晶格，与β相有共格关系。ω相形状与Me原子半径r有关，r与钛相差较小的合金，ω相是椭圆形，Δr相差较大时为立方体形

ω相硬而脆，虽↑↑强度、硬度和弹性模量，但塑性急剧↓。一般情况下,ω相是有害组织，在热处理时都要避开它的形成区间。加A1能抑制ω相的形成→大多数工业用钛合金都含有A12023/2/53、过冷(残余）βr

的形成合金元素浓度较高，马氏体转变温度低于室温，β被冻结，形成βr，成为β钛合金。β为体心立方，具有较好的塑性，冷加工性能与纯钛相近。β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α相强化）高。β钛合金固溶后强度：750-950MPa，时效后强度1000-1700MPa。

β相中原子扩散系数大，加热温度超过β相变点时，出现粗大晶粒，产生“β脆性”2023/2/54、亚稳定相的分解

淬火形成的α′、α″、ω和βr相都是不稳定的最终产物都是平衡α+β相

β共析型的

分解产物是α+TixMy（γ）化合物各种亚稳相分解过程（1）过冷βr相分解;（2）马氏体分解，钛合金α′、α″在300~400℃发生快速分解，在400~500℃回火时→弥散度高的α+β相混合物，弥散强化。（3）ω相的分解。2023/2/511.2.1.型钛合金主加元素为铝，还有锡、硼等。

不能热处理强化，通常在退火状态下使用，组织为单相固溶体。强度低于另两类钛合金，但高温强度、低温韧性及耐蚀性优越。0.2％Pd的加入引起阳极钝化，使腐蚀抗力提高1000倍。钛合金氢泵诱导轮钛合金氢泵壳体11.2常用钛合金2023/2/5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。常用牌号有TA5、TA7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。Al、Sn可使再结晶温度和同素异构转变温度升高。钛合金泵图11.4Ti-Al二元合金相图钛端2023/2/5型钛合金主要用于制造500℃以下工作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等。

钛合金卫星框架钛合金液下泵-Ti合金组织2023/2/511.2.2.+型钛合金加入的合金元素有铝、钒、钼、铬等。可进行热处理强化，强度高，塑性好，具有良好的热强性、耐蚀性和低温韧性。钛合金列管式换热器2023/2/5+型钛合金共有九个牌号，其中以TC4(Ti6Al4V)应用最广、用量最大，占市场55％。其经过淬火加时效处理后，组织为++时效析出的针状。2023/2/5+型钛合金主要用于制造400℃～－196℃以下工作的飞机压气机叶片、火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体等。

生物医用材料飞机压气机叶片2023/2/511.2.3.型钛合金加入的合金元素有钼、铬、钒等。经淬火加时效处理后，组织为相基体上分布着细小的相粒子。这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，难于焊接，应用受到限制。钛合金管钛合金管应用2023/2/5型钛合金有TB2、TB3、TB4三个牌号。主要用于350℃以下工作的结构件和紧固件，如飞机压气机叶片、轴、弹簧、轮盘等。钛合金棒β钛合金眼镜架钛离心泵2023/2/511.3钛及钛合金的发展与应用

1、钛合金生产工艺冶炼技术：电子束重熔技术，真空冶炼等

2、钛合金的新发展宇航工业：AlloyC是一个新型高温钛合金，使用温度高达650℃

，用于制造发动机的排气管；船舶工业：深海潜水调查船的耐压壳体。近α钛合金

Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo和α+β钛合金TC4；民品工业:电磁烹调器具、网球球拍、高尔夫球头；汽车工业:进、排气阀，目前仅用于赛车和运动汽车；化学工业:反应器、热交换器、吸收塔、冷却器等；医疗领域:骨骼整补等嵌入材料。2023/2/5

钛合金是20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，已成为航天、化工等部门广泛应用的材料α钛合金塑性差，且不能热处理强化.β钛合金主加元素是Cr、Mo、V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α+β钛合金是目前最重要的钛合金。同时加入α稳定元素和β稳定元素，使α和β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合金70％以上。小结2023/2/51．对于α+β两相钛合金，可采用下述热处理方法强化_______。a．再结晶退火b．淬火回火c．淬火时效d．上述方法都不能强化2.根据退火组织，钛合金分为哪三类？3.Ti6Al4V属于哪一类钛合金？合金中Al和V对组织各有何作用？4.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？5.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？6.简述铝和锡在α钛合金中的作用。α稳定型合金是钛与哪些元素形成的合金？2023/2/57.说明下列符号的物理意义TA7；TC4；TB2；8.根据钛合金在退火状态的相组成可分为

，

，

型钛合金，分别以

,

,

表示。9.钛合金淬火时会得到

，

组织。10.

钛合金是发展高强钛合金潜力最大的合金。2023/2/5测试题1．下列是什么钢种？使用状态组织？