金屬材料學(xué)第11章 鈦合金課件

1、2021-7-15 11.1概述 鈦及其合金是上世紀(jì)40年代發(fā) 展起來的一類新型結(jié)構(gòu)材料 o Ti的物理性能 純Ti熔點(diǎn)1668。 強(qiáng)度高，強(qiáng)度高， 是是Al的的6倍，塑性好，便于冷倍，塑性好，便于冷 熱加工。熱加工。 還具有超導(dǎo)、記憶、 儲氫等特殊性能。 o 熱處理熱處理 純純Ti不能熱處理強(qiáng)化，只能進(jìn)不能熱處理強(qiáng)化，只能進(jìn) 行冷變形強(qiáng)化，行冷變形強(qiáng)化，型鈦 合金可熱處理。 美美F-22戰(zhàn)機(jī)約戰(zhàn)機(jī)約36%重量的零件用鈦合金制重量的零件用鈦合金制 造造 11鈦合金titanium alloy 2021-7-15 o 純鈦主要用于純鈦主要用于 350以以 下工作、強(qiáng)度要求不高下工作、強(qiáng)度要求不高

2、 的零件，如石油化工用的零件，如石油化工用 熱交換器、反應(yīng)器，海熱交換器、反應(yīng)器，海 水凈化裝置及艦船零部水凈化裝置及艦船零部 件。件。 鈦鋼復(fù)合反應(yīng)釜鈦鋼復(fù)合反應(yīng)釜 鈦管換熱器鈦管換熱器 鈦制蒸餾塔鈦制蒸餾塔 2021-7-15 11.1.1鈦的基本性質(zhì)與合金化鈦的基本性質(zhì)與合金化 有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 ，bcc| 882| ，hcp 比強(qiáng)度高。比強(qiáng)度高。=4.51g/cm3，可保持到，可保持到550600 耐蝕性好。形成保護(hù)膜耐蝕性好。形成保護(hù)膜, 耐海水腐蝕性是最好的耐海水腐蝕性是最好的 低溫性能好。在低溫性能好。在77K下仍有良好的力學(xué)性能下仍有良好的力學(xué)性能 導(dǎo)熱系數(shù)低。

3、比鐵低導(dǎo)熱系數(shù)低。比鐵低4.5倍，易產(chǎn)生熱應(yīng)力倍，易產(chǎn)生熱應(yīng)力 主要合金元素有主要合金元素有A1、Zr、V 、Mo、Mn、Cr等等 2021-7-15 一、鈦的合金化及分類 （一）合金元素與鈦的作用 o 1）穩(wěn)定型相圖，擴(kuò)大 相區(qū)的元素有Al、Sn、O、 N、C等。 o 2）穩(wěn)定型相圖，擴(kuò)大 相區(qū)的元素有V、Mo 等。 o 3）+共析型相圖，使 共析的元素有Mn、Fe、Cr、 Cu、Si、 Ni、 Ag等。 o 4） 和全溶型相圖，如 Zr、Ha等。 圖11.1鈦與合金元素的典型二元線圖 a）穩(wěn)定型, Al、Sn；b)穩(wěn)定型V、Mo,c) +共析型, Mn、Cr；d)和全溶型， Ha、 Zr

4、Ti-Sn相圖 2021-7-15 穩(wěn)定型(包析) 穩(wěn)定型（共析） 和全溶型 共析型 2021-7-15 o （二）鈦合金的分類（GB/T362194） o 在退火狀態(tài)下，按組織分型鈦合金、型 鈦合金和型鈦合金，以TA、TB、TC 表示。符號后面的數(shù)字表示順序號。符號后面的數(shù)字表示順序號。 o TA7：Ti-5Al-2.5Sn o TB2：Ti-3Al-8Cr-5Mo-5V o TC4：Ti-6Al-4V 2021-7-15 2 2、+鈦合金鈦合金(Al/V、Mo) 合合 金金 化化 特特 點(diǎn)點(diǎn) 含含46%的的穩(wěn)定元素穩(wěn)定元素 和和同時(shí)強(qiáng)化。同時(shí)強(qiáng)化。 +合金性能主要由合金性能主要由相元素來決

5、定。相元素來決定。 相元素主要是鋁相元素主要是鋁， ， 67%以免生成以免生成2而而 韌性。另補(bǔ)加少量中性元素韌性。另補(bǔ)加少量中性元素錫和鋯錫和鋯。 元素選擇較復(fù)雜。元素選擇較復(fù)雜。+Mo和和V等，再適當(dāng)?shù)?，再適當(dāng)+少少 量量Mn和和Cr或微量或微量Si。 性性 能能 特特 點(diǎn)點(diǎn) +鈦合金力學(xué)性能變化范圍較寬，可適鈦合金力學(xué)性能變化范圍較寬，可適 應(yīng)各種用途，約占航空工業(yè)使用的鈦合金應(yīng)各種用途，約占航空工業(yè)使用的鈦合金70 以上。目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的以上。目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的+鈦合金鈦合金 是是Ti-A1-V系的系的Ti-6A1-4V，即，即TC4合金。合金。 2021-7-15 3 3、

6、鈦合金鈦合金(Mo(Mo、V/Cr)V/Cr) 鈦合金是發(fā)展高強(qiáng)度鈦合金潛力最大的合金。鈦合金是發(fā)展高強(qiáng)度鈦合金潛力最大的合金。 熱處理熱處理 特點(diǎn)特點(diǎn) 合金化特點(diǎn)：加入大量合金化特點(diǎn)：加入大量穩(wěn)定元素。穩(wěn)定元素。 熱處理特點(diǎn)熱處理特點(diǎn):室溫為單相室溫為單相組織，經(jīng)時(shí)效可組織，經(jīng)時(shí)效可 強(qiáng)度。淬火態(tài)下能冷成型強(qiáng)度。淬火態(tài)下能冷成型進(jìn)行時(shí)效處理。進(jìn)行時(shí)效處理。 性能性能 特點(diǎn)特點(diǎn) 與應(yīng)與應(yīng) 用用 強(qiáng)韌性優(yōu)于強(qiáng)韌性優(yōu)于+合金，具有良好的焊接性和合金，具有良好的焊接性和 壓力加工性。缺點(diǎn)是壓力加工性。缺點(diǎn)是元素濃度高，密度元素濃度高，密度，易，易 偏析，性能波動大。偏析，性能波動大。相元素多是稀有金

7、屬，價(jià)相元素多是稀有金屬，價(jià) 格格， 200使用，應(yīng)用受限制使用，應(yīng)用受限制. 目前應(yīng)用的加工鈦僅目前應(yīng)用的加工鈦僅TB2 ，主要用于制造各種主要用于制造各種 整體熱處理的沖壓件和焊接件；如輪盤、軸類整體熱處理的沖壓件和焊接件；如輪盤、軸類 等重載荷旋轉(zhuǎn)件，以及飛機(jī)的構(gòu)件等等重載荷旋轉(zhuǎn)件，以及飛機(jī)的構(gòu)件等 2021-7-15 11.1.2鈦合金的相變 C0 tk 2021-7-15 基基 本本 概概 念念 相相(bcc) 六方馬氏體六方馬氏體(hcp)； 斜方馬氏體。斜方馬氏體。 tk ：當(dāng)：當(dāng)t淬淬到一定溫度，到一定溫度，相濃度相濃度到到Ck時(shí)，時(shí)， 淬火到室溫淬火到室溫相也不發(fā)生相也不發(fā)生

8、M轉(zhuǎn)變的臨界淬火溫度。轉(zhuǎn)變的臨界淬火溫度。 Ck和和tk是非常重要的兩個(gè)參數(shù)。是非常重要的兩個(gè)參數(shù)。 Ck ： Ms相不發(fā)生相不發(fā)生M轉(zhuǎn)變的合金濃度轉(zhuǎn)變的合金濃度 鈦合金鈦合金M是置換型過飽和固溶體，與鋼間隙式是置換型過飽和固溶體，與鋼間隙式M不同不同 1、馬氏體轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變 2021-7-15 2 2、相的形成相的形成 穩(wěn)定型鈦合金的成分位于臨界濃度穩(wěn)定型鈦合金的成分位于臨界濃度Ck附近時(shí)，淬火時(shí)附近時(shí)，淬火時(shí) 除形成除形成或或r外，還能形成淬火外，還能形成淬火相，用相，用q表示。表示。 特特 點(diǎn)點(diǎn) 性性 質(zhì)質(zhì) 是六方晶格，與是六方晶格，與相有共格關(guān)系。相有共格關(guān)系。相形相形 狀與狀與M

9、e原子半徑原子半徑r有關(guān)，有關(guān)，r與鈦相差較小的合金，與鈦相差較小的合金， 相是橢圓形，相是橢圓形，r相差較大時(shí)為立方體形相差較大時(shí)為立方體形 相硬而脆，雖相硬而脆，雖強(qiáng)度、硬度和彈性模量，強(qiáng)度、硬度和彈性模量， 但塑性急劇但塑性急劇。一般情況下。一般情況下,相是有害組織，在相是有害組織，在 熱處理時(shí)都要避開它的形成區(qū)間。加熱處理時(shí)都要避開它的形成區(qū)間。加A1能抑制能抑制 相的形成相的形成 大多數(shù)工業(yè)用鈦合金都含有大多數(shù)工業(yè)用鈦合金都含有A1 2021-7-15 3、 過冷過冷(殘余）殘余）r 的形成的形成 o合金元素濃度較高，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度低于室溫，合金元素濃度較高，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度低于室溫，

10、 被被 凍結(jié)，形成凍結(jié)，形成r，成為，成為鈦合金。鈦合金。 o為體心立方，具有較好的塑性，冷加工性能與純鈦為體心立方，具有較好的塑性，冷加工性能與純鈦 相近。相近。 o鈦合金的合金元素量較大，固溶強(qiáng)化效果大；加工鈦合金的合金元素量較大，固溶強(qiáng)化效果大；加工 硬化性高；時(shí)效強(qiáng)化（析出硬化性高；時(shí)效強(qiáng)化（析出相強(qiáng)化）高相強(qiáng)化）高。 o鈦合金固溶后強(qiáng)度：鈦合金固溶后強(qiáng)度：750-950MPa，時(shí)效后強(qiáng)度，時(shí)效后強(qiáng)度 1000-1700MPa。 o 相中原子擴(kuò)散系數(shù)大，加熱溫度超過相中原子擴(kuò)散系數(shù)大，加熱溫度超過相變點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)粗大相變點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)粗大 晶粒，產(chǎn)生晶粒，產(chǎn)生“脆性脆性” 2021-7-15

11、 4 4、亞穩(wěn)定相的分解、亞穩(wěn)定相的分解 淬火形成的淬火形成的、和和 r相都是不穩(wěn)定的相都是不穩(wěn)定的 最終產(chǎn)物最終產(chǎn)物 都是平衡都是平衡 +相相 共析共析 型的型的 分解產(chǎn)物是分解產(chǎn)物是 +TixMy（）化合物）化合物 各種亞各種亞 穩(wěn)相分穩(wěn)相分 解過程解過程 （1）過冷）過冷r相分解相分解 ; （2）馬氏體分解，鈦合金）馬氏體分解，鈦合金、在在300 400發(fā)生快速分解，在發(fā)生快速分解，在400500回火時(shí)回火時(shí) 彌散度高的彌散度高的+相混合物，彌散強(qiáng)化。相混合物，彌散強(qiáng)化。 （3）相的分解。相的分解。 2021-7-15 11.2.1. 型鈦合金型鈦合金 o主加元素為鋁，還有錫、硼等。主加

12、元素為鋁，還有錫、硼等。 o不能熱處理強(qiáng)化，通常在退火不能熱處理強(qiáng)化，通常在退火 狀態(tài)下使用，組織為單相狀態(tài)下使用，組織為單相 固固 溶體。溶體。 o強(qiáng)度低于另兩類鈦合金，但高強(qiáng)度低于另兩類鈦合金，但高 溫強(qiáng)度、低溫韌性及耐蝕性優(yōu)溫強(qiáng)度、低溫韌性及耐蝕性優(yōu) 越。越。 o0.2Pd的加入引起陽極鈍化， 使腐蝕抗力提高1000倍。 鈦合金氫泵誘導(dǎo)鈦合金氫泵誘導(dǎo) 輪輪 鈦合金氫泵殼體鈦合金氫泵殼體 11.2常用鈦合金常用鈦合金 2021-7-15 o 型鈦合金型鈦合金屬于密排六方結(jié) 構(gòu)，較高的強(qiáng)度和良好的韌 性，對高溫氧污染有較強(qiáng)的 抗力，但成形性能較差。 o 常用牌號有常用牌號有TA5、TA7 等

13、。等。典型的鈦合金TA7 （Ti-5Al-2.5Sn），市場占 有20，組織穩(wěn)定、焊接性 好，比強(qiáng)度是鋁和鋼的兩倍， 用作飛機(jī)蒙皮和模鍛件。 oAl、Sn可使再結(jié)晶溫度和同 素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度升高。 鈦合金泵鈦合金泵 圖11.4Ti-Al二元合金相圖鈦端 2021-7-15 o 型鈦合金型鈦合金主要用于制造主要用于制造500以以 下工作的零件，如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、下工作的零件，如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、 導(dǎo)彈的燃料罐、超音速飛機(jī)的蝸輪導(dǎo)彈的燃料罐、超音速飛機(jī)的蝸輪 機(jī)匣及飛船上的高壓低溫容器等。機(jī)匣及飛船上的高壓低溫容器等。 鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金液下泵鈦合金液下泵 -Ti合金組織合金組織 20

14、21-7-15 11.2.2. + 型鈦合金型鈦合金 o加入的合金元素有鋁、釩、加入的合金元素有鋁、釩、 鉬鉬 、鉻等。、鉻等。 o可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，強(qiáng)度高，塑性好，具有良好的熱強(qiáng)可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，強(qiáng)度高，塑性好，具有良好的熱強(qiáng) 性、耐蝕性和低溫韌性。性、耐蝕性和低溫韌性。 鈦合金列管式換熱器鈦合金列管式換熱器 2021-7-15 o + 型鈦合金共有九個(gè)牌型鈦合金共有九個(gè)牌 號，其中以號，其中以 TC4(Ti6Al4V)應(yīng)用最廣、應(yīng)用最廣、 用量最大，用量最大，占市場55。 其經(jīng)過淬火加時(shí)效處理后，其經(jīng)過淬火加時(shí)效處理后， 組織為組織為 + +時(shí)效析出的時(shí)效析出的 針狀針狀 。 2021-7

15、-15 o + 型鈦合金型鈦合金主要用于主要用于 制造制造400196 o以下工作的飛機(jī)壓氣機(jī)以下工作的飛機(jī)壓氣機(jī) 葉片、火箭發(fā)動機(jī)外殼、葉片、火箭發(fā)動機(jī)外殼、 火箭和導(dǎo)彈的液氫燃料火箭和導(dǎo)彈的液氫燃料 箱部件及艦船耐壓殼體箱部件及艦船耐壓殼體 等。等。 生物醫(yī)用材生物醫(yī)用材 料料 飛機(jī)壓氣機(jī)葉片飛機(jī)壓氣機(jī)葉片 2021-7-15 o 11.2.3. 型鈦合金型鈦合金 o 加入的合金元素有鉬、加入的合金元素有鉬、 鉻、釩等。鉻、釩等。 o 經(jīng)淬火加時(shí)效處理后，經(jīng)淬火加時(shí)效處理后， 組織為組織為 相基體上分布相基體上分布 著細(xì)小的著細(xì)小的 相粒子。相粒子。 o 這類合金強(qiáng)度高，但這類合金強(qiáng)度高，

16、但 冶煉工藝復(fù)雜，難于冶煉工藝復(fù)雜，難于 焊接，應(yīng)用受到限制。焊接，應(yīng)用受到限制。 鈦合金管鈦合金管 鈦合金管應(yīng)用鈦合金管應(yīng)用 2021-7-15 o 型鈦合金有型鈦合金有TB2、 TB3、TB4三個(gè)牌三個(gè)牌 號。號。 o 主要用于主要用于350以以 下工作的結(jié)構(gòu)件和下工作的結(jié)構(gòu)件和 緊固件，如飛機(jī)壓緊固件，如飛機(jī)壓 氣機(jī)葉片、軸、彈氣機(jī)葉片、軸、彈 簧、輪盤等?；?、輪盤等。 鈦合金棒鈦合金棒 鈦合金眼鏡架鈦合金眼鏡架 鈦離心泵鈦離心泵 2021-7-15 11.3 鈦及鈦合金的發(fā)展與應(yīng)用鈦及鈦合金的發(fā)展與應(yīng)用 o 1、鈦合金生產(chǎn)工藝、鈦合金生產(chǎn)工藝 o 冶煉技術(shù)：電子束重熔技術(shù)，真空冶煉等冶

17、煉技術(shù)：電子束重熔技術(shù)，真空冶煉等 o 2、鈦合金的新發(fā)展、鈦合金的新發(fā)展 o 宇航工業(yè)宇航工業(yè) ：AlloyC是一個(gè)新型高溫鈦合金，使用溫度是一個(gè)新型高溫鈦合金，使用溫度 o 高達(dá)高達(dá)650 ，用于制造發(fā)動機(jī)的排氣管；，用于制造發(fā)動機(jī)的排氣管； o 船舶工業(yè)船舶工業(yè) ：深海潛水調(diào)查船的耐壓殼體。近：深海潛水調(diào)查船的耐壓殼體。近鈦合金鈦合金 o Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo和和+鈦合金鈦合金TC4； o 民品工業(yè)民品工業(yè) :電磁烹調(diào)器具電磁烹調(diào)器具 、網(wǎng)球球拍、高爾夫球頭、網(wǎng)球球拍、高爾夫球頭 ； o 汽車工業(yè)汽車工業(yè) :進(jìn)、排氣閥，目前僅用于賽車和運(yùn)動汽車；進(jìn)、排氣閥，目前僅用于

18、賽車和運(yùn)動汽車； o 化學(xué)工業(yè)化學(xué)工業(yè) :反應(yīng)器、熱交換器、吸收塔、冷卻器等；反應(yīng)器、熱交換器、吸收塔、冷卻器等； o 醫(yī)療領(lǐng)域醫(yī)療領(lǐng)域 :骨骼整補(bǔ)等嵌入材料骨骼整補(bǔ)等嵌入材料 。 2021-7-15 鈦合金是鈦合金是20世紀(jì)出現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)材料。它具有密度世紀(jì)出現(xiàn)的一種新型結(jié)構(gòu)材料。它具有密度 小、強(qiáng)度高、耐高溫和耐腐蝕等特點(diǎn)，且資源豐富，已成小、強(qiáng)度高、耐高溫和耐腐蝕等特點(diǎn)，且資源豐富，已成 為航天、化工等部門廣泛應(yīng)用的材料為航天、化工等部門廣泛應(yīng)用的材料 鈦合金塑性差，且不能熱處理強(qiáng)化鈦合金塑性差，且不能熱處理強(qiáng)化. 鈦合金主加元素是鈦合金主加元素是Cr、Mo、V等元素及少量鋁。主等元

19、素及少量鋁。主 要是時(shí)效硬化，因其明顯的缺點(diǎn)，應(yīng)用受到一定的限制要是時(shí)效硬化，因其明顯的缺點(diǎn)，應(yīng)用受到一定的限制 +鈦合金是目前最重要的鈦合金。同時(shí)加入鈦合金是目前最重要的鈦合金。同時(shí)加入穩(wěn)定穩(wěn)定 元素和元素和穩(wěn)定元素，使穩(wěn)定元素，使和和同時(shí)得到強(qiáng)化。力學(xué)性能變同時(shí)得到強(qiáng)化。力學(xué)性能變 化范圍較寬，可以適應(yīng)各種用途，約占航空工業(yè)使用的鈦化范圍較寬，可以適應(yīng)各種用途，約占航空工業(yè)使用的鈦 合金合金70以上。以上。 小小 結(jié)結(jié) 2021-7-15 o1 對于+兩相鈦合金，可采用下述熱處理方法強(qiáng)化 _ 。 oa 再結(jié)晶退火 b 淬火回火 oc 淬火時(shí)效 d 上述方法都不能強(qiáng)化 o2.根據(jù)退火組織，鈦合金分為哪三類？ o3.Ti6Al4V屬于哪一類鈦合金？合金中Al和V對組織各有何作用？ o4.為什么在幾乎所有的鈦合金中，均有一定含量的合金元素鋁？ 為什么鋁的加入量都