材料化学 课件 第九章 钛合金材料制备

高等材料化学第九章：金属材料及制备三、钛合金材料钛合金组织结构钛合金的分类钛合金的热处理钛合金的特性及应用CHINALCO钛及钛合金的发展历史发现于18世纪末。由于化学活性高，提取困难，直到1910年金属钛才被美国科学家用钠还原法(亨特法)提炼出来。1936年卢森堡科学家克劳尔用镁还原法(克劳尔法)还原TiCl4，制得海绵钛，奠定了金属钛生产的工业基础。其技术转让到美国，1948年在美国首先开始海绵钛的工业生产。中国继美、日、前苏联之后，于1958年开始钛的生产。钛及钛合金是20世纪50年代出现的一种新型结构材料。由于其密度小、比强度高、导热系数低、耐高温低温性能好、耐腐蚀能力强、良好的生物相容性等突出特点，现已成为国防工业和国民经济制造业广泛应用的材料。CHINALCO三、钛合金材料钛及钛合金的晶体结构α-Ti钛晶体结构：六方体

钛具有两种同素异构体α及β。α-Ti在882℃以下稳定，具有密排六方结构(HCP)，而β-Ti在882℃～熔点1678℃之间稳定存在，为体心立方结构(bcc)。钛体积质量小（4.51g/cm3)，但比强度高，在-253℃~600℃范围内，钛的比强度是最高的；塑性好，熔点高，但由于同素异构转变和高温下吸气、氧化倾向的影响，它的耐热性为中等，介于铝与镍之间。β-Ti钛晶体结构：立方体CHINALCO三、钛合金材料钛与常见元素（溶质）间的二元相图分类(a)(b)(e)(d)(c)

α稳定元素

β稳定元素

中性元素将钛的合金元素分成三类：中性元素，在α相和β相中均有较大固溶度，对α⇔β相变温度影响不大，如锡、锆等；β相稳定元素，一般是降低β相的转变温度，扩大β相区，如铬、锰、钒等；α相稳定元素，能提高α→β相的转变温度，扩大α相区，如铝和氧、氮等。CHINALCO钛及钛合金相图三、钛合金材料钛合金的分类按组织类型分：Α型（用TA表示）：全α、近α和α+化合物合金。(典型合金：TA7）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Β型（用TB表示）：热力学稳定型β合金、亚稳定β型合金和近β型合金(典型合金：TB2）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α＋β型（用TC表示）：以Ti-Al为基再加适量β稳定元素(典型合金：TC4）

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

应用程度:α+β合金>α合金>

β钛合金α钛金相图β钛金相图α+β钛金相图CHINALCO三、钛合金材料钛合金的制备小型真空自耗炉锻造棒材轧制棒材丝材管材钛合金熔炼方法一般分为：.真空自耗电弧炉熔炼法；非自耗真空电弧炉熔炼法;冷炉床熔炼法;冷埚熔炼法;电渣熔炼法。由于钛合金熔点高(1668°C、化学性质活泼，需要在真空环境下加热到很高的温度，对钛合金熔炼的技术和装备要求高。钛材制备主要包括:海绵钛的破碎精制和电极的压制焊接，采用真空自耗电极法熔炼数次形成钛锭，经锻压开坯、不同的冷热加工及热处理后制得成品。机加工成品钛合金熔炼多次重熔热锻或轧制CHINALCO三、钛合金材料钛合金的热处理退火：用于各种钛合金，是纯钛和α型钛合金的唯一热处理方式工艺：去应力退火、再结晶退火、双重退火、等温退火和真空去氢退火等淬火时效：用于α+β、α+化合物和亚稳定β型钛合金高温淬火β相中所含β稳定元素小于临界浓度，得到马氏体，时效时马氏体分解产生弥散强化；低温淬火β相中所含β稳定元素大于临界浓度，得到亚稳定β＋α，再经时效，β相分解为弥散相使合金强化。化学热处理：渗氮：在氮氩混合气中进行氮化；明显提高合金的耐磨性，同时还改善抗蚀性。渗氧：表面形成富氧固溶体和一薄层氧化物；可将合金耐蚀性提高7～9倍，但塑性和疲劳强度下降。CHINALCO三、钛合金材料钛合金的特性及应用α型钛合金

TA7合：中等强度和较高的耐热性，可在400℃下长期工作。具有良好的低温性能和焊接性能。在-250℃时仍保持良好的塑性。冷热加工性较差。

α型钛合金中性能最佳的为TA15合金，属于近α型钛合金，所以它既具有α型钛合金良好的热强性和可焊性，又具有接近于α-β型钛合金的工艺塑性。TA15合金具有中等的室温和高温强度、良好的热稳定性和焊接性能，钛钢复合反应釜CHINALCO三、钛合金材料钛合金的特性及应用

型钛合金：TB2、TB3、TB5这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，难于焊接,应用受到限制。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。钛合金管钛合金管应用β钛合金眼镜架CHINALCO三、钛合金材料钛合金的特性及应用

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型钛合金可进行热处理强化，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TC4（Ti-6Al-4V），属于(α+β)型钛