材料化学 课件 第九章 钛合金材料制备、铝合金、铜合金

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

+

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)型钛合金，具有比强度大。热稳定性好，耐蚀性优异，生物相容性好，良好的综合力学机械性能，被誉为王牌钛合金，用于制造飞机机身、机翼零件和发动机叶片和紧固件等，是目前应用最广泛的钛合金，其用量占钛合金总消耗量50％左右。CHINALCO三、钛合金材料高等材料化学第九章：金属材料及制备金属材料及制备总述铝合金材料

铜合金材料钛合金材料CHINALCO一、总述CHINALCO铝合金材料

铝合金材料的分类变形铝合金的制备铸造铝合金铜合金材料铜的特性铜合金材料的分类高强高导铜合金及应用钛合金材料钛合金材料的分类钛合金的制备钛合金的应用一、铝合金材料铝合金材料的分类

变形铝合金的制备航空铝合金的发展历程7050铝合金预拉伸厚板2024铝合金材料的发展铸造铝合金CHINALCOCHINALCO铝是一种轻金属，地壳中含量近8.2%位列全部化学元素含量的第三位，列全部金属元素含量的第一位，产量及消费仅次于钢铁。自然界已知的含铝矿物有258种，其中常见的约43种，用于提炼金属铝的主要是一水硬铝石、一水软铝石或三水铝石组成的铝土矿。Hall-Héroult电解槽1807年：英国H·维达用电化学法分离明矾时发现铝的存在。1825年：丹麦化学家奥斯德用电化学法分离出铝。1886年：霍尔[美]及埃鲁[法]用电解法生产金属铝（霍尔－埃鲁工艺：用碳质阳极电解熔于熔融Na3AlF6中的Al2O3来制取铝）1901年，AlfredWilm发现了铝合金的时效硬化现象1908年，Wilm获得了“杜拉铝”铝合金材料的分类Cu、Mg、

Zn、Si、MnLα+β工业纯铝：密度2.72。导电、导热性好，抗蚀性好，塑性高。Al-Mg、Al-Mn系：不可热处理强化耐腐蚀性能良好合金化

固溶强化细化组织强化时效强化第二相强化基本过程：GP→θ″→θˊ→θ。条件：Me能溶入α；随T↓而固溶度↓↓；析出相强化作用大。铸造铝合金：Al-Si，ZL104铸造、机械性能良好Al-Cu，ZL201耐热，易腐蚀Al-Zn，ZL402强度高，易腐蚀，便宜Al-Mg,ZL301强度、塑性高，耐腐蚀，铸造时易氧化

可热处理强化特点：无同素异构转变；固溶处理和时效强化Al-Cu-Mg系强度比较高，耐热性好，抗蚀性差淬火温度窄，要求冷速快，转移时间短Al-Zn-Mg-Cu系强度高，耐热性、抗蚀性差。热处理：淬火温度较宽Al-Mg-Si-Cu系锻造性好采用人工时效CHINALCO变形Al合金：加热形成单相固溶体，塑性好。

铸造Al合金：冷却时发生共晶反应，适于铸造生产。一、铝合金材料变形铝合金的制备CHINALCO坯料制备大吨位、高自动化熔体净化，变质处理先进铸造技术铝液直接合金化板带材轧制型棒材挤压单动、双动正向、反向；锻造自由锻和模锻等温模锻、精密模锻热轧和冷轧；单机架，多机架板材生产带材生产二、铝合金材料航空铝合金的发展CHINALCO中铝集团实现了第三代、第四代高强韧铝合金及第三代铝锂合金材料的关键技术突破；成功研制出直径10米级超大型整体铝合金环件。第一代高静强度第二代高强度、耐腐蚀第三代高强度、高韧、耐腐蚀（高纯）第四代高强、高韧、耐腐蚀、耐疲劳、高损伤容限等综合性能强度需求析出强化技术7075-T6，2024-T3耐蚀性能需求过时效热处理技术7075-T73，7475-T76高强韧/耐蚀性能高纯化与Zr微合金化7050-T74，2124、2324综合性能不降低的高比强/大规格精密热处理及合金成分精确控制7150/7055T77二、铝合金材料7050铝合金预拉伸厚板CHINALCO典型的Al-Zn-Mg-Cu可热处理强化变形铝合金保持高强度同时，具有较好的断裂韧性和抗应力腐蚀性能淬透性好，可用于制备大规格厚截面制品广泛用于飞机机身框、梁、肋、地板梁等一、铝合金材料原铝锭熔化除渣成分调整除渣过滤和除气铸造7050铸锭铣面均质化热轧固溶处理时效处理水浸探伤加热预拉伸7050厚板CHINALCO7050厚板制备流程图铸造成型、组织控制除气除渣双级固溶，提高断裂韧性消除残余应力组织缺陷检查二、铝合金材料2024铝合金材料的发展CHINALCO2000系合金的典型代表，广泛用于各种航空航天蒙皮、结构件。中等强度热处理强化合金。T3状态下断裂韧性高，裂纹扩展速度低。抗蚀性不够好，会产生晶间腐蚀，一般采用包铝处理。目前性能最好2524，韧性和抗疲劳性能均较2024合金有重大改进。组成相主要有α相，θ和β二元相，还有S和T两个三元相。其中：θ相和S相为主要强化相。2024铝合金通过降低Fe和Si杂质含量,提高合金纯度和冶金质量,发展了系列改进牌号,如2124,2224,2324、2524等。合金纯净化和微合金化理论和技术推动了第三、第四代中强高韧耐损伤抗疲劳铝合金的发展。

二、铝合金材料铸造铝合金CHINALCO铸造铝合金铝锌系合金铝镁系合金铝铜系合金铝硅系合金制造致密度要求不高、形状复杂铸件。如ZL105，ZL111。较高温度下工作的高强零件，如内燃机汽缸头、汽车活塞等。制造承受冲击振动载荷和耐海水或大气腐蚀、外形简单的重要零件。制作工作温度在200℃以下，形状复杂的零件。材料配方是关键核心；模具的强度及韧性要求高。全工艺要素高要求一体化压铸铝合金二、铝合金材料高等材料化学第九章：金属材料及制备二、铜合金材料铜的基本特性铜合金材料分类

紫铜

黄铜

青铜

白铜

高强高导铜合金及应用高速铁路接触线铜合金引线框架铜合金弥散强化无氧铜CHINALCO铜是人类最早使用的金属；铜在地壳中含量约为0.01％，个别铜矿床中铜含量可以达到3－5％；铜矿石经选矿成为含铜品位较高的铜精矿，铜精矿经反射炉熔炼→转炉吹炼→火法精炼→电解精炼。CHINALCO反射炉造锍熔炼冰铜转炉吹炼空气废渣（20~40%Cu）SO2烟气H2SO4焙烧石英石空气烟气（含SO2）制粗铜火法精炼转炉渣（98~99%Cu）电解精炼电铜阳极泥（提取金、银、硒、碲）（99.99%Cu）精铜

（99.3~99.6%Cu）铜精矿二、铜合金材料（一）基本特性CHINALCO二、铜合金材料（一）基本特性优良的功能结构一体化材料高的导电、导热性、耐蚀、抑菌；强度、硬度、延伸易加工成形，可焊广泛用于电力、电子通信、日用消费、机械制造、交通运输等领域铜合金的发展方向充分发挥铜的电、热性能；在铜中添加Zn、Sn、Al、Ni等元素，在保持电性能基础，满足不同功能需要紫铜呈玫瑰红色。密度8.94g/cm3，熔点1083℃，面心立方；导电导热性好；耐蚀，可在大气、水蒸气及低速海水等介质中工作；优良的加工成形性，极好的塑性；优良的可焊性；无磁性，可制造不受磁场干扰的磁学仪器。（二）铜合金材料分类----紫铜CHINALCO根据含氧量和生产方法分类：纯铜无氧铜脱氧铜二、铜合金材料CHINALCO以锌为主要元素的铜合金。根据添加合金元素不同，分为普通黄铜和特殊黄铜：普通黄铜：由铜、锌两元合金元素组成，提高强度、硬度；H96、H90和H85：导电、导热、耐蚀，良好的强度和冷、热加工性能；H62：α+β黄铜，强度高，热塑性良好；冷态下塑性比较好，切削加工性好，耐蚀，易焊接。特殊黄铜：除铜锌外，另外添加了如Pb、Mn、Fe等其它元素，提高切削性能、耐磨性能、耐腐蚀性能等。HPb59-1：热挤压性能良好，切削性能优良；HSn70-1：耐腐蚀性能优良，“海军黄铜”。Zn＜36%的合金为单相α黄铜；36～46%Zn合金为α+β双相黄铜。二、铜合金材料（二）铜合金材料的分类----黄铜以Ni为主要合金元素的铜合金，镍的添加量通常为10%～30%。铜和镍能无限互溶形成连续固溶体；加镍能显著提高耐蚀性、强度、硬度、电阻，降低电阻率温度系数。为改善合金的组织和性能，常添加适量的铁或锌和锰；铁：细化晶粒，增加强度和耐蚀性；锌：固溶强化，提高耐大气腐蚀能力；锰：脱氧，脱硫，增加强度；高耐蚀和高强度，大量用于船舶、滨海发电等海水冷凝管。白铜件CHINALCO二、铜合金材料（二）铜合金材料的分类----白铜

除黄铜、白铜之外的铜合金统称青铜由Sn、Al、Be、Si、Mn、Cr、Cd、Zr、Ti等与铜组成按主添元素（如Sn、Al、Be等）命名锡青铜铝青铜铬青铜硅青铜铍青铜钛青铜CHINALCO二、铜合金材料（二）铜合金材料的分类----青铜是以锡为主加元素的铜合金%。铜锡合金结晶温度范围达150～160℃，流动性差，枝晶偏析严重。锡青铜有“反偏析”倾向，后续加工前，需先铣去表面偏析层，并长时间均匀化处理。锡青铜的l加工性能与含锡量及组织有关。Sn＜6%时，呈树枝状α固溶体；Sn＞6%时，α和（α+δ）共析体。δ相硬而脆，不适宜加工；工业上，锡含量在3-14％，变形合金的含锡量在8％以下；一般不适宜热加工。锡青铜主要用作高强、弹性材料，如弹簧、弹片、弹性元件；耐磨材料。如滑动轴承的轴套、齿轮等，以及铸件，如艺术铜像等。锡青铜管船用青铜软管快速接头阀(锡青铜阀体、阀盖)含锡量对锡青铜力学性能的影响CHINALCO二、铜合金材料（二）铜合金材料的分类----锡青铜Cu-Sn相图以铝为主加元素的铜合金，铝含量为5~12%。铝在铜基α固溶体中有强的固溶强化作用，有高的强度和塑性。Al在5～8％时，单相α合金，塑性高，一般用作变形合金；Al高于8％时，高温下为α＋β双相合金，一般用热挤压法成型。强度、硬度、耐磨性、耐热性及耐蚀性均良好，铸造性能好，但焊接性能差。主要用于制造船舶、飞机及仪器中的高强、耐磨、耐蚀件，如齿轮、轴承、蜗轮、轴套、螺旋桨等。大型水力发电设备中的抗磨环CHINALCO二、铜合金材料铜合金材料的分类----铝青铜高强高导铜合金沉淀强化型（如Cu-Cr-Zr系等）弥散强化型（如Al2O3/Cu等）纤维增强型（如碳纤维/铜）塑性变形复合型（如Cu-Nb)σb≥600MPa,导电率≥80%IACS,加工困难σb≥800MPa,导电率≥80%IACS,不耐高温，易回复再结晶σb≥550MPa,导电率＝75~80%IACS，耐高温：450℃,易加工σb≥400MPa,导电率≥90%IACS,耐高温≥900℃,加工困难CHINALCO（三）高强高导铜合金及应用铜合金的强化方式主要为变形强化、固溶强化、沉淀强化、细晶强化、弥散强化等二、铜合金材料接触线铜材的技术发展99.9%IACS360MPa80%IACS430MPa72%IACS530MPa78%IACS560MPa100%IACS＜300MPaCu-Mg合金高强中导CuCrZr合金高强高导Cu-Sn合金中强中导Cu-Ag合金低强高导纯铜低强高导接触线承力索CHINALCO高速铁路接触线铜合金1二、铜合金材料材（三）高强高导铜合金及应用高速铁路接触线铜合金1合金系列合金成分wt%抗拉强度MPa延伸率%导电率%IACS软化温度℃磨损率mm3*m-1*N-1Cu-AgCu-0.1Ag3957.897.63501.28Cu-0.1Ag-0.45Cr6137.283570

Cu-0.1Ag-0.60Cr5957825300.67Cu-0.1Ag-0.45Cr-0.1Ce6056.278

Cu-0.1Ag-Zr5806.582

Cu-Mg

Cu-0.6Mg5007.868

CuCrZrCu-0.35Cr-0.1Zr-605777.55402.83Cu-0.35Cr-0.1Zr-0.04Ce6256.478.45602.69Cu-0.35Cr-0.1Zr-0.04Y6455.578.85502.76Cu-0.35Cr-0.1Zr-0.04Ce-0.4Y6325.877.55702.59主要合金系及性能接触线承力索CHINALCO二、铜合金材料（三）高强高导铜合金及应用CHINALCO铜杆在线预热预热上引连铸铜合金接触线制备流程二、铜合金材料（三）高强高导铜合金及应用第一代Cu-Fe-P系第二代Cu-Ni-Si系第四代Cu-Cr-Sn/Co第三代Cu-Cr-Zr系中强高导型高强中导型高强高导型超高强度高导型60-80IACS%450-600MPa40-50IACS%600-800MPa80IACS%600MPa>75IACS%>650MPa引线框架铜合金CHINALCO二、铜合金材料（三）高强高导铜合金及应用引线框架铜合金合金系列合金牌号合金成分wt%抗拉强度MPa延伸率%导电率%IACS膨胀系数25~300℃×10-6/℃导热率W/m.kCu-Fe-PC19400（KFC）Cu-2.35Fe-0.12Zn-0.03P56856517.4262C19500Cu-1.5Fe-0.8Co-0.6Sn-0.05P61013