第三章 钛及钛合金

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1、第三章第三章 钛及钛合金钛及钛合金 Titanium AlloyTitanium Alloy 3.1 3.1 概述概述 3.2 3.2 纯钛纯钛 3.3 3.3 钛的合金化钛的合金化 3.4 3.4 钛合金固态相变及热处理钛合金固态相变及热处理3.5 3.5 钛合金种类钛合金种类 3.6 3.6 铸造钛合金铸造钛合金 3.7 3.7 钛合金的应用钛合金的应用 钛源于钛源于TitansTitans，即希腊神话中地球上大力士。，即希腊神话中地球上大力士。 地壳中钛元素含量位列第四地壳中钛元素含量位列第四 (0.86%) (0.86%) ，居铝、铁、镁之后。，居铝、铁、镁之后。 自然界中不存在纯钛，

2、仅以氧化物存在，如自然界中不存在纯钛，仅以氧化物存在，如FeTiO3FeTiO3、TiO2TiO2。 强度与钢相当，而密度几乎仅有钢的一半。强度与钢相当，而密度几乎仅有钢的一半。 Titans Rutile (TiO2) Limonite (FeTiO3) 3.1 概述概述 17911791年：英国化学家格雷戈尔研究钛铁矿和金红石时发现。年：英国化学家格雷戈尔研究钛铁矿和金红石时发现。 17951795年：德国化学家克拉普罗特在分析匈牙利的金红石时也发年：德国化学家克拉普罗特在分析匈牙利的金红石时也发 现。现。 所发现的钛是粉末状的二氧化钛，而不是金属钛。所发现的钛是粉末状的二氧化钛，而不是金

3、属钛。 19101910年：美国化学家亨特首次制得纯度达年：美国化学家亨特首次制得纯度达99.9%99.9%金属钛。金属钛。 19471947年：开始冶炼，当年产量仅年：开始冶炼，当年产量仅2 2吨吨 全世界钛产量全世界钛产量: : 19551955年年 2 2万吨万吨 19751975年年 7 7万吨万吨 20062006年年 1414万吨万吨 050001000015000200002500030000350004000045000500001995年 1997年 1999年 2001年 2003年 2005年 2007年年份年量/吨中国的钛产量 以钛铁矿或金红石为原料生产出高纯度四氯化钛

4、，再用镁作以钛铁矿或金红石为原料生产出高纯度四氯化钛，再用镁作为还原剂将四氯化钛中的钛还原出来，由于还原后得到钛类似为还原剂将四氯化钛中的钛还原出来，由于还原后得到钛类似海绵状所以称为海绵钛，最后以海绵钛为原料生产出钛材和钛海绵状所以称为海绵钛，最后以海绵钛为原料生产出钛材和钛粉。粉。 钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积钢铁钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积钢铁的一半，钛虽然比铝重，它的硬度却比铝大的一半，钛虽然比铝重，它的硬度却比铝大2 2倍。在宇宙火箭和倍。在宇宙火箭和导弹中，已大量用钛代替钢铁。极细的钛粉，还是火箭的好燃导弹中，已大量用钛代替钢铁。极细的钛粉，还是

5、火箭的好燃料，所以钛被誉为宇宙金属，空间金属。料，所以钛被誉为宇宙金属，空间金属。 密度小，比强度高：钛密度为密度小，比强度高：钛密度为4.51g/cm4.51g/cm3 3，约为钢或镍合金的一半。比强度，约为钢或镍合金的一半。比强度 高于铝合金及高合金钢。高于铝合金及高合金钢。 导热系数小：钛的导热系数小，是低碳钢的五分之一，铜的二十五分之一。导热系数小：钛的导热系数小，是低碳钢的五分之一，铜的二十五分之一。 无磁性，无毒：钛是无磁性金属，在很大的磁场中不被磁化，无毒且与人无磁性，无毒：钛是无磁性金属，在很大的磁场中不被磁化，无毒且与人 体组织及血液有很好的相容性。体组织及血液有很好的相容性

6、。 抗阻尼性能强：钛受到机械振动及电振动后，与钢、铜相比，其自身振动抗阻尼性能强：钛受到机械振动及电振动后，与钢、铜相比，其自身振动 衰减时间最长。衰减时间最长。 耐热性佳：因熔点高，使得钛被列为耐高温金属。耐热性佳：因熔点高，使得钛被列为耐高温金属。 耐低温：可在低温下保持良好的韧性及塑性，是低温容器的理想材料。耐低温：可在低温下保持良好的韧性及塑性，是低温容器的理想材料。 吸气性能高：钛的化学性质非常活泼，在高温下容易与碳、氢、氮及氧发吸气性能高：钛的化学性质非常活泼，在高温下容易与碳、氢、氮及氧发 生反应。生反应。 耐蚀性佳：在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附著力强、耐蚀性

7、佳：在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附著力强、 惰性大的氧化膜，保护钛基体不被腐蚀。惰性大的氧化膜，保护钛基体不被腐蚀。 3.2 纯纯 钛钛 1. 纯钛的特性纯钛的特性 - -Ti Ti - -Ti Ti 同素异构转变同素异构转变 - -TiTi为密排六方，为密排六方， 点阵常数点阵常数(20)(20)为：为： a a0.295111 nm0.295111 nm，c c0.468433nm0.468433nm，c ca=1.5873a=1.5873 - -TiTi为体心立方：点阵常数在为体心立方：点阵常数在2525时，时， a=0.3282nma=0.3282nm；900 900

8、 时时a=0.33065nma=0.33065nm。 882.5882.5 钛可进行锻造、轧制、挤压、冲压等各种压力加工，原则上加钛可进行锻造、轧制、挤压、冲压等各种压力加工，原则上加热钢材所采用的设备都可以用于钛材加热，要求炉内气氛保持中热钢材所采用的设备都可以用于钛材加热，要求炉内气氛保持中性或弱氧化性气氛，绝不允许使用氢气加热。性或弱氧化性气氛，绝不允许使用氢气加热。 钛的屈强比钛的屈强比(0.20.2b b) )较高，一般在较高，一般在0.700.700.950.95之间，变形之间，变形抗力大，而钛的弹性模量相对较低，因此钛材在加工成型时比较抗力大，而钛的弹性模量相对较低，因此钛材在加

9、工成型时比较困难。困难。 纯钛具有良好的焊接性能，焊缝强度、延性和抗蚀性与母材纯钛具有良好的焊接性能，焊缝强度、延性和抗蚀性与母材相差不多。为防止焊接时的污染，须采用钨极氩气保护焊。相差不多。为防止焊接时的污染，须采用钨极氩气保护焊。 钛的切削加工比较困难，主要原因是钛的摩擦系数大，导热钛的切削加工比较困难，主要原因是钛的摩擦系数大，导热性差，热量主要集中在刀尖上，使刀尖很快软化。同时钛的化学性差，热量主要集中在刀尖上，使刀尖很快软化。同时钛的化学活性高，温度升高容易粘附刀具，造成粘结磨损。在切削加工时，活性高，温度升高容易粘附刀具，造成粘结磨损。在切削加工时，应正确选用刀具材料，保持刀具锋锐

10、，并采用良好的冷却。应正确选用刀具材料，保持刀具锋锐，并采用良好的冷却。 2. 2. 纯钛的加工工艺性能纯钛的加工工艺性能 3. 3. 杂质对工业纯钛性能的影响杂质对工业纯钛性能的影响 杂质元素杂质元素主要主要有有氧、氮、碳、氢、铁和硅氧、氮、碳、氢、铁和硅。 前四种属间隙型元素，后二种属置换型元素，可以固溶在前四种属间隙型元素，后二种属置换型元素，可以固溶在相或相或相中，也可以化合物形式存在。相中，也可以化合物形式存在。 钛的硬度对间隙型杂质元素很敏感，杂质含量愈多，钛的硬钛的硬度对间隙型杂质元素很敏感，杂质含量愈多，钛的硬度就愈高。度就愈高。 综合考虑间隙元素对硬度的影响，引入氧当量：综合

11、考虑间隙元素对硬度的影响，引入氧当量：O当当=O+2N十十0.67。 氧当量和硬度的关系为：氧当量和硬度的关系为： HV=65+310 O0.5当当。 氢对纯钛及钛合金性能的影响就是引起氢脆。氢对纯钛及钛合金性能的影响就是引起氢脆。 氢在氢在- -TiTi中的溶解度比中的溶解度比- -TiTi中大得多，且在中大得多，且在- -TiTi中的溶解中的溶解度随温度降低而急剧减少，当冷却到室温时，会析出脆性的氢化度随温度降低而急剧减少，当冷却到室温时，会析出脆性的氢化物物TiHTiH2 2，使合金变脆，称为，使合金变脆，称为氢化物氢脆氢化物氢脆。 含氢的含氢的- -TiTi在应力作用下，促进氢化物析出

12、，由此导致的脆在应力作用下，促进氢化物析出，由此导致的脆性叫做性叫做应力感生氢化物氢脆应力感生氢化物氢脆。 溶解在钛晶格中的氢原子，在应力作用下，经过一定时间会溶解在钛晶格中的氢原子，在应力作用下，经过一定时间会扩散到晶体缺陷处，与那里的位错发生交互作用，使位错被钉扎，扩散到晶体缺陷处，与那里的位错发生交互作用，使位错被钉扎，引起塑性降低。当应力去除并静止一段时间，再进行高速变形时，引起塑性降低。当应力去除并静止一段时间，再进行高速变形时，塑性又可以恢复，这种脆性称为可逆氢脆。塑性又可以恢复，这种脆性称为可逆氢脆。 钛及钛合金中氢含量小于钛及钛合金中氢含量小于0.0150.015时，可避免氢化

13、物型氢脆，时，可避免氢化物型氢脆，但无法避免应力感生氢化物氢脆和但无法避免应力感生氢化物氢脆和可逆氢脆可逆氢脆。 减少氢脆的措施是减少氢含量，如严格控制原材料纯度、采减少氢脆的措施是减少氢含量，如严格控制原材料纯度、采用真空熔炼、用中性或弱氧化性气氛加热、惰性气体保护焊接、用真空熔炼、用中性或弱氧化性气氛加热、惰性气体保护焊接、尽量避免酸洗增氢等。用真空退火去氢。尽量避免酸洗增氢等。用真空退火去氢。 氮、氧、碳都提高氮、氧、碳都提高+ 相变温度，扩大相变温度，扩大相区，属相区，属稳定稳定元素。均可提高强度，急剧降低塑性，其影响程度按氮、氧、碳元素。均可提高强度，急剧降低塑性，其影响程度按氮、氧

14、、碳递减。为了保证合金的塑性和韧性，目前在工业钛合金中氢、氧、递减。为了保证合金的塑性和韧性，目前在工业钛合金中氢、氧、氮、碳含量分别控制在氮、碳含量分别控制在0.015、0.15、0.05，0.1以下。低以下。低温用钛及钛合金，由于氧、氮和碳提高塑脆转化温度，应尽量温用钛及钛合金，由于氧、氮和碳提高塑脆转化温度，应尽量降低它们的含量，特别是氧含量。降低它们的含量，特别是氧含量。 微量铁和硅在固溶范围内与钛形成置换固溶体，它们对钛的微量铁和硅在固溶范围内与钛形成置换固溶体，它们对钛的性能影响没有间隙杂质元素那样强烈。作为杂质时，铁和硅的含性能影响没有间隙杂质元素那样强烈。作为杂质时，铁和硅的含

15、量分别要求小于量分别要求小于0.3和和0.15，但有时也作为合金元素加入。，但有时也作为合金元素加入。 工业纯钛退火得到单相工业纯钛退火得到单相组织，属组织，属型钛合金。工业纯钛根型钛合金。工业纯钛根据杂质含量不同分为据杂质含量不同分为TAlTAl、TA2TA2、TA3TA3、 TA4TA4，其中，其中TATA为为型钛型钛合金的代号，数字表示合金的序号。随着序号增大，钛的纯合金的代号，数字表示合金的序号。随着序号增大，钛的纯度降低，抗拉强度提高，塑性下降。度降低，抗拉强度提高，塑性下降。 纯钛只能冷变形强化。当变形度大于纯钛只能冷变形强化。当变形度大于3030以后，强度增以后，强度增加缓慢，塑

16、性不再明显降低。加缓慢，塑性不再明显降低。 纯钛的热处理纯钛的热处理：再结晶退火再结晶退火（ 540700 ）和去应力退）和去应力退火（火（ 450600），退火后均采用空冷。），退火后均采用空冷。 工业纯钛可制成板、管、棒、线、带材等半成品。工业纯钛可制成板、管、棒、线、带材等半成品。 工业纯钛可作为重要的耐蚀结构材料，用于化工设备、工业纯钛可作为重要的耐蚀结构材料，用于化工设备、滨海发电装置、海水淡化装置和舰艇零部件。滨海发电装置、海水淡化装置和舰艇零部件。 4.4.工业纯钛的牌号、性能及用途工业纯钛的牌号、性能及用途 新牌号 ASTM牌号 旧牌号 TA1 Gr1 TA0 TA2 Gr2

17、TA1 TA3 Gr3 TA2 TA4 Gr4 TA3 TA28 TA4 3.3 钛的合金化钛的合金化 1. 合金化元素合金化元素 钛在合金时，由于添加元素的种类和数量不同，钛的相变钛在合金时，由于添加元素的种类和数量不同，钛的相变温度将发生改变，温度将发生改变，- -TiTi和和- -TiTi的相区亦发生相应的变化，根的相区亦发生相应的变化，根据合金元素对钛相变温度的影响和对据合金元素对钛相变温度的影响和对- -TiTi、- -TiTi钛的作用性钛的作用性质，可将钛中的合金元素分为质，可将钛中的合金元素分为 三类。三类。 1 1）稳定元素稳定元素 可以提高钛的同素异晶转变温度，扩大可以提高钛

18、的同素异晶转变温度，扩大相区和增加相区和增加相相的热力学稳定性，降低的热力学稳定性，降低相的稳定性，促进相的稳定性，促进相分解与转变。相分解与转变。稳定元素较多固溶在稳定元素较多固溶在相内，在复相合金中优先溶于相内，在复相合金中优先溶于相，相，是强化是强化相的主要元素。常见的相的主要元素。常见的稳定元素有铝、镓、硼、氧、稳定元素有铝、镓、硼、氧、氮，碳等，其中铝最为重要，实际上几乎所有的钛合金都含有氮，碳等，其中铝最为重要，实际上几乎所有的钛合金都含有铝。铝。 2 2）稳定元素稳定元素 稳定稳定相、降低相变温度的元素为相、降低相变温度的元素为稳定元素，又可分同晶稳定元素，又可分同晶型和共析型二

19、种。型和共析型二种。 同晶型同晶型：有钼、铌、钒、钽等：有钼、铌、钒、钽等 都为体心立方结构，与都为体心立方结构，与- -TiTi同晶，称为同晶，称为同晶元素。降低相同晶元素。降低相变点，稳定变点，稳定相。相。 组元达到一定浓度值后，高温组元达到一定浓度值后，高温相可稳定到室温，对应这一相可稳定到室温，对应这一浓度值称为临界浓度浓度值称为临界浓度CkCk。CkCk反映合金元素稳定反映合金元素稳定相能力大小，相能力大小，其值越小稳定其值越小稳定相能力就越大。稳定相能力就越大。稳定相能力按钼、钒、钽、相能力按钼、钒、钽、铌次序递减。铌次序递减。 加入这类元素的钛合金组织稳定性好，不会发生共析转变加

20、入这类元素的钛合金组织稳定性好，不会发生共析转变或包析转变，同时能强化或包析转变，同时能强化相，并保持良好的塑性。相，并保持良好的塑性。 共析型共析型：CrCr、MnMn、FeFe、CoCo、NiNi、CuCu、SiSi、BiBi、W W、H H 在在- -TiTi中溶解度比在中溶解度比在- -TiTi中大，降低中大，降低(+) /(+) /相变温度，相变温度，其稳定其稳定相的能力比相的能力比同晶元素要大。同晶元素要大。 这类元素与钛易形成化合物，如这类元素与钛易形成化合物，如TiTi- -MnMn系中形成系中形成TiMn()TiMn()等化等化合物，含有这类元素的合金从合物，含有这类元素的合

21、金从相区冷到共析温度时，相区冷到共析温度时，相发生相发生共析分解，这类元素称为共析分解，这类元素称为共析元素。共析元素。 铬、钨能与铬、钨能与- -TiTi完全互溶，但因原子尺寸或电化学性质与钛完全互溶，但因原子尺寸或电化学性质与钛相差较大，在固态还有共析转变，因此归入相差较大，在固态还有共析转变，因此归入共析元素。共析元素。TiTi- -CrCr系系共析转变产物为共析转变产物为+TiCr2+TiCr2。TiTi- -W W系为系为+2(2+2(2为富钨固溶体为富钨固溶体) )，不存在金属化合物。不存在金属化合物。 锰、铁、铬共析转变速度极慢，热处理条件下难以进行，称锰、铁、铬共析转变速度极慢

22、，热处理条件下难以进行，称为非活性共析元素为非活性共析元素( (慢共析元素慢共析元素) )；硅、铜、镍、银、氢等共析转；硅、铜、镍、银、氢等共析转变极快，淬火也不能抑制其转变，故称为活性共析元素变极快，淬火也不能抑制其转变，故称为活性共析元素( (快共析元快共析元素素) )。 3 3）中性元素）中性元素 对相变温度影响不大，在对相变温度影响不大，在相和相和相中均可无限固溶，如相中均可无限固溶，如锡、锆、铪等。它们有助于固溶强化和延迟钛合金某些有害的锡、锆、铪等。它们有助于固溶强化和延迟钛合金某些有害的转变转变( (如如相的形成相的形成) )，是常用的合金元素。锡和锆等中性元素，是常用的合金元素

23、。锡和锆等中性元素，一般不单独使用，而是作为多元合金的补充强化剂。为了保证一般不单独使用，而是作为多元合金的补充强化剂。为了保证耐热钛合金的组织是以耐热钛合金的组织是以相为基，除铝以外，就只能依靠中性相为基，除铝以外，就只能依靠中性元素来进一步提高合金的热强性。但含锡量过高也会形成有序元素来进一步提高合金的热强性。但含锡量过高也会形成有序相相Ti3SnTi3Sn，使合金的塑性和热稳定性下降。，使合金的塑性和热稳定性下降。 合金元素合金元素 稳定元素 稳定元素 中性元素 间隙元素间隙元素 置换元素置换元素 间隙元素间隙元素 置换元素置换元素 置换元素 C、N、O、B Al、Ga Zr、Sn、Hf

24、、Ge、Ce、La、Mg H 同晶元素同晶元素 共析元素共析元素 V、Nb、Mo、Ta 慢速分解慢速分解 快速分解快速分解 Cr、Mn、Fe、Co Si、Cu、Ag、Ni、Y、W、B 2. 合金化元素对性能的影响合金化元素对性能的影响 钛合金中常用的合金元素有铝、锡、锆、钒、钼、铬、铁、钛合金中常用的合金元素有铝、锡、锆、钒、钼、铬、铁、硅、铜、稀土，其中工业上应用最广泛的元素是铝。硅、铜、稀土，其中工业上应用最广泛的元素是铝。 1 1）铝）铝 除工业纯钛外，各类钛合金中几乎都添加铝，铝主要起固溶强化作用，除工业纯钛外，各类钛合金中几乎都添加铝，铝主要起固溶强化作用，每添加每添加1 1AlAl

25、，室温抗拉强度增加，室温抗拉强度增加50MPa50MPa。 根据钛铝相图，铝在钛中的极限溶解度为根据钛铝相图，铝在钛中的极限溶解度为7.57.5，超过此值，出现有，超过此值，出现有序相序相Ti3Al(2Ti3Al(2相相) )，对合金的塑性、韧性及应力腐蚀不利，故一般加铝量，对合金的塑性、韧性及应力腐蚀不利，故一般加铝量不超过不超过7 7。 铝改善抗氧化性，铝比钛还轻，能减小合金密度，并显著提高再结晶铝改善抗氧化性，铝比钛还轻，能减小合金密度，并显著提高再结晶温度，如添加温度，如添加5 5AlAl可使再结晶温度从纯钛可使再结晶温度从纯钛600600提高到提高到800800。铝增加固溶。铝增加固

26、溶体中原子间结合力，从而提高合金的热强性。体中原子间结合力，从而提高合金的热强性。 2 2）锡和锆）锡和锆 锡和锆是常用的中性元素，它们在锡和锆是常用的中性元素，它们在- -TiTi和和- -TiTi中均有较大中均有较大的溶解度，常和其他元素同时加入，起补充强化作用。的溶解度，常和其他元素同时加入，起补充强化作用。 为保证耐热合金获得单相为保证耐热合金获得单相组织，除铝以外，还加入锆和组织，除铝以外，还加入锆和锡进一步提高耐热性，同时对塑性不利影响比铝小，使合金具锡进一步提高耐热性，同时对塑性不利影响比铝小，使合金具有良好的压力加工性和焊接性能。有良好的压力加工性和焊接性能。 锡能减少对氢脆的

27、敏感性。钛锡系合金中，当锡超过一定锡能减少对氢脆的敏感性。钛锡系合金中，当锡超过一定浓度时也会形成有序相浓度时也会形成有序相Ti3SnTi3Sn，降低塑性和热稳定性。，降低塑性和热稳定性。 为了防止有序相为了防止有序相Ti3X(2Ti3X(2相相) )的出现，考虑到铝和其它元素的出现，考虑到铝和其它元素对对22相析出的影响，相析出的影响，RosenbergRosenberg提出铝当量公式提出铝当量公式。 *% 1/3% 1/6% 1/2% 10 %8 9%AlAlSnZrGaO只要铝当量低于只要铝当量低于8 89 9，就不会出现，就不会出现2 2相。相。 3 3）钒和钼：）钒和钼： 钒和钼在钒

28、和钼在稳定元素中应用最多，固溶强化稳定元素中应用最多，固溶强化相，并显著降相，并显著降低相变点、增加淬透性，从而增强热处理强化效果。含钒或钼低相变点、增加淬透性，从而增强热处理强化效果。含钒或钼的钛合金不发生共析反应，在高温下组织稳定性好；但单独加的钛合金不发生共析反应，在高温下组织稳定性好；但单独加钒，合金耐热性不高，其蠕变抗力只能维持到钒，合金耐热性不高，其蠕变抗力只能维持到400400，为了提，为了提高蠕变抗力，加钼的效果比钒高，但密度大；钼还改善合金的高蠕变抗力，加钼的效果比钒高，但密度大；钼还改善合金的耐蚀性，尤其是提高合金在氯化物溶液中抗缝隙腐蚀能力铝耐蚀性，尤其是提高合金在氯化物

29、溶液中抗缝隙腐蚀能力铝 4 4）锰、铬：）锰、铬： 强化效果大，稳定强化效果大，稳定相能力强，密度比钼、钨等小，故应用较多，相能力强，密度比钼、钨等小，故应用较多，是高强亚稳定是高强亚稳定型钛合金的主要添加剂。但它们与钛形成慢共析反型钛合金的主要添加剂。但它们与钛形成慢共析反应，在高温长期工作时，组织不稳定，蠕变抗力低；当同时添加应，在高温长期工作时，组织不稳定，蠕变抗力低；当同时添加同晶型元素，特别是铝时，有抑制共析反应的作用。同晶型元素，特别是铝时，有抑制共析反应的作用。 5 5）硅）硅 共析转变温度较高共析转变温度较高(860)，加硅可改善合金的耐热性能，因此在，加硅可改善合金的耐热性能

30、，因此在耐热合金中常添加适量硅，加入硅量以不超过耐热合金中常添加适量硅，加入硅量以不超过相最大固溶度为宜，相最大固溶度为宜，一般为一般为0.25左右。由于硅与钛的原子尺寸差别较大，在固溶体中左右。由于硅与钛的原子尺寸差别较大，在固溶体中容易在位错处偏聚，阻止位错运动，从而提高耐热性。容易在位错处偏聚，阻止位错运动，从而提高耐热性。 6）稀土）稀土 提高合金耐热性和热稳定性。稀土的内氧化作用，形成了细提高合金耐热性和热稳定性。稀土的内氧化作用，形成了细小稳定的小稳定的RExOvRExOv颗粒，产生弥散强化。由于内氧化降低了基体中颗粒，产生弥散强化。由于内氧化降低了基体中的氧浓度，并促使合金中的锡

31、转移到稀土氧化物中，这有利于的氧浓度，并促使合金中的锡转移到稀土氧化物中，这有利于抑止脆性抑止脆性22相析出。此外，稀土还有强烈抑制相析出。此外，稀土还有强烈抑制晶粒长大和细晶粒长大和细化晶粒的作用，因而改善合金的综合性能。化晶粒的作用，因而改善合金的综合性能。 3.4 钛合金固态相变与热处理钛合金固态相变与热处理 3.4.1 钛合金固态相变钛合金固态相变 由于纯钛具有两种同素异晶体，因此其固态相变类型繁多，由于纯钛具有两种同素异晶体，因此其固态相变类型繁多，性质复杂，远超过铜、铝、镍等其他有色金属。概括起来，钛性质复杂，远超过铜、铝、镍等其他有色金属。概括起来，钛合金的固态相变可归纳为合金的

32、固态相变可归纳为3 3大类：大类： 在一般连续加热和冷却条件下进行的同素异晶转变；在一般连续加热和冷却条件下进行的同素异晶转变； 在淬火过程中发生的非扩散性转变，即马氏体在淬火过程中发生的非扩散性转变，即马氏体、 和和 相的形成；相的形成； 各种亚稳相的分解，即亚稳各种亚稳相的分解，即亚稳相、过饱和的相、过饱和的相和马氏体在相和马氏体在等温或时效处理中的沉淀过程。等温或时效处理中的沉淀过程。 相在冷却时的转变：相在冷却时的转变： 根据合金成分和冷却条件，加热到根据合金成分和冷却条件，加热到相区的钛合金可能发生相区的钛合金可能发生下列转变下列转变： + + ： +TixMy +TixMy ： 或

33、或 ： ：密排六方晶格，为六方马氏体：密排六方晶格，为六方马氏体 ：斜方晶格，为斜方马氏体：斜方晶格，为斜方马氏体 ： ：亚稳定六方晶格：亚稳定六方晶格 1. 过冷过冷相的等温转变：相的等温转变： 钛合金的过冷钛合金的过冷相的分解过程也可以用等温转变图即相的分解过程也可以用等温转变图即C曲线来曲线来表示。表示。 在较高温度等温时，在较高温度等温时， + 随着温度的降低，转变产物愈细，合金强度、硬度愈高随着温度的降低，转变产物愈细，合金强度、硬度愈高 当分解温度较低时（当分解温度较低时（450以下以下） + + + 钛合金过冷钛合金过冷相等温转变示意图相等温转变示意图 2. 相在慢冷时的转变：相

34、在慢冷时的转变： 合金加热到合金加热到相区后缓冷：将从相区后缓冷：将从相中析出次生相中析出次生。随着温。随着温度降低，次生度降低，次生相不断增多，相不断增多，相不断减少相不断减少，稳定化组元浓度稳定化组元浓度连续增高。当达到室温时，两相分别达到各自平衡浓度，室温得连续增高。当达到室温时，两相分别达到各自平衡浓度，室温得到到+平衡组织。平衡组织。 缓冷时，先在原缓冷时，先在原晶界开始形核长大，形成晶界晶界开始形核长大，形成晶界，然后从，然后从晶界向晶内呈集束状扩展，直至互相接触为止。相互平行位向一晶界向晶内呈集束状扩展，直至互相接触为止。相互平行位向一致的一组片状致的一组片状构成一个群体，称为构

35、成一个群体，称为集束，集束，相处于片状相处于片状相相之间，呈连续的或间断的层片状，冷却后形成魏氏之间，呈连续的或间断的层片状，冷却后形成魏氏(+)(+)。加。加热温度愈高、冷却愈缓慢，则热温度愈高、冷却愈缓慢，则片愈厚，片愈厚，集束尺寸也愈大，形集束尺寸也愈大，形成位向比较单一的集束，这种组织称并列式魏氏结构。成位向比较单一的集束，这种组织称并列式魏氏结构。 冷却速度较快时，冷却速度较快时，相不仅可在晶界上生核，同时在相不仅可在晶界上生核，同时在晶粒晶粒内部可独立生核，这样内部可独立生核，这样群体数目增多，组织细化，这种由多种群体数目增多，组织细化，这种由多种取向的片状取向的片状相构成的组织称

36、作网状魏氏结构。相构成的组织称作网状魏氏结构。 3. 相在快冷时的转变：相在快冷时的转变： 不同成分钛合金从不同成分钛合金从相区淬火时的组织变化规律：相区淬火时的组织变化规律： 钛合金从钛合金从相区淬火，发生无扩散的马氏体转变：相区淬火，发生无扩散的马氏体转变： 当当稳定元素含量少时，稳定元素含量少时，转变为转变为 马氏体。马氏体。 若若稳定元素含量高时，稳定元素含量高时，转变为转变为马氏体。马氏体。 当合金元素含量在临界浓度附近时，淬火形成亚稳定当合金元素含量在临界浓度附近时，淬火形成亚稳定 六方晶格六方晶格相。相。 转变与马氏体转变的异同点：转变与马氏体转变的异同点： 相同点：相变速度快，

37、即使很高冷速也不能抑制其进行；母相与相同点：相变速度快，即使很高冷速也不能抑制其进行；母相与相成分相同；相成分相同；转变具有可逆性，保持共格界面等，故转变具有可逆性，保持共格界面等，故变是一种无扩散转变。变是一种无扩散转变。 不同点：形核率高，形核容易，长大困难，尺寸细小弥散，表面没有浮凸效应。不同点：形核率高，形核容易，长大困难，尺寸细小弥散，表面没有浮凸效应。 4.4.马氏体形态和性能马氏体形态和性能 根据合金元素含量，马氏体形态分为两种基本类型：板条马氏体马氏体形态分为两种基本类型：板条马氏体和针状马氏体。和针状马氏体。纯钛和低浓度合金组织为板条马氏体；浓度较高的合金组织为针状马氏体。

38、纯钛淬火组织形态：锯齿形丛区或锯齿形晶界，每一丛区内包含纯钛淬火组织形态：锯齿形丛区或锯齿形晶界，每一丛区内包含大量相互平行、位向一致的板条状大量相互平行、位向一致的板条状，板条内部为高密度位错。，板条内部为高密度位错。 随着合金浓度增加，板条马氏体转变为针状马氏体，各个针状随着合金浓度增加，板条马氏体转变为针状马氏体，各个针状取向不同，内部含有大量孪晶。取向不同，内部含有大量孪晶。 合金浓度再增加，淬火形成斜方马氏体合金浓度再增加，淬火形成斜方马氏体，其形态与针状，其形态与针状 类似，因类似，因MsMs温度低，形成马氏体针更为细小，温度低，形成马氏体针更为细小，内部有大量密集的内部有大量密集

39、的细孪晶。细孪晶。 钛合金马氏体不像钢那样能强烈提高硬度。钛合金马氏体不像钢那样能强烈提高硬度。钛合金硬度略高于固溶体，对合金强化作用不大。这是因为前者是碳的间隙固溶体，这是因为前者是碳的间隙固溶体，碳在晶格中造成的畸变很大，后者是置换型的过饱和固溶体，所引起碳在晶格中造成的畸变很大，后者是置换型的过饱和固溶体，所引起的晶格畸变较小，强化作用小。的晶格畸变较小，强化作用小。当过饱和度达到最大值时，硬度达到第一个峰值。随后由于形成，使硬度下降，当出现相时，硬度又出现第二个峰值。 5.相的形态和性能相的形态和性能 钛合金淬火形成的相尺寸非常细小（直径约5l0nm）。 相形态、尺寸和稳定性决定于相形

40、态、尺寸和稳定性决定于界面的错配度界面的错配度: 错配度错配度0.5：相呈立方体形，尺寸较小，稳定性较低；相呈立方体形，尺寸较小，稳定性较低； 错配度错配度0.5：相则呈椭球形，尺寸较大，稳定性较高。相则呈椭球形，尺寸较大，稳定性较高。 淬火态淬火态相近似呈等轴状，时效相近似呈等轴状，时效相呈椭球形或立方体形。相呈椭球形或立方体形。 相硬而脆相硬而脆(HB500，0) ，强烈提高合金的硬度和弹性模量，强烈提高合金的硬度和弹性模量，降低塑性降低塑性（由相引起塑性急剧降低的现象，称脆性）。产生脆产生脆化的原因与位错不能在其中移动有关。化的原因与位错不能在其中移动有关。 控制淬火、时效工艺控制淬火、

41、时效工艺、避免低温时效可避免低温时效可防止相形成；加铝、铝、锆、锡等能抑制锆、锡等能抑制相的形成相的形成。这是由于铝促进回火时相的形成，而相长大要消耗相和相，因而降低相的稳定性。锆和锡与稳定元素一起提高相稳定性，而抑制相形成。 3.4.2 3.4.2 钛合金的热处理钛合金的热处理 常用的热处理方法有退火、固溶和时效处理。常用的热处理方法有退火、固溶和时效处理。 退火是为了消除内应力、提高塑性和组织稳定性，以获得较退火是为了消除内应力、提高塑性和组织稳定性，以获得较好的综合性能。通常好的综合性能。通常合金和（合金和（）合金退火温度选在）合金退火温度选在（）相转变点以下相转变点以下12012020

42、0200； 固溶和时效处理是从高温区快冷固溶和时效处理是从高温区快冷, ,以得到马氏体以得到马氏体相和亚相和亚稳定的稳定的相相, ,然后在中温区保温使这些亚稳定相分解，得到然后在中温区保温使这些亚稳定相分解，得到相或化合物等细小弥散的第二相质点，达到使合金强化的相或化合物等细小弥散的第二相质点，达到使合金强化的目的。通常目的。通常()合金的淬火在合金的淬火在()相转变点相转变点以下以下4040100100进行，亚稳定进行，亚稳定合金淬火在合金淬火在()相转变点以上相转变点以上40408080进行。时效处理温度一般为进行。时效处理温度一般为450450550550。 钛合金的热处理工艺可以归纳为

43、：钛合金的热处理工艺可以归纳为： （1 1）消除应力退火：去应力退火：消除冷变形、铸造及焊）消除应力退火：去应力退火：消除冷变形、铸造及焊接等工艺过程中产生的内应力，退火过程主要发生回复。退火接等工艺过程中产生的内应力，退火过程主要发生回复。退火温度低于再结晶温度，一般为温度低于再结晶温度，一般为450450650650。消除应力退火所需。消除应力退火所需时间取决于工件厚度和残余应力大小。时间取决于工件厚度和残余应力大小。 （2 2）完全退火：消除加工硬化、稳定组织和提高塑性。这）完全退火：消除加工硬化、稳定组织和提高塑性。这一过程主要发生再结晶，也称再结晶退火；同时也有一过程主要发生再结晶，

44、也称再结晶退火；同时也有相、相、mm相在组成、形态和数量上的变化，大部分相在组成、形态和数量上的变化，大部分和和+钛合金都是钛合金都是在完全退火状态下使用。退火温度介于再结晶温度和相变温度在完全退火状态下使用。退火温度介于再结晶温度和相变温度之间，如果超过之间，如果超过TsTs点，因形成粗大魏氏组织而使会金性能恶化。点，因形成粗大魏氏组织而使会金性能恶化。 。 （3 3）固溶处理和时效：目的是为了提高其强度，）固溶处理和时效：目的是为了提高其强度，钛合金钛合金和稳定的和稳定的钛合金不能进行强化热处理，在生产中只进行退火。钛合金不能进行强化热处理，在生产中只进行退火。+钛合金和含有少量钛合金和含

45、有少量相的亚稳相的亚稳钛合金可以通过固溶处理钛合金可以通过固溶处理和时效使合金进一步强化。和时效使合金进一步强化。 此外，为了满足工件的特殊要求，工业上还采用双重退火、此外，为了满足工件的特殊要求，工业上还采用双重退火、等温退火、等温退火、热处理、形变热处理等金属热处理工艺。热处理、形变热处理等金属热处理工艺。 。 3.5 钛合金的种类钛合金的种类 。 。 钛合金根据存在于它们组织中的相可分为三类：钛合金根据存在于它们组织中的相可分为三类：型、型、十十型和型和型钛合金。中国分别用型钛合金。中国分别用TATA、TCTC、 TBTB作为字头，其后标作为字头，其后标名合金顺序号。除按组织分类外，也可

46、根据工艺方法分为变形名合金顺序号。除按组织分类外，也可根据工艺方法分为变形钛合金、铸造钛合金和粉末冶金钛合金。按使用性能可分为结钛合金、铸造钛合金和粉末冶金钛合金。按使用性能可分为结构钛合金、耐热钛合金、耐蚀钛合金、低温钛合金和功能钛合构钛合金、耐热钛合金、耐蚀钛合金、低温钛合金和功能钛合金等。金等。 1.1.钛合金钛合金 它是它是相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是是在较高的实际应用温度下，均是相，组织稳定，耐磨性高相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在于纯钛，抗氧化能力强。在500500600600的

47、温度下，仍保持其的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。 型钛合金的牌号、主要成分及力学性能型钛合金的牌号、主要成分及力学性能 2. 2. 型钛合金型钛合金 含有大量的含有大量的稳定元素、在适当冷却速度下能使其室温组织全稳定元素、在适当冷却速度下能使其室温组织全部为部为相的钛合金。包括热力学稳定相的钛合金。包括热力学稳定型合金和亚稳定型合金和亚稳定型合型合金。前者在钛中加入足量的金。前者在钛中加入足量的稳定化元素，通过淬火或某些情稳定化元素，通过淬火或某些情况下的空冷，可得到室温时的况下的空冷，可得到室温时的

48、组织；后者合金元素只需高于组织；后者合金元素只需高于临界浓度，通过淬火处理，就可获得单一的亚稳定临界浓度，通过淬火处理，就可获得单一的亚稳定相组织。相组织。稳定型稳定型合金只作为耐蚀材料使用，如合金只作为耐蚀材料使用，如TiTi- -32Mo32Mo；而作为结构材；而作为结构材料主要应用亚稳定型料主要应用亚稳定型钛合金，如钛合金，如TiTi- -15V15V- -3Sn3Sn- -3Cr3Cr- -3Al3Al、TiTi- -3A13A1- -8Mo8Mo- -11Cr11Cr、TiTi- -3Al3Al- -5Mo5Mo- -5V5V- -5Cr5Cr、TiTi- -8Mo8Mo- -8V8

49、V- -2Fe2Fe- -3Al3Al、TiTi- -10V10V- -2Fe2Fe- -3Al3Al、TiTi- -11.5Mo11.5Mo- -6Zr6Zr- -4.5Sn4.5Sn合金等。合金等。型钛合金具有型钛合金具有良好的工艺塑性，便于加工成形，时效处理后强度可达良好的工艺塑性，便于加工成形，时效处理后强度可达12801380MPa12801380MPa。 型钛合金的牌号、主要成分及力学性能型钛合金的牌号、主要成分及力学性能 3. +3. +型钛合金型钛合金 含有较多的含有较多的稳定元素、在室温稳定状态由稳定元素、在室温稳定状态由和和相所组成的相所组成的合金。合金。+型合金的优点是，

50、可通过调整成分使合金中的型合金的优点是，可通过调整成分使合金中的和和相的比例在很宽的范围内变动。为了提高强度，相的比例在很宽的范围内变动。为了提高强度，+型钛合型钛合金可进行固溶处理和时效处理，热处理的强化效果随金可进行固溶处理和时效处理，热处理的强化效果随稳定组稳定组元浓度的增加而提高，一般为元浓度的增加而提高，一般为25255050，个别合金可达，个别合金可达8080。 +型钛合金的耐热性一般不如型钛合金的耐热性一般不如型钛合金，时效强化效果大型钛合金，时效强化效果大多只能保持到多只能保持到450450，通常在中温范围内使用，但某些高铝的，通常在中温范围内使用，但某些高铝的+型合金仍有较高

51、的耐热性，如型合金仍有较高的耐热性，如TiTi- -6.5Al6.5Al- -3.5Mo3.5Mo- -2Zr2Zr- -0.3Si0.3Si合金可在合金可在450450500500范围内使用。范围内使用。 +型钛合金的牌号、主要成分及力学性能型钛合金的牌号、主要成分及力学性能 3.6 铸造钛合金铸造钛合金 我国铸造钛合金的牌号我国铸造钛合金的牌号 是由主要合金元素符号加数字（合金元素名义百分含量）组成。是由主要合金元素符号加数字（合金元素名义百分含量）组成。 代号代号 由字母由字母ZTZT加加A A、B B、C C（分别表示（分别表示型、型、型、型、+型）及数字型）及数字组成。组成。 铸造钛

52、合金的牌号、主要成分及力学性能铸造钛合金的牌号、主要成分及力学性能 3.7 钛合金的应用钛合金的应用 钛合金泵钛合金泵 美美F-22战机约战机约36%重量的零重量的零件用钛合金制造件用钛合金制造 钛钢复合反应釜钛钢复合反应釜 钛管换热器钛管换热器 钛制蒸馏塔钛制蒸馏塔 纯钛主要用于纯钛主要用于 350350以下以下工作、强度要求不高的零工作、强度要求不高的零件，如石油化工用热交换件，如石油化工用热交换器、反应器，海水净化装器、反应器，海水净化装置及舰船零部件。置及舰船零部件。 钛合金氢泵钛合金氢泵诱导轮诱导轮 钛合金氢泵壳体钛合金氢泵壳体 钛合金卫星框架钛合金卫星框架 钛合金液下泵钛合金液下泵

53、 -Ti合金组织合金组织 常用牌号有常用牌号有TA5TA5、TA7TA7等等：主要用于：主要用于制造制造500500以下工作的零件，如飞机以下工作的零件，如飞机压气机叶片、导弹的燃料罐、超音压气机叶片、导弹的燃料罐、超音速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压速飞机的蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等。低温容器等。 钛合金管钛合金管 钛合金管应用钛合金管应用 型钛合金：型钛合金：TB2TB2、TB3TB3、TB4TB4 这类合金强度高，但冶这类合金强度高，但冶炼工艺复杂，难于焊接炼工艺复杂，难于焊接, ,应用受到限制。主要用应用受到限制。主要用于于350350以下工作的结构以下工作的结构件和紧固件件和紧固件, ,如飞机压气如飞机压气机叶片、轴、弹簧、轮机叶片、轴、弹簧、轮盘等。盘等。 钛合金棒钛合金棒 钛合金眼镜架钛合金眼镜架 钛离心泵钛离心泵 钛合金列管式换热器钛合金列管式换热器 +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。 +型钛合金主要用于制造400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. 生物医生物医用材料用材料 飞机压气机叶片飞机压气机叶片