MetalMaterials-8-Ti

1、8.3 Titanium and its alloys 鈦及鈦合金是第二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展起來(lái)的新材料，具有很高的比強(qiáng)度和耐蝕性，已經(jīng)發(fā)展成主要的飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)材料。 在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也得到應(yīng)用。8.3.1 Pure titaniumu 高純鈦（99.9%） Density: 4.5g/cm3 Melting point: 1667oC Phase transformation: -Ti: hcp c=0.46843nm，a=0.29511nm c/a=1.587 -Ti: bcc a=0.332nm -Ti -Ti at 882.5oC 為什么高溫下更有利于形成低致密度結(jié)構(gòu)？ Elastic

2、modulus: 120GPa Very good corrosion resistance (against Cl-) 表面形成納米級(jí)氮化物和氧化物保護(hù)膜。u 工業(yè)純鈦（99.5%） 主要性能 雜質(zhì)元素使工業(yè)純鈦的強(qiáng)度提高，塑性降低，并有良好的沖壓性和焊接性。 在200430之間具有良好的耐熱性。 低溫性能較好，但受到N、H、O、C等雜質(zhì)影響。 海水環(huán)境中的耐蝕性與Ni合金及不銹鋼相當(dāng)。 塑性變形性能好。-Ti盡管也是hcp結(jié)構(gòu)，但其主滑移面是棱柱面10-10和棱錐面10-11，而且基面也可參與滑移，滑移系較多，故變形性好。 雜質(zhì)的影響 氧和氮與鈦形成間隙固溶體，顯著增大-Ti固溶體的晶格常

3、數(shù)c，而對(duì)晶格常數(shù)a幾乎沒(méi)有影響。提高強(qiáng)度、降低塑性。 氫含量達(dá)0.007時(shí)，強(qiáng)烈降低沖擊韌性，增大缺口敏感性。 氫在室溫時(shí)幾乎全部以硬脆的TiH2片沿固溶體晶界析出，使材料的韌性降低。 由于氫在-Ti中的溶解度比在-Ti中大，因此，氫對(duì)-Ti或+結(jié)構(gòu)的鈦合金的有害影響比單相鈦合金要小得多。Ti-H相圖相圖 碳也屬于間隙雜質(zhì)元素，含量超過(guò)0.1時(shí)，使鈦的強(qiáng)度顯著提高，而塑性急劇降低。 鐵也是鈦中常見(jiàn)的雜質(zhì)元素。鐵與鈦形成置換固溶體時(shí)，能起固溶強(qiáng)化作用，但對(duì)鈦的塑性影響不顯著，有害影響比間隙元素小。在某種情況下，鐵可作為合金元素強(qiáng)化鈦合金。 鈦與氫、氮、氧、碳元素反應(yīng)后，性質(zhì)將發(fā)生明顯變化，因此

4、其熔煉、鑄造、焊接等工藝過(guò)程應(yīng)在真空或惰性氣體中進(jìn)行；熱加工及熱處理也應(yīng)注意表面保護(hù)。8.3.2 Alloying and Classification 1. Alloying 1) forming elements Al, N, B, C 在-Ti和-Ti中都能有限溶解，但在中的溶解度大于 ，且提高相變溫度，擴(kuò)大相區(qū)，使相穩(wěn)定性提高。 forming elements, %Temperature, oC2) forming elements 在-Ti和-Ti中均能有限溶解，但在-Ti中的溶解度大于在-Ti中的溶解度，降低相變溫度，擴(kuò)大相區(qū)。A. Inducing eutectoid tran

5、sformation +intermetallic compound （共析反應(yīng)） Cr, Mn, Fe, Cu, Ni, Co, WAlloying elements, %Temperature, oC溫度降低，相發(fā)生共析分解。銅、硅等合金化時(shí)，共析轉(zhuǎn)變快；鐵、錳、鉻、鈷、鎳等合金化時(shí)速率慢，即使連續(xù)緩慢冷卻，也可能轉(zhuǎn)變不完全?？焖倮鋮s時(shí)，共析反應(yīng)可以被完全抑制，過(guò)冷相可保留到室溫。當(dāng)合金元素含量足夠高時(shí)，相可以完全過(guò)冷到室溫。B Expanding phase field Martensite can results from quenching Mo V Nb TaAlloying el

6、ements, %Temperature, oC與-Ti同晶型，二元相圖上不產(chǎn)生相共析分解但慢冷時(shí)析出相，快冷時(shí)有馬氏體相變。隨著合金元素含量達(dá)到臨界值，快冷使相成為室溫穩(wěn)定相。3) Neutral elements Dissolving in both and phases Zr, Hf, SnAlloying elements, %Temperature, oC在-Ti和-Ti中都有較大的溶解度，但對(duì)相變溫度影響不大；對(duì)相和相的穩(wěn)定性亦無(wú)明顯影響。2. Effects of alloying elementsZr & Sn: Solid solution strengthening

7、 Improving high temperature properties (creep strength) 強(qiáng)化效果不很明顯，通常不單獨(dú)使用Al: Solid solution strengthening in Reducing hydrogen embrittlement Increasing high temperature strength and elastic modulus強(qiáng)化效果優(yōu)于Zr和Sn超過(guò)7%后形成Ti3Al，降低塑性Al、Sn、Zr的影響V & Mo: 可無(wú)限溶解于-Ti，也可溶于-Ti Solid solution strengthening but no

8、t decreasing ductility significantly Improving high temperature strength and creep strength同晶型元素的影響Cu: Increasing high temperature strength and stability Solid solution strengthening Precipitation strengthening (TiCu2) Si: Increasing creep strength Decreasing high temperature stability Increasing so

9、lubility of H in Ti （降低氫脆敏感性）共析型元素的影響合金元素對(duì)高溫性能的影響規(guī)律 1）添加能提高合金固態(tài)相變溫度的元素，改善耐熱性的作用比較明顯。這是由于接近相變溫度時(shí)，組織穩(wěn)定性下降，原子活性增加，促使金屬軟化。因此耐熱鈦合金應(yīng)以穩(wěn)定化元素（Al）和中性元素（Zr、Sn）為主，至于穩(wěn)定化元素一般效果較差。合金元素對(duì)高溫性能的影響規(guī)律 2）從組織角度來(lái)看，在單相固溶體濃度范圍內(nèi)，耐熱性隨濃度的增加而提高，組織中出現(xiàn)第二相時(shí)則有所下降。因?yàn)閺?fù)相組織在加熱過(guò)程中將發(fā)生相變，促使相界附近的原子擴(kuò)散，故耐熱性下降。按照這一特點(diǎn)，耐熱鈦合金應(yīng)以單相組織為主，實(shí)際一般選用型或近型合金

10、作為高溫工作的材料。 3）某些金屬間化合物（如Ti3Al、TiAl）具有很高的耐熱性，但塑性低，給加工造成困難。 因此，目前鈦合金中應(yīng)用最廣泛的合金元素是鋁鋁，不僅可明顯提高常溫及高溫強(qiáng)度，還可提高“+”合金的時(shí)效硬化能力，改善合金的抗氧化性能，降低密度。3. Classification根據(jù)退火組織（主要取決于成分） titanium alloys (TA) 退火組織為固溶體，主要元素是Al、Zr、Sn等。 加少量穩(wěn)定元素得到近鈦合金，退火后有少量相。 titanium alloys (TB) 退火組織為固溶體 含大量相穩(wěn)定元素，多數(shù)還含Al、Zr、Sn等 鈦合金室溫強(qiáng)度可達(dá)到鈦合金水平，并

11、有更佳的工藝性能，不過(guò)高溫強(qiáng)度較低。 + titanium alloys+ titanium alloys 退火組織為+兩相固溶體，含有較多的相穩(wěn)定元素和相穩(wěn)定元素。組織和性能的可調(diào)節(jié)范圍較大。+ 鈦合金的幾種典型組織特征4. Properties of titanium alloys Advantages: High specific strength Good high temperature strength Good cryogenic properties Good corrosion resistance Disadvantages: Poor hot and cold forma

12、bility Poor machinability Poor wear resistance8.3.3 Phase transformation and heat treatment 少數(shù)鈦合金屬于時(shí)效強(qiáng)化型，如如Ti- Cu系，可以進(jìn)行時(shí)效（如Ti2Cu）強(qiáng)化； 大多數(shù)鈦合金與鋼的熱處理相似，通過(guò)熱處理控制相變，發(fā)生馬氏體相變。 淬火后能否得到亞穩(wěn)定相，是判斷能否熱處理強(qiáng)化的先決條件。一般只含單一穩(wěn)定元素或中性元素的鈦合金，得不到亞穩(wěn)定相。 1. Martensite transformation and quenching 含穩(wěn)定元素如Mo、W、V、Nb、Ta和Cr、Fe、Mn等的合金，加

13、熱到相區(qū)淬火后，可以得到不同的亞穩(wěn)定相、如、”、和過(guò)冷的相，導(dǎo)致合金的力學(xué)性能發(fā)生變化。因此可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。 不同的淬火溫度可以得到不同的亞穩(wěn)定相，因此鈦合金的熱處理工藝較為復(fù)雜。Martensite transformation 相是鈦合金自相區(qū)淬火時(shí)，發(fā)生無(wú)擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變形成的一種合金元素在六方晶格的-Ti中的過(guò)飽和固溶體的針狀組織，其硬度略比平衡相高。這種轉(zhuǎn)變與鋼中的馬氏體轉(zhuǎn)變相似。故的轉(zhuǎn)變稱為鈦合金的馬氏體相變。含金元素對(duì)鈦合金Ms點(diǎn)的影響 鈦合金中的馬氏體都是置換型過(guò)飽和固溶體，其硬度較低，而塑性很好，對(duì)鈦合金的強(qiáng)化作用不大。Other metastable phases 當(dāng)合金元素

14、含量達(dá)到某一水平時(shí)，Ms點(diǎn)降低至室溫以下，馬氏體轉(zhuǎn)變完全被抑制，淬火后得到過(guò)冷的固溶體，用表示。 相是淬火時(shí)以無(wú)擴(kuò)散型相變改組為六方晶格的結(jié)果。原子的位移較形成相時(shí)小，也是一種馬氏體相。但是相具有斜方點(diǎn)陣，硬度比相更低。 相可以在淬火時(shí)由以無(wú)擴(kuò)散型相變形成；也可以在相向相轉(zhuǎn)變的過(guò)程中以過(guò)渡相形式出現(xiàn)，這一過(guò)程是擴(kuò)散型的。2. TTT curve of undercooled 鈦合金的過(guò)冷相的分解過(guò)程也可以用C曲線來(lái)表示。在較高溫度等溫時(shí)，直接分解為+。隨著等溫分解溫度降低，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物愈細(xì)，的強(qiáng)度、硬度愈高。等溫分解溫度比較低時(shí)，相分解過(guò)程為： + 。中出現(xiàn)相時(shí)，塑性急劇降低，熱處理時(shí)應(yīng)避免產(chǎn)生這

15、種相。加入的穩(wěn)定元素的數(shù)量和穩(wěn)定相的能力增大，C曲線向右下方移動(dòng)3. Aging of titanium alloys + + 鈦合金的時(shí)效強(qiáng)化效果主要來(lái)自固溶體第二相，而鋁鈦合金的時(shí)效強(qiáng)化效果主要來(lái)自固溶體第二相，而鋁合金的時(shí)效強(qiáng)化效果主要來(lái)自金屬間化合物第二相。合金的時(shí)效強(qiáng)化效果主要來(lái)自金屬間化合物第二相。8.3.4 Different types of titanium alloys1、型鈦合金 主要合金元素是穩(wěn)定元素鋁，其次是中性元素錫和鋯，有時(shí)還加入少量活性共析型穩(wěn)定元素。 鋁、錫和鋯固溶強(qiáng)化，并提高合金的強(qiáng)度和耐熱性。少量銅的作用是提高合金的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性。 型鈦合金不能熱處理強(qiáng)

16、化。具有良好的熱穩(wěn)定性、熱強(qiáng)性及優(yōu)良的焊接掛。室溫強(qiáng)度較低，塑性變形能力較差。2、 型鈦合金 含有大量鉻、鉬、釩等穩(wěn)定元素，此外還加入少量鋁、鉻、錫等，以增加時(shí)效強(qiáng)化效果。目前工業(yè)上使用的型鈦合金都是淬火后得到的介穩(wěn)定型合金。型鈦合金的特點(diǎn)是在淬火狀態(tài)具有很好塑性，可以冷成型，板材能連續(xù)生產(chǎn)，時(shí)效后具有很高的強(qiáng)度，可焊性好，但熱穩(wěn)定性差。3、+型鈦合金 主要合金元素是穩(wěn)定元素釩、錳、鉻、鐵、鉬等，固溶強(qiáng)化和提高相的穩(wěn)定性，并通過(guò)淬火獲得介穩(wěn)定的相，使合金具有時(shí)效強(qiáng)化效果。鋁和錫在合金中主要是溶入相，少量溶于相，提高合金強(qiáng)度。 兼有型和型兩類鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的力學(xué)性能和優(yōu)良的高溫變形能力，

17、能較順利地進(jìn)行各種熱加工，并能通過(guò)淬火和時(shí)效處理，使合金的強(qiáng)度大幅度提高。這類合金的熱穩(wěn)定性較差，焊接性能不如鈦合金。疊加方向疊加方向 金相組織SLM（Selective Laser Melting）成形TC4合金可以看出層狀特征以及樹(shù)枝狀外延生長(zhǎng)特征，組織細(xì)小，耐蝕性強(qiáng)。 物相組成三種狀態(tài)的三種狀態(tài)的TC4材料均只檢測(cè)到材料均只檢測(cè)到相相抗拉強(qiáng)度b1220MPa （棒材950MPa）屈服極限0.21030MPa延伸率=8.3% （棒材10%） 拉伸性能及斷口形貌拉伸性能及斷口形貌斷口上主要為細(xì)小韌窩，顯示較好的韌性。Ti-Ni合金食道支架血管支架航空用鈦合金鈦金屬牙刷鈦眼鏡架鈦合金種植牙8.3.5 鈦合金的應(yīng)用 航空、航天、軍工、民用等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；在生物材料領(lǐng)域也有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。醫(yī)用鈦合金概述u 主要優(yōu)點(diǎn) 耐蝕性好（人體內(nèi)有大量Cl離子）