钛合金及其应用完整资料课件

钛合金及其应用钛合金及其应用1引言：钛合金的发现和命名1791年，英国矿物学家和化学家WilliamGregor首次发现了钛元素的存在。四年以后，德国柏林化学家MartinKlaproth独立地分解出了氧化钛。希腊神话中Uranos和Gaia的孩子们Titan兄弟的故事赋予了MartinKlaproth灵感，将其命名为钛（Titanium,Ti).Titan兄弟遭到他们父亲的极端憎恨，被监禁在地壳中，MartinKlaproth以此来形容提炼钛矿石的困难程度。后人花了一百多年的时间才分解出纯金属钛。目前使用最广泛的Ti-6Al-4V合金，是在20世纪40年代晚期由美国开发出来的。现在，人们已经开发出了大量的钛合金，从而开辟了轻合金在许多工业领域中得以广泛应用的新局面。引言：钛合金的发现和命名1791年，英国矿物学家和化学家W2目录1钛资源及钛产品的冶炼生产2工业纯钛3钛合金及合金化原理4钛合金的相变及热处理5钛合金的高温性能6钛及钛合金的加工和制品生产7粉末冶金钛及钛合金复合材料8钛及钛合金的腐蚀性能9钛合金的应用目录1钛资源及钛产品的冶炼生产31钛资源及钛产品的冶炼生产1.1钛资源的分布及特点

金属元素钛在地壳里的分布广泛，其含量是地壳质量的4‰还要多一点，世界储量约34亿吨，在所有元素中含量居10位。钛在自然界中主要以氧化物的形式存在，目前已发现含钛矿物有100多种，除金红石外，还有白钛矿、铁钛矿、钙钛矿等。金红石含TiO2在95%以上，是提炼钛的重要矿物原料，但在地壳中储量较少。白钛矿含TiO2为70%～92%。钛铁矿、钙钛矿含TiO2一般为35%～52%，但是其储量非常大，是生产金属钛和钛白粉的主要原料来源。1钛资源及钛产品的冶炼生产1.1钛资源的分布及特点4

提取金属钛的主要原料含钛矿石，根据其形成的过程，主要分为岩矿和砂矿两大类：■岩矿：原生矿，结构比较致密，储量较大，但多复合共生物，所以钛矿物的品味较低，提取难度较大。主要出现在北半球，如：中国，美国，加拿大，俄罗斯等国家。■砂矿：次生矿，结构比较疏松，由于多年的风化和水流的冲刷，矿物相对富集，品味较高。主要出现在南半球，如：澳大利亚，新西兰，肯尼亚，莫桑比亚，印度等国家。需要特别指出的是，我国攀枝花-西昌地区蕴藏着极为丰富的钒钛磁铁矿，开发和合理利用它，对于发展我国的钛工业意义重大。提取金属钛的主要原料含钛矿石，根据其形成的过程51.2富钛料的生产■富钛料：是指铁钛矿等钛精矿（选矿后获得）经过富集处理后获得的含钛品位较高的物料，其TiO2含量一般大于85%（质量分数）。主要包括人造金红石和高钛渣。■背景：钛产品主要分为两类：海绵钛和钛白粉。随着金红石和高品味钛铁矿的大量开采和使用，其资源已逐渐枯竭，而社会对钛产品的需求量有增无减，这迫使人们去利用中、低品位含钛矿物。这些矿物TiO2含量低，含大量杂质，无法适应现行的海绵钛和钛白粉生产工艺，因此，生产中需要将含钛矿物作进一步富集处理，成为富钛料。1.2富钛料的生产■富钛料：是指铁钛矿等钛精矿（选矿后获得6■原理：钛铁矿成分复杂，理论分子式为FeTiO3，它实际上是FeO-TiO2组成的固溶体，属于一般的刚玉结构。在与某种试剂作用时，由于铁的氧化物比钛的氧化物更活泼，更容易与试剂反应而被去除，而钛的氧化物比较稳定，往往被富集在残渣中。基于此，在生产富钛料的工艺中一般都需对钛铁矿进行预氧化处理，即利用氧气或空气预先将钛铁矿中的Fe2+氧化成Fe3+，这样有利于提高钛铁矿的还原性。（见下页，图1-1）■原理：钛铁矿成分复杂，理论分子式为FeTiO3，它实际上是7Ⅰ以火法为主：多见于岩矿，比较成熟，包括电炉熔炼法、选择氯化法、等离子法等；Ⅱ以湿法为主：多见于砂矿，包括各种各样的酸、碱浸出法。■工艺Ⅰ以火法为主：多见于岩矿，比较成熟，包括电炉熔炼法、选择氯化8①电炉熔炼法Ⅰ特点：工艺成熟，简单，三废少，但能耗大。Ⅱ主要工艺：以无烟煤或石油焦作还原剂，与钛铁矿粉经过混捏、造球，然后在矿热式电弧炉内1600～1800℃高温下进行还原熔炼。Ⅲ产物：凝聚态的金属钛和钛渣（TiO2含量＜90%）。主要副产品为金属铁和电炉煤气。①电炉熔炼法Ⅰ特点：工艺成熟，简单，三废少，但能耗大。9②酸浸法Ⅰ特点：有效除杂，但三废量大，副流程复杂。Ⅱ主要工艺：先对钛铁矿进行不同程度的还原，然后用酸作浸出剂，浸出钛铁矿中的还原产物，制取人造金红石。典型发法有石原法、Benilite法、Murso法。Ⅲ产物：TiO2含量为90%～96%的高品位人造金红石。②酸浸法Ⅰ特点：有效除杂，但三废量大，副流程复杂。10③选择氯化法Ⅰ特点：生产过程实现了氯气的再生利用，对废气也进行了再氧化，这样减轻了环境污染，并降低了成本。Ⅱ主要工艺：利用钛铁矿中铁的氧化物更易于与氯气反应，通过条件的控制来实现铁与钛的分离制取TiCl4，以生产人造金红石。Ⅲ产物：人造金红石③选择氯化法Ⅰ特点：生产过程实现了氯气的再生利用，对废111.3钛白粉的生产■钛白粉：化学式TiO2，晶型有锐钛型（A-TiO2）和金红石型（R-TiO2）两种工业产品。它是最好的白色颜料，还是塑料、造纸业的重要原料。■生产方法：①硫酸法：既能生产金红石型钛白粉也能生产锐钛型钛白粉，为传统工艺，废料（硫酸亚铁）处理问题尚未很好解决。②氯化法：只能生产金红石型钛白粉，目前世界上60%以上的钛白粉由此种发法生产，正在不断取代①。1.3钛白粉的生产■钛白粉：化学式TiO2，晶型有锐钛型（12蒸馏塔、反应器、压力容器、热交换器、过滤器、测量仪器、汽轮机叶片、泵、阀、管道、氯碱生产电极、合成塔内衬、其它耐酸设备内衬钛的耐腐蚀性很好，虽然钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大，但是因为钛和氧的亲和力大，在空气或含氧介质中，钛表面生成一层致密、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不受腐蚀，即使受到机械磨损，也会很快自愈或再生，这表明钛是具有强烈钝化倾向的金属。8钛及钛合金的腐蚀性能钛材在中性或酸性的氯化物溶液中有高度的稳定性。3钛合金的分类及牌号化，这就是钛合金淬火时效强化的基本原理。就是以这一阶段的变形速率（=d/dt）表示。Al、V、Mn、Sn等合金元素使钛的耐蚀性因而需限制它们的含量。即使是同一成分,但是冶炼炉次不同的合金,其β相变点有时差异很大(一般差5～70℃).典型发法有石原法、Benilite法、Murso法。(3)β稳定元素:降低Tiβ转变温度的元素,又可分为■斜方马氏体的分解（43种方式）因而需限制它们的含量。电化学电池引起的局部腐蚀现象。它可成形形状复杂的零部件，减少了废料和机械加工损耗；1.4海绵钛的生产①镁热还原法TiCl4和Mg在800-900度真空反应②TiCl4电解法③TiO2电解还原阴极还原驱赶TiO2中的氧蒸馏塔、反应器、压力容器、热交换器、过滤器、测量仪器、汽轮机132工业纯钛（纯度约为99.5%）2.1基本性质■物理性质：纯钛是银白色金属，位于周期表ⅣB族。表2-1钛的基本物理性能数据4.505(20℃),4.35(870℃),4.32(900℃),约为纲的57%比密度/g/cm3相变潜热：3.47KJ/mol,相变温度:882℃,结构:α(hcp),β(bcc)α-TiβTi相变1668±5（属难熔金属）溶化温度/℃0.145原子半径47.9相对原子量数值名称＜0.5超导转变温度／K22.08,只有铁的1/4,是铜的1/7热导率/[W/(m●K)]2工业纯钛（纯度约为99.5%）2.1基本性质表2-114■力学性能：兼有钢（强度高）和铝（质地轻）的优点。高纯钛具有良好的塑性，但杂质含量超过一定时，变得硬而脆。工业纯钛(99.5%)与高纯钛（99.9%）相比强度明显提高，而塑性显著降低。工业纯钛在冷变形过程中，具有极高的冷加工硬化效应，没有明显的屈服点，其屈服强度与强度极限接近。由于钛的屈强比较高，弹性模量小（约为铁的54%），成形时回弹量大，冷成形困难。这使得钛合金能作为弹性材料使用。但是高弹钛合金多属α＋β（或近α）合金，具有六方结构，其物理性能呈现强的各向异性，如弹性模量绕ｃ轴呈对称分布，ｃ轴方向的弹性模量为14313GPa，底面各取向的弹性模量为10414GPa，这对合金的设计和使用有影响。■力学性能：15■化学性能：钛的耐腐蚀性很好，虽然钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大，但是因为钛和氧的亲和力大，在空气或含氧介质中，钛表面生成一层致密、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不受腐蚀，即使受到机械磨损，也会很快自愈或再生，这表明钛是具有强烈钝化倾向的金属。对海水的抗腐蚀性很强。■化学性能：162.2杂质元素对钛性能的影响①O,N,C：提高αβ转变温度，扩大α相区，是稳定α的元素。占据钛原子间隙位置形成间隙固溶体，钛晶格畸变阻碍位错运动，产生固溶强化；同时，钛晶格的c轴增加多，a轴增加少，致使长短轴比c/a增大，当其接近理论值1.633时，钛的滑移系减少，从而塑性降低。因而需限制它们的含量。②Ｈ：是稳定β相的元素钛在400℃以上大量吸氢，会引起氢脆。③Fe,Si：与钛形成置换固溶体，过量时形成脆性化合物。2.2杂质元素对钛性能的影响钛在400℃以上大量吸氢，会引172.3钛的组织与结构特征

纯钛的组织,500×:(a)等轴晶粒组织;(b)条状的α组织;(c)呈锯齿状晶界①等轴晶粒组织:铸锭经加工变形后,在β相变点以下退火,再结晶后得到②条状的α组织:缓冷时得到③呈锯齿状晶界:缓慢冷却退火后或者快冷2.3钛的组织与结构特征纯钛的组织,500×:(a)等轴182.4钛的加工变形特性■纯钛的变形特点变形模式:滑移+孪生.滑移面:{10-10},{10-11},{0001};滑移方向:{11-20}.低温变形和循环变形过程中,孪生显著并对变形起到重要作用,纯钛多晶材料的孪晶系:{10-12}<-1011>,{11-21}<11-26>和{11-2-2}<11-2-3>.2.4钛的加工变形特性■纯钛的变形特点19钛合金及其应用完整资料课件202.5

工业纯钛的牌号及性能■牌号:我国采用的是新国家标准,TA为α型钛合金,数字表示合金的序号,序号增大钛的纯度降低.■性能:工业纯钛实质上是一种低杂质含量的钛合金,其强度不高,塑性好,耐腐蚀性好,抗氧化性优,但耐热性较差.2.5工业纯钛的牌号及性能■牌号:我国采用的是新国家标准,213钛合金及合金化原理3.1钛合金相图类型及合金元素分类■钛合金二元相图(归纳为4类)钛的二元系相图ⅠⅠ:α和β钛形成连续互溶的相图.这种二元系只有两个,即Ti-Zr和Ti-Hf系.Ti,Zr,Hf在周期表中是同周期元素,其外层电子构造一样,点阵类型相同,原子半径相近,故而这两个元素在α和β钛中的溶解能力相同,对α和β钛的稳定性影响不大.Zr常作为热强钛合金的组元,另外Zr的加入可强化α相,目前应用较多.而Hf十分稀缺,尚未应用.3钛合金及合金化原理3.1钛合金相图类型及合金元素分类钛22Ⅱ:与α和β均有限溶解,并且有包析反应的相图.这样的二元系有4个:Ti-V,Ti-Nb,Ti-Ta和Ti-Mo系.

由于V,Nb,Ta,Mo四种金属只有一种体心立方点阵,所以它们只与具有相同晶型的β-Ti形成连续固溶体,而与密排六方点阵的α-Ti形成有限固溶体.V:属于稳定β相的元素,在Ti-V系中无共析反应和金属化合物相,这样,在与加热有关的工艺过程有误时,不致产生脆性.Nb:属于稳定β相的元素,但作为稳定剂的效应比V低很多.Mo:β稳定化效果最大,其添加有效提高了室温和高温强度,同时还使含铬和铁的合金的热稳定性提高.但是Mo熔点高,与钛不易形成均匀合金.钛的二元系相图ⅡⅡ:与α和β均有限溶解,并且有包析反应的相图.这样的二元系有23Ⅲ:与α,β均有限溶解,并且有包析反应的相图.形成这类的二元系有:Ti-Al,Ti-Sn,,Ti-Ca,Ti-B,Ti-C,Ti-N,Ti-O等.钛的二元系相图ⅢⅣ:与α,β均有限溶解,并且有共析分解的相图.形成这类相图的二元系有:Ti-H,Ti-Cr,Ti-W,Ti-Fe等.钛的二元系相图ⅣⅢ:与α,β均有限溶解,并且有包析反应的相图.形成这类的二元24■合金元素分类α稳定元素:能提高β相变温度的元素,它们在周期表中的位置离Ti较远,与钛形成包析反应.这些元素的电子结构,化学性质与钛的差别较大.如:Al.

■合金元素分类25(2)中性元素:对Ti的β元素转变温度影响不明显的元素,如Zr和Sn(2)中性元素:对Ti的β元素转变温度影响不明显的元素,如26(3)β稳定元素:降低Tiβ转变温度的元素,又可分为①β同晶元素:如V,Mo等,在周期表上的位置靠近Ti,具有与β-Ti相同的晶格类型,能与β-Ti无限互溶,而在α-Ti中溶解度有限.②β共析元素:如Mn,Fe,Si,Cu等,在α和β钛中具有有限溶解度,但在β钛中的溶解度大于在α钛中的,以存在共析反应为特征.(3)β稳定元素:降低Tiβ转变温度的元素,又可分为①273.2合金元素对钛合金组织结构和性能的影响①起固溶强化作用.提高室温抗拉强度最显著的是Fe,Mn,Cr,Si.②升高或降低相变点,起稳定α相或β相的作用.③添加β稳定元素,增加合金的淬透性,从而增强热处理强化效果.④Al,Sn,,Zr有防止ω脆性相形成的作用;稀土可抑制α2相析出;β同晶元素有组织β相共析分解的作用.⑤Al,Si,Zr,稀土元素等可改善合金的耐热性.⑥Ru,Pd,Pt等提高合金的耐蚀性和扩大钝化范围.3.2合金元素对钛合金组织结构和性能的影响283.3钛合金的分类及牌号■分类Ⅰ按退火组织分为：①α钛合金：退火组织以α钛为基体的单相固溶体的合金。高温性能好，组织稳定，焊接性能好，是耐热Ti合金的主要组成成分，但常温强度低，塑性不够高。②β钛合金：含β稳定元素较多的合金。目前工业上应用的β合金在平衡状态均为（α+β）两相组织，但空冷时，可将高温的β相保持到室温，得到全β组织。其塑性加工性能好，是发展高强度合金的基础，但组织不够稳定，冶炼复杂。③α+β钛合金：退火组织为α+β相的合金。常温强度高，中等温度的耐热性也不错，但组织不稳定，焊接性能良好。是当前应用最多的钛合金。Ⅱ按性能特点分类：可分为低强，中强，高强，低温，铸造及粉末冶金钛合金等。3.3钛合金的分类及牌号■分类29■牌号■牌号30钛合金及其应用完整资料课件31钛合金及其应用完整资料课件324钛合金的相变及热处理■引言：钛合金中可以发生多种固态相变，不同的相变导致形成不同的组织，而组织决定性能。故而了解和掌握合金中的相变规律意义重大。4.1同素异晶转变其是钛合金中各种相变的基础。纯钛的βα转变过程容易进行，相变是以扩散方式完成的。当冷却速度大于200℃/S时，以无扩散发生马氏体转变，试样表面出现浮凸，显微组织中出现针状α′。具体相变过程可用图4-1说明。4钛合金的相变及热处理■引言：钛合金中可以发生多种固态相变33钛合金及其应用完整资料课件34与铁的同素异晶相比，钛和钛合金的同素异晶转变具有下列特点。①新相和母相存在严格的取向关系，如在冷却过程中，α相以片状或针状有规则的析出，形成魏氏组织。②由于β相中原子扩散系数大，钛合金的加热温度超过相变点后，β相的长大倾向特别大，极易形成粗大晶粒。③钛及钛合金在β相区加热造成的粗大晶粒，不能像铁那样，利用同素异晶转变进行重结晶使晶粒细化。这是因为钛的两个同素异晶体的比容差小，仅为0.17%，而铁的同素异晶体的比容差为4.7%，同时钛的弹性模量小，在相变过程中不能产生足够的形变硬化，不能使基体相发生再结晶。另外，钛进行同素异构转变时，各相之间具有严格的晶体学取向关系和强烈的组织遗传性。与铁的同素异晶相比，钛和钛合金的同素异晶转变具有下列特点。354.2β相在冷却的转变钛合金加热到β相区后，自高温冷却时，根据合金成分和冷却条件不同，可能发生下列转变：βα+β；βα+TixMy；βα′或α″，βω4.2β相在冷却的转变钛合金加热到β相区后36■β相在快冷过程中的转变①马氏体相变：◆产物：α′和α″。α′：具有六方过渡晶格的过饱和固溶体，称六方马氏体。马氏体α′的硬度只略高于α固溶体。（β相稳定元素少，相变阻力小）α″：具有斜方晶格的马氏体，称斜方马氏体，当合金中出现α″时，合金的强度、硬度、特别是屈服强度明显下降。（β相稳定元素含量高，相变阻力大）◆过程：在快速冷却过程中，由于β析出α相的过程来不及进行，但是β相的晶体结构，不易为冷却所抑制，仍然发生了改变。这种原始β相的成分未发生变化，但晶体结构发生了变化的过饱和固溶体是马氏体。■β相在快冷过程中的转变①马氏体相变：37◆β，α′，α″相的晶体结构之间的关系如下图所示。◆β，α′，α″相的晶体结构之间的关系如下图所示。38②ω相变◆产物:ω相,具有六方结构，尺寸很小，在电镜下才能看见，高度弥散。ω相硬度很高，脆性极大，位错不能在其中移动，能显著提高合金的强度，硬度，弹性模量，但使塑性急剧下降。②ω相变39◆过程：主要受合金成分和热处理工艺的影响.当合金中元素的含量在临界浓度附近时,快速冷却,将形成ω相.

稳定元素超过临界浓度的合金,淬火时不形成ω相,但可得到亚稳定相,亚稳定相在500℃以下回火转变为ω相,称为回火ω相.回火过程中,亚稳定的相内部发生溶质原子偏聚,使许多显微区域溶质原子富集,相邻的区域则贫化.继续加热时,贫化区的浓度接近临界浓度时即转变为ω相.

ω的转变是无扩散型相变,极快的冷速也不能抑制其进行.◆过程：主要受合金成分和热处理工艺的影响.当合金中元素的含量40③过冷亚稳相当稳定元素含量较高时，淬火後保留结构，称为′相，实际上是过冷相。即固溶处理。■β相在慢冷时的转变

对钛合金相变影响最大的是β稳定元素。右图示意地表示了Ti-β同晶元素相图。相图中的t0点为纯钛的同素异构转变温度。若相图原点不是纯钛而是钛合金，则t0扩展为一个温区。

α相的析出过程是一个形核和核长大的过程,形核的位置,晶核数量,长大速率与合金的成分及过冷条件有关.图4-13③过冷亚稳相■β相在慢冷时的转变对钛合金相变影41■钛合金的亚稳相图①退火温度及合金成分决定淬火后的组织.图4-9

图中,成分为x的合金,分别在tp,tq,tr温度下退火,然后经淬火得到的室温组织各不相同.■钛合金的亚稳相图①退火温度及合金成分决定淬火后的组织.图42

将不同成分的合金自不同温度淬火所得的组织类型如下如图4-14所示,根据此图可以预测任何成分的合金自任何温度淬火所得的组织.图4-14②不同的组织对应了不同的性能.

右图中第一个峰显示合金中有马氏体′生成,第二峰显示合金中有ω相生成.图4-15将不同成分的合金自不同温度淬火所得的组织类型如434.3相的共析转变和等温转变■共析转变①反应形式:钛与共析元素(如:Cr,Mn,Fe,Ni,Cu,Si,Co等)组成的合金系,在一定成分和温度范围内发生共析反应,即+TixMy②产物组织:类似于钢种的珠光体片层状组织.③共析反应速度:合金元素的影响:Ti与Si,Cu,Ag等活性共析元素组成的合金系,共析反应容易进行且反应极快,淬火都不能抑制其发生;而Ti与Mn,Fe,Cr等非活性共析元素组成的合金系,共析反应极慢.杂质元素的影响:与-Ti形成间隙固溶体的元素O,N,C降低相的稳定性,加快过冷相的分解过程;与-Ti形成间隙固溶体的元素H,阻碍过冷相分解.④共析转变对合金性能的影响:对塑性和韧性十分不利,并降低合金热稳性.4.3相的共析转变和等温转变■共析转变①反应形式:钛与44■等温转变C曲线①类型:分为高温和低温(＜450℃)两部分,产物不同图4-16■等温转变C曲线图4-1645②作用:近似的判断连续冷却时合金的组织转变过程和最终得到的组织图4-17图4-18②作用:近似的判断连续冷却时合金的组织转变过程和最终得到的组46③影响C曲线形状和位置的因素:合金元素:随着加入的稳定元素含量的增加,C曲线向右下方移动;若加入稳定元素(Al,O,N)则促使相形核,加速相的分解,C曲线左移.塑性变形:有利于相在滑移带上析出,加速相分解,C曲线左移.4.4时效过程中亚稳定相的分解钛合金淬火形成的亚稳相α′、α″、ω和过冷β相，在热力学上是不稳定的，加热时会发生分解，最终的分解产物均为平衡组织α+β。若合金有共析反应，则最终产物为α+TixMy，即③影响C曲线形状和位置的因素:4.4时效过程中亚稳定相的分47

在时效分解的一定阶段，可以获得弥散的α+β相，使得合金产生弥散强化，这就是钛合金淬火时效强化的基本原理。①马氏体的分解过程■六方马氏体α′的分解（3种方式）α′β+α：含β同晶元素的钛合金。

α′过渡相α+TixMy：含活性共析元素的钛合金，分解过程与铝合金时效分解类似，整个过程中发生明显的沉淀硬化效应。(3)α′ββ+TixMy：含非活性共析元素的钛合金，分解过程十分缓慢。■斜方马氏体的分解（43种方式）不同成分及状态的合金，其分解的具体过程不同。

α″β亚+α″

贫β亚+α′β+α

α″α+α″富β亚+αβ+α

α″α″富+α″

贫β亚+α″

贫β+α

在时效分解的一定阶段，可以获得弥散的α+β相，48②ω相的分解

ω相实际上是β稳定元素在α-Ti中一种过饱和固溶体，其在回火时发生的分解过程与上述α″的分解过程基本相同。α相在原来β晶界和ω/β相界上不均匀形核，长大并吞食ω相。

ω相先溶解，然后从β相中析出α相。延长实效时间或提高实效温度，ω相逐渐失去稳定性而直接转变为α相或α′相。③亚稳β相的分解β亚β+α：合金浓度较低的合金在高温（＞500℃）时效。β亚ω′+βω′+β+αβ+α：合金浓度较高的合金在低温（300～

400℃）时效。(3)β亚β′+ββ′+β+αβ+α：对合金浓度高或添加抑制ω形成元素

的合金。②ω相的分解③亚稳β相的分解49由于平衡的α相是在β相的溶质原子贫化区的位置上形核析出，而溶质原子贫

化区均匀的分布在整个基体上，所以利用低温回火细化或控制合金的组织，改善合金的力学性能。

时效过程中形成的过渡相ω，结构与性能与淬火形成的ω相相似，但是其转变伴随着成分的变化，属于扩散型相变。由于平衡的α相是在β相的溶质原子贫化区的位置上形核析出，而溶504.5钛合金的热处理及其对性能的影响钛合金的热处理基础大多数钛合金只是通过热处理控制β→α相变,合金成分,特别是β相稳定元素含量以及冷却速度,对β相变有重要影响.■转变温度和冷却速度对相变产物的影响:TTT曲线如右图所示,不同的转变温度T1,T2,T3对应的转变过程不同;不同的冷却速度对应的相变过程和产物也有差别.①慢冷:β→α+β,相变产物为片层状魏氏组织;②快冷:逐步由β→α+β→α+β+ω过渡到β→β+ω;含有较高β稳定元素的合金易得到网篮状组织.③再增加冷却速度:亚稳β

相或β→α马氏体相变图4-194.5钛合金的热处理及其对性能的影响钛合金的热处理基础图451钛合金热处理的特点概括如下:马氏体相变不引起合金的显著强化.这个特点与钢的马氏体相变不同.钛合金的热处理强化只能依赖淬火形成的亚稳相的时效分解.

应尽量避免生成ω相.形成ω相会使合金变脆,正确选择失时效工艺(如采用高一些的时效温度),即可使ω相平衡分解.

同素异构转变难于细化晶粒.

导热性差.

化学性活泼.钛合金易与氧和水蒸汽反应,在工件表面形成具有一定深度的富氧层或氧化皮,使合金性能破坏.钛合金热处理时容易吸氢,引起氢脆.

β相变点差异大.即使是同一成分,但是冶炼炉次不同的合金,其β相变点有时差异很大(一般差5～70℃).这是制定工件加热温度时要特别注意的.

在β相区加热时β晶粒长大倾向大.β晶粒粗化可使塑性急剧下降,故应严格控制加热温度与时间,并慎用在β相区加热的热处理.以上特点,在钛合金热处理工艺的制定与实施过程中必须给与充分的注意.钛合金热处理的特点52在不同的加热,冷却条件下,钛合金中出现各种相变,得到不同的组织.图4-22图4-23图4-25在不同的加热,冷却条件下,钛合金中出现各种相变,得到不同的组53就是以这一阶段的变形速率（=d/dt）表示。目前使用最广泛的Ti-6Al-4V合金，是在20世纪40年代晚期由美国开发出来的。■背景：钛产品主要分为两类：海绵钛和钛白粉。这是因为钛的两个同素异晶体的比容差小，仅为0.随着金红石和高品味钛铁矿的大量开采和使用，其资源已逐渐枯竭，而社会对钛产品的需求量有增无减，这迫使人们去利用中、低品位含钛矿物。由于钛的屈强比较高，弹性模量小（约为铁的54%），成形时回弹量大，冷成形困难。②点蚀：金属表面上个别有限部位迅速溶解并向深处发体外取结石钛镍记忆合金医疗器械9%）相比强度明显提高，而塑性显著降低。α″α″富+α″贫β亚+α″贫β+α提取金属钛的主要原料含钛矿石，根据其形成的过程，主要分为岩矿和砂矿两大类：(3)β稳定元素:降低Tiβ转变温度的元素,又可分为但是Mo熔点高,与钛不易形成均匀合金.主要出现在北半球，如：中国，美国，加拿大，俄罗斯等国家。②条状的α组织:缓冷时得到8钛及钛合金的腐蚀性能稳定元素超过临界浓度的合金,淬火时不形成ω相,但可得到亚稳定相,亚稳定相在500℃以下回火转变为ω相,称为回火ω相.目的是消除内应力,提高塑性及稳定组织.②作用:近似的判断连续冷却时合金的组织转变过程和最终得到的组织钛合金的热处理种类■理论基础:钛合金的相变■强化热处理机理:固溶相的弥散分布■种类:退火,时效,化学热处理,形变热处理等①退火目的是消除内应力,提高塑性及稳定组织.常见的退火方式有去应力退火,再结晶退火,双重退火,真空去应力退火等.图4-26就是以这一阶段的变形速率（=d/dt）表示。钛合金的热54表4-2表4-3表4-2表4-355②淬火时效利用相变产生强化效果,又称强化热处理.影响热处理强化效果的因素主要有合金成分,热处理工艺和原始组织.图4-27图4-28②淬火时效图4-27图4-2856表4-4表4-5表4-4表4-557③形变热处理对工件进行形变使合金强化,将变形和热处理结合起来的工艺.图4-29表4-6表4-7③形变热处理图4-29表4-6表4-758图4-32图4-3259④化学热处理为了改善钛合金的那腐蚀性能,可采用电镀,喷涂和化学处理的方法.化学处理包括渗N,渗C,渗B,渗金属等钛合金的化学热处理与钢的化学热处理类似.即采用一定的方法,将待渗元素转变成活性原子或离子状态,在热能或电场的作用下,相工件表面渗透,并扩散至一定的深度,形成一定厚度的渗层,提高合金表面的硬度,耐磨性和耐蚀性.⑤钛合金在热处理过程中的污染问题钛合金在热处理过程中,当温度高于550～600℃以后,H,O,N,C等间隙元素极易渗入金属表层.O,N渗入后可形成渗层,提高金属的耐磨性,但使材料的塑性和疲劳强度下降,多用作耐磨零件使用.其他用途的零件,表面渗入H,O,N等元素后形成污染层.④化学热处理605钛合金的高温性能5.1金属高温蠕变现象■蠕变和蠕变断裂蠕变：金属在长时间的恒温，恒应力（即使应力小于该温度下的屈服强度）作用下缓慢的产生塑性变形的现象。蠕变断裂：由蠕变导致的断裂■高温材料的力学性能约比温度：T/Tm（T为实验温度，Tm为金属熔点，均采用热力学温度）。当

T/Tm＞0.5时，为”高“温，反之为”低“温。力学性能：在高温金属力学行为的一个重要特点就是发生蠕变。对于不同的材料，在相同的约比温度下，其蠕变行为相似，因而力学性能的变化也是相同的。5钛合金的高温性能5.1金属高温蠕变现象61■蠕变曲线金属的蠕变过程可用蠕变曲线来描述，典型的蠕变曲线如下图所示。曲线可分为3段：①ab段：过渡蠕变阶段，这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间的延长，蠕变速率逐渐减小，到b点蠕变速率达最小值。②bc段：稳定蠕变阶段，这一阶段蠕变速率几乎保持不变，通常所值的蠕变速率，就是以这一阶段的变形速率（=d/dt）表示。③cd段：加速蠕变阶段，随时间的延长，蠕变速率逐渐增大。至d点发生断裂。图5-2■蠕变曲线图5-262同一种材料在不同条件下的蠕变曲线是不同的，随应力大小和温度的高低而异。图5-3同一种材料在不同条件下的蠕变曲线是不同的，随应力大小和温度的63■应力松弛对于在高温下工作并依靠原始弹性变形获得工作应力的机件，如高温管道法兰接头的紧固螺栓，用压紧配合固定于轴上的汽轮机叶轮等，可能随着时间的延长，在总变形量不变的情况下，弹性变形不断的转变为塑性变形，从而使工作应力逐渐降低，以致失效，此种现象称为应力松弛。可以将应力松弛现象视为应力不断减小条件下的一种蠕变过程，这两者的本质是一样的，只是由于外界条件不同而有不同的表现。■应力松弛645.2钛合金高温变形时的微结构演变■高温钛合金热处理主要方式①β处理：在β转变点以上进行，所得组织为粗大原始β晶粒内部析出一定取向的α片。称为魏氏组织。②α+β处理：在α+β两相区进行，所得组织为细等轴初生α相，分布在转变β相基体中，也称等轴组织。③近β锻造：在相变点以下10～15℃加热，变形。变形后快淬的锻件经两次高温加一次低温的强韧化处理，其组织由一定数量的等轴初生α，条状α构成的网篮和转变β基体组成，称为三态组织。5.2钛合金高温变形时的微结构演变65■高温条件下钛合金的组织对于变形行为有重要影响。表5-1图5-4■高温条件下钛合金的组织对于变形行为有重要影响。表5-1图566图5-5图5-6图5-5图5-667图5-8图5-9图5-8图5-9685.3钛合金的高温性能及影响因素■晶粒尺寸的大小以及α相的体积分数对高温变形的影响显著表5-35.3钛合金的高温性能及影响因素■晶粒尺寸的大小以及α相的69图5-12图5-13图5-12图5-1370■变形温度及变形速度对钛合金显微组织的影响。图5-16图5-17■变形温度及变形速度对钛合金显微组织的影响。图5-16图5-71■不同蠕变条件下的显微组织观察图5-21图5-18■不同蠕变条件下的显微组织观察图5-21图5-18725.4我国高温钛合金的研究进展

国内研制高温钛合金与国外有较大差距，尤其是在应用方面。国内500℃以上高温钛合金品种虽多，但目前得到实际应用的只有Ti53311S合金，多数是实验室或半工业试制性的结果。5.4我国高温钛合金的研究进展国内研制高温钛合金736钛及钛合金的加工和制品生产6.1钛合金铸锭的制备■钛及钛合金铸锭熔炼方法图6-16钛及钛合金的加工和制品生产6.1钛合金铸锭的制备■钛及74表6-1表6-175■钛及钛合金铸锭制备过程中的问题①铸锭的均匀性：易发生宏观和微观偏析。②外在夹杂：高密度夹杂和低熔点夹杂。④残料的回收熔化：采用消耗电极渣壳熔化方法，可使使用返回料大100%。6.2钛及钛合金的铸造钛合金难熔且化学性质活泼，在熔融状态下能与几乎所有的耐火材料和气体反应，大大增加了铸造的困难。铸钛的造型材料应具有：高的化学惰性，高的耐火度和抗热冲击性能，材料均匀细致，对水分和气体的吸附能力小，导热性能低，价格低廉和无毒等特点。■钛及钛合金铸锭制备过程中的问题6.2钛及钛合金的铸造76表6-2表6-277■熔炼铸造方法：主要有自耗电极真空凝壳熔炼和感应加热熔炼。图6-2■熔炼铸造方法：主要有自耗电极真空凝壳熔炼和感应加图6-2786.3钛及钛合金的锻造■锻造温度对组织性能的影响

锻造温度以β相变点以上50～150℃的β区域内进行粗缎，在低于β相变点50～150℃的α+β区域进行精椴。表6-96.3钛及钛合金的锻造表6-979

锻造温度对α+β钛合金的室温性能和β晶粒尺寸的影响见右图。图6-10

锻造温度对α钛合金的室温塑性和晶粒尺寸有类似的影响。图6-11锻造温度对α+β钛合金的室温性能和β晶粒尺寸的影响80■钛合金的锻造工艺特点①变形抗力大②导热性差③黏性大，流动性差■钛合金锻造的分类钛合金的锻造可分为开坯锻造，自由锻造，模锻，旋锻，等温模锻，冷模锻等。图6-15■钛合金的锻造工艺特点■钛合金锻造的分类图6-15817粉末冶金钛及钛合金复合材料7.1粉末冶金钛钛材加工生产工艺复杂，成材率较低，成产过程中产生大量残钛。而粉末冶金钛工艺流程短，可直接制取成品或接近成品尺寸的零件，能大幅降低钛制件成本。此外，有些钛制品，如难溶氧化物弥散钛合金，高镁含量的钛合金，高难溶粗粉的钛合金，储氢钛合金和快速冷凝钛合金等，只能用粉末冶金工艺制造。7粉末冶金钛及钛合金复合材料7.1粉末冶金钛82表7-1表7-183■钛粉末冶金制品的应用

钛粉末冶金制品应用广泛，涉及许多领域以及国民经济的各个部门。

钛多孔过滤材料：由于既具有一般金属过滤材料的强度高，过滤精度高，耐高温，体积小，易再生等优点，又具有优异的耐蚀性，因而在化工，冶金，电力，食品，饮料，医疗和环保等部门得到了广泛应用

钛多孔过滤器■钛粉末冶金制品的应用钛粉末冶金制品应用广泛，涉及许847.2钛基复合材料

钛基复合材料（TMC）具有比钛合金更高的比强度和比模量，极佳的疲劳和蠕变性能，以及优异的高温性能和耐蚀性能。它克服了原钛合金耐磨性及耐燃性差，弹性模量低等缺点；它可成形形状复杂的零部件，减少了废料和机械加工损耗；TMC可用作高温，高压，酸，碱，盐等条件下的结构材料，并大幅度的降低了成本，故被认为是能够改变钛性能和扩展材料应用的一代新材料。图7-27.2钛基复合材料图7-285表7-2■分类：按照增强剂特征，分为纤维增强钛基复合材料和颗粒增强钛基复合材料。表7-3表7-2■分类：按照增强剂特征，分为纤维增强钛基复合材料和表86■钛基复合材料的制备表7-4■钛基复合材料的制备表7-487表7-5表7-588图7-5图7-5898钛及钛合金的腐蚀性能8.1工业纯钛腐蚀原理工业纯钛耐蚀原理在大气和水溶液中，钛表面会形成一层保护很好的氧化膜，使之处于钝态，为防止其他元素进入钛基体提供了有效的保护。钛的耐腐蚀性能■钛在氯化物及有机介质中的耐腐蚀性能钛材在中性或酸性的氯化物溶液中有高度的稳定性。钛在湿氯气中的耐蚀性超过其他常用金属。8钛及钛合金的腐蚀性能8.1工业纯钛腐蚀原理90表8-1表8-191■钛在酸溶液中的耐腐蚀性能在稀盐酸、硫酸、和磷酸中，钛溶解的比铁缓慢得多。随着浓度的增加，特别是在温度升高时，钛溶解的速度显著加快。■钛在碱中的耐腐蚀性能在稀碱溶液（浓度低于20%）中，钛是稳定的；在较浓的碱溶液中，特别当加热时，它缓慢地作用放出氢并生成钛酸盐。表8-2表8-292影响钛耐腐蚀的因素■杂质的影响：Fe，O，C，N，Si等杂质对钛的耐腐蚀性能有影响，其中Fe的影响尤为显著。■热处理的影响：热处理工艺不同对钛的耐蚀性也有很大影响■加工工艺的影响：多数情况，加工制造工艺对钛的均匀腐蚀不发生明显的影响，但是某些加工使金属的内应力增加或导致组织变化，在一定的环境中会引起钛腐蚀速率提高。■合金元素的影响：在还原性的酸中（如：盐酸，硫酸），

Al、V、Mn、Sn等合金元素使钛的耐蚀性降低。而在硝酸这类氧化性酸中，合金元素的影响较小。影响钛耐腐蚀的因素938.2钛及钛合金的腐蚀形态①缝隙腐蚀：在构件缝隙处，由于电介质的滞流形成某种电化学电池引起的局部腐蚀现象。②点蚀：金属表面上个别有限部位迅速溶解并向深处发展，而表面其他部位仍处于钝化状态。易发生在有缝隙的部位。③应力腐蚀：金属在应力和腐蚀介质的同时作用下，往往在明显低于材料屈服强度和表现很小延性时突然断裂。8.2钛及钛合金的腐蚀形态94④电偶腐蚀：异种金属在电解液中接触时，由于稳定电位不同引起的腐蚀现象。⑤吸氢和氢脆：钛合金容易吸氢，少量吸氢即可导致材料脆化。⑥高温腐蚀：高温降低钛的耐腐蚀性能。⑦磨损腐蚀：由于腐蚀流体和金属表面间的相对运动引起金属的加速破坏或腐蚀现象。④电偶腐蚀：异种金属在电解液中接触时，由于稳定电位959钛合金的应用

使用部门用途航空工业

飞机机身和蒙皮、发动机、尾锥、喷管、弹射舱、防火壁、夹层结构机身机架、连结件和其它零件

宇宙航行工业

飞船的液体燃料贮箱、高压容器、船舱、蒙皮、结构骨架、制动火箭主起落架

火箭、导弹高压容器、液体燃料贮箱、外壳、喷嘴、火箭发动机

其它

原子能反应堆的结构材料、坦克天窗、炮筒和轻便常规武器等航空部门的应用9钛合金的应用

使用部门用途飞机机身和蒙皮、发动机、尾锥、96荷兰公司为F-16开发的钛合金起落架

飞机活动腹鳍前接头飞机发动机中国第一座原子反应堆回旋加速器荷兰公司为F-16开发的钛合金起落架飞机活动腹鳍前接头飞机97飞机钛合金接头飞机钛合金接头98化工部门的应用使用部门用途石油化工反应器、压力容器、热交换器、分离器配管、蒸馏塔顶凝缩器内衬等

化学工业

蒸馏塔、反应器、压力容器、热交换器、过滤器、测量仪器、汽轮机叶片、泵、阀、管道、氯碱生产电极、合成塔内衬、其它耐酸设备内衬

纺织工业

连续漂白机、蒸馏塔、反应槽、冷凝器、热交换管、离心分离机、喷丝头、阀、泵

造纸工业搅拌器、漂白塔、加热锅、反应塔配管

化工部门的应用使用部门用途石油化工反应器、压力容器、热交换器99使用部门用途海水淡化和发电厂热交换器、冷凝器、供水加热器、管道、其它接触海水的设备冶金工业炼钢吸气剂、合金添加剂、超导合金材料、电解高纯金属（如钠、镍、钴）的阴极板和电镀槽等

舰艇工业舰艇外壳、甲板、阀、翼、快艇推进器、传动轴、蒸汽机、深潜艇压力舱、开发海洋设备使用部门用途海水淡化和发电厂热交换器、冷凝器、供水加热器、管100化工泵钛螺旋管钛合金石油测井仪器钛合金的料架和料盘化工泵钛螺旋管钛合金石油测井仪器钛合金的料架和料盘101医药领域医疗器械心脏瓣膜牙科整形外科骨折手术医药领域医疗器械102医疗器械矩形钛质颈椎椎间融合器

旋转镍钛器械体外取结石钛镍记忆合金医疗器械钛镍记忆合金医用缝合线钛镍记忆合金肠道吻合器医疗器械矩形钛质颈椎椎间融合器103心脏瓣膜薄