神奇的鈦合金

1、神奇的鈦合金神奇的鈦合金主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容一、鈦合金及其應(yīng)用簡(jiǎn)介一、鈦合金及其應(yīng)用簡(jiǎn)介 二、純鈦的物理化學(xué)性質(zhì)二、純鈦的物理化學(xué)性質(zhì) 三、海綿鈦及鈦合金制備三、海綿鈦及鈦合金制備四、合金元素及常用牌號(hào)四、合金元素及常用牌號(hào)五、我們鈦合金研究近況五、我們鈦合金研究近況 鈦鈦 Titanium元素周期表： #22，原子量 47.880 IVB 族1791年: 英國(guó)化學(xué)家 格雷戈?duì)?鈦鐵礦和金紅石1795年: 德國(guó)化學(xué)家 克拉普羅特 匈牙利產(chǎn)的金紅石 格雷戈?duì)柡涂死樟_特: 鈦是粉末狀的二氧化鈦1910年: 美國(guó)化學(xué)家 亨特 99.9%的金屬鈦合金特點(diǎn)：鈦合金特點(diǎn)：密度小，密度小，比鋼輕比鋼輕1

2、/3比強(qiáng)度高比強(qiáng)度高耐高溫耐高溫耐腐蝕耐腐蝕生物相容生物相容航天航空航天航空能源能源生物學(xué)生物學(xué)TiAlTiAl合金在飛機(jī)上的應(yīng)用合金在飛機(jī)上的應(yīng)用TiAlTiAl基高溫合金葉片有基高溫合金葉片有效的提高飛機(jī)推動(dòng)效率效的提高飛機(jī)推動(dòng)效率和降低飛行過(guò)程能耗和降低飛行過(guò)程能耗藥物傳遞植入藥物傳遞植入外科微創(chuàng)組件外科微創(chuàng)組件種植體種植體骨科脊椎植入物骨科脊椎植入物心血管器心血管器泌尿?qū)W泌尿?qū)W人體醫(yī)用骨架人體醫(yī)用骨架如果上述部件全部采用鈦合金，汽車(chē)能減重如果上述部件全部采用鈦合金，汽車(chē)能減重200kg 節(jié)能節(jié)能 10-15%奔馳百年款鈦合金分裂式奔馳百年款鈦合金分裂式5幅條灰色輪轂幅條灰色輪轂 日本的

3、汽車(chē)中鈦合金應(yīng)用現(xiàn)狀； 德國(guó) 歐洲 世界趨勢(shì) 鈦合金及其應(yīng)用簡(jiǎn)介鈦合金及其應(yīng)用簡(jiǎn)介 2000年以來(lái)中國(guó)鈦加工材產(chǎn)量年以來(lái)中國(guó)鈦加工材產(chǎn)量鈦合金及其應(yīng)用簡(jiǎn)介鈦合金及其應(yīng)用簡(jiǎn)介 鈦合金及其應(yīng)用簡(jiǎn)介鈦合金及其應(yīng)用簡(jiǎn)介 鈦合金及其應(yīng)用簡(jiǎn)介鈦合金及其應(yīng)用簡(jiǎn)介 通過(guò)下列步驟，鈦礦石 (主要為金紅石，TiO2) 轉(zhuǎn)變?yōu)楹＞d鈦 ：Cl2 與礦石中的TiO2反應(yīng)，形成TiCl4；TiCl4經(jīng)分級(jí)蒸餾而凈化；在A(yíng)r保護(hù)下，液態(tài)TiCl4 與 Mg 或Na 反應(yīng)，獲得海綿鈦。鈦的提取生產(chǎn)過(guò)程：鈦鐵礦或金紅石高純度四氯化鈦鎂還原四氯化鈦海綿鈦鈦材和鈦粉。主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容一、鈦合金及其應(yīng)用簡(jiǎn)介一、鈦合金及其應(yīng)用簡(jiǎn)

4、介 二、純鈦的物理化學(xué)性質(zhì)二、純鈦的物理化學(xué)性質(zhì) 三、海綿鈦及鈦合金制備三、海綿鈦及鈦合金制備四、合金元素及常用牌號(hào)四、合金元素及常用牌號(hào) 五、我們鈦合金研究近況五、我們鈦合金研究近況 物理性能：屬B族元素，原子序數(shù)為22，原子量為47.9。有兩種同素異晶體，其轉(zhuǎn)變溫度為882.5。 低于882.5，為密排六方-Ti： 點(diǎn)陣常數(shù)(20)為： a0.295111 nm，c0.468433nm，ca=1.5873 882.5熔點(diǎn)，為體心立方-Ti：點(diǎn)陣常數(shù)在25時(shí)， a=0.3282nm；900 時(shí)a=0.33065nm。密度為4.5。鈦的彈性模量低，只有鐵的一半。熔點(diǎn)1668，導(dǎo)電性較差（僅為銅

5、的3.1%），導(dǎo)熱系數(shù)（鐵的六分之一）和線(xiàn)脹系數(shù)（與玻璃的相近）均較低。鈦無(wú)磁性，在強(qiáng)磁場(chǎng)下也不會(huì)磁化，用鈦制人造骨和關(guān)節(jié)植入人體內(nèi)不會(huì)受雷雨天氣的影響。鈦?zhàn)枘嵝缘?，適宜做共振材料。當(dāng)溫度低于0.49K時(shí)，鈦呈現(xiàn)超導(dǎo)特性，經(jīng)過(guò)適當(dāng)合金化，超導(dǎo)溫度可提高到910K。 純鈦的物理化學(xué)性質(zhì)純鈦的物理化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)：化學(xué)性質(zhì)：室溫下鈦比較穩(wěn)定，高溫下很活潑，熔化態(tài)能與絕大室溫下鈦比較穩(wěn)定，高溫下很活潑，熔化態(tài)能與絕大多數(shù)坩堝或造型材料發(fā)生作用。多數(shù)坩堝或造型材料發(fā)生作用。高溫下與鹵素、氧、硫、碳、氮等進(jìn)行強(qiáng)烈反應(yīng)。高溫下與鹵素、氧、硫、碳、氮等進(jìn)行強(qiáng)烈反應(yīng)。鈦在真空或惰性氣氛下熔煉，如真空自耗電弧爐

6、、電鈦在真空或惰性氣氛下熔煉，如真空自耗電弧爐、電子束爐、等離子熔爐等設(shè)備中熔煉。子束爐、等離子熔爐等設(shè)備中熔煉。鈦在氮?dú)庵屑訜峒茨馨l(fā)生燃燒，鈦塵在空氣中有爆炸鈦在氮?dú)庵屑訜峒茨馨l(fā)生燃燒，鈦塵在空氣中有爆炸危險(xiǎn)，所以鈦材加熱和焊接宜用氬氣作保護(hù)氣體。危險(xiǎn)，所以鈦材加熱和焊接宜用氬氣作保護(hù)氣體。鈦在室溫可吸收氫氣，在鈦在室溫可吸收氫氣，在500以上吸氣能力尤為強(qiáng)烈，以上吸氣能力尤為強(qiáng)烈，故可作為高真空電子儀器的脫氣劑；利用鈦吸氫和放故可作為高真空電子儀器的脫氣劑；利用鈦吸氫和放氫的特性，可以作儲(chǔ)氫材料。氫的特性，可以作儲(chǔ)氫材料。 純鈦的物理化學(xué)性質(zhì)純鈦的物理化學(xué)性質(zhì)純鈦的物理化學(xué)性質(zhì)純鈦的物理化

7、學(xué)性質(zhì)耐蝕性能： 鈦的標(biāo)準(zhǔn)電極電位很低(E=1.63V)，但鈦的致鈍電位亦低，故鈦容易鈍化。 常溫下鈦表面極易形成由氧化物和氮化物組成的鈍化膜，它在大氣及許多浸蝕性介質(zhì)中非常穩(wěn)定，具有很好的抗蝕性。 在大氣、海水、氯化物水溶液及氧化性酸(硝酸、鉻酸等)和大多數(shù)有機(jī)酸中，其抗蝕性相當(dāng)于或超過(guò)不銹鋼，在海水中耐蝕性極強(qiáng)，可與白金相比，是海洋開(kāi)發(fā)工程理想的材料。 鈦與生物體有很好相容性，而且無(wú)毒，適做生物工程材料。 鈦在還原性酸(濃硫酸、鹽酸、正磷酸)、氫氟酸、氯氣、熱強(qiáng)堿、某些熱濃有機(jī)酸及氧化鋁溶液中不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈腐蝕。另外，鈦合金有熱鹽應(yīng)力腐蝕傾向。 鈦在550以下能與氧形成致密的氧化膜，具

8、有良好的保護(hù)作用。在538以下，鈦的氧化符合拋物線(xiàn)規(guī)律。但在800以上，氧化膜會(huì)分解，氧原子以氧化膜為轉(zhuǎn)換層進(jìn)入金屬晶格，此時(shí)氧化膜已失去保護(hù)作用，使鈦很快氧化。 真空電弧熔煉制備鈦鑄件真空電弧熔煉制備鈦鑄件熔化熔化澆鑄澆鑄成型成型這種名為“激光立體成形(Laser Additive Manufacturing)”的3D打印技術(shù)通過(guò)激光融化金屬粉末，幾乎可以“打印”任何形狀的產(chǎn)品。其最大的特點(diǎn)是，使用的材料為金屬，“打印”的產(chǎn)品具有極高的力學(xué)性能，能滿(mǎn)足航空航天、模具、汽車(chē)、醫(yī)學(xué)、齒科、工藝品等不同行業(yè)的需求。殲殲-16-16原型機(jī)原型機(jī)3D3D打印機(jī)打印機(jī)方坯作為電極， 其一端位于交流電加熱

9、的電渣熔池中；熔融金屬與高溫電渣反應(yīng)，電渣中還可加入合金元素用以調(diào)整合金成分；已熔化金屬流經(jīng)熔渣進(jìn)入熔池而被提純，最終凝固成電渣精煉鑄錠；精煉時(shí)，非金屬雜質(zhì)和熔渣發(fā)生反應(yīng)，熔融金屬中的夾雜物被電渣吸收去除。屬于非直接結(jié)晶，消除了中心結(jié)晶孔，提高了均勻性。 電渣精煉法在水冷銅坩堝中熔化金屬；所用熱源為等離子槍或電子束 ；與坩堝壁接觸的金屬液形成凝固殼層 (凝固的鈦) ，而熔融的鈦合金浮于殼層上部， 阻止坩堝污染鈦合金熔體；大密度夾雜物沉積到坩堝底部而去除。等離子弧熔煉(PAM)它是對(duì)真空電弧熔煉的改進(jìn)電子束熔煉由爐壁側(cè)底面加入要熔化的材料，熔化熱源為電子束。 金屬液體位于坩堝上部，這樣就獲得了優(yōu)

10、質(zhì)鑄錠。水冷銅坩堝可避免爐襯材料的污染； 裝入坩堝中的金屬受感應(yīng)電源的磁場(chǎng)作用而熔化； 熔化的金屬液體在坩堝底、側(cè)壁凝固形成殼層；生產(chǎn)低成本、高質(zhì)量鈦合金。感應(yīng)凝殼熔煉法主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容一、鈦合金及其應(yīng)用簡(jiǎn)介一、鈦合金及其應(yīng)用簡(jiǎn)介 二、純鈦的物理化學(xué)性質(zhì)二、純鈦的物理化學(xué)性質(zhì) 三、海綿鈦及鈦合金制備三、海綿鈦及鈦合金制備四、合金元素及常用牌號(hào)四、合金元素及常用牌號(hào) 五、我們鈦合金研究近況五、我們鈦合金研究近況 合金元素及常用牌號(hào)合金元素及常用牌號(hào) 鋯、鉿與鈦同族，具有相似的外層電子構(gòu)造，相同的晶體結(jié)構(gòu)和原子半徑，均有同素異晶轉(zhuǎn)變，與-Ti及-Ti形成連續(xù)固溶體。 合金元素與、均形成連續(xù)固

11、溶體相圖合金元素及常用牌號(hào)合金元素及常用牌號(hào) 鉬、釩、鉭、鈮 都為體心立方結(jié)構(gòu)，與為體心立方結(jié)構(gòu)，與-Ti同晶同晶，稱(chēng)為同晶元素。降低相變點(diǎn)，穩(wěn)定相。 組元達(dá)到一定濃度值后，高溫相可穩(wěn)定到室溫，對(duì)應(yīng)這一濃度值稱(chēng)為臨界濃度臨界濃度Ck。Ck反映合金元素穩(wěn)定相能力大小，其值越小穩(wěn)定相能力就越大。穩(wěn)定相能力按鉬鉬釩釩 鉭鉭 鈮鈮次序遞減。 加入這類(lèi)元素的鈦合金組織穩(wěn)定性好，不會(huì)發(fā)生共析轉(zhuǎn)變或包析轉(zhuǎn)變，同時(shí)能強(qiáng)化相，并保持良好的塑性。合金元素與合金元素與-Ti-Ti無(wú)限互溶，與無(wú)限互溶，與-Ti-Ti有限溶解的相圖有限溶解的相圖 CrCr、MnMn、FeFe、CoCo、NiNi、CuCu、SiSi、B

12、iBi、W W、H H 在-Ti中溶解度比在-Ti中大，降低(+) /相變溫度，其穩(wěn)定相的能力比同晶元素要大。 這類(lèi)元素與鈦易形成化合物，如Ti-Mn系中形成TiMn()等化合物，含有這類(lèi)元素的合金從相區(qū)冷到共析溫度時(shí)，相發(fā)生共析分解，這類(lèi)元素稱(chēng)為共析元素共析元素。 鉻、鎢鉻、鎢：與-Ti完全互溶，但因原子尺寸或電化學(xué)性質(zhì)與鈦相差較大，在固態(tài)還有共析轉(zhuǎn)變，因此歸入共析元素。 Ti-Cr系共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為+TiCr2。 Ti-W系為+富鎢固溶體2。 錳、鐵、鈷錳、鐵、鈷：共析轉(zhuǎn)變速度極慢，熱處理?xiàng)l件下難以進(jìn)行共析轉(zhuǎn)變，稱(chēng)為慢共析元素慢共析元素(非活性共析元素)； 鎳、銅、硅、銀、氫等鎳、銅、硅、銀

13、、氫等：共析轉(zhuǎn)變極快，淬火也不能抑制其轉(zhuǎn)變，稱(chēng)為快共析元素快共析元素(活性共析元素)。與、鈦均有限互溶，并具有共析轉(zhuǎn)變的相圖 除錫對(duì)相變點(diǎn)影響不大，歸為中性元素外，其它元素都提高相變點(diǎn)，擴(kuò)大相區(qū)，稱(chēng)為穩(wěn)定元素。 這類(lèi)元素為強(qiáng)化相的主要元素，其中鋁和錫應(yīng)用較多。與和鈦均有限溶解，并有包析反應(yīng)的相圖：鋁、鎵、錫、硼、碳、氮、氧 鈦合金中的常加入的合金元素：鋁、錫、鋯、鉬、釩、鉻、鐵、硅、銅、稀土鋁、錫、鋯、鉬、釩、鉻、鐵、硅、銅、稀土，其中應(yīng)用最多的是鋁鋁。鋁：除工業(yè)純鈦外，各類(lèi)鈦合金中幾乎都添加鋁，鋁主要起固溶強(qiáng)化作用，每添加1Al，室溫抗拉強(qiáng)度增加50MPa。 鋁在鈦中的極限溶解度為7.5；超

14、過(guò)極限溶解度后，組織中出現(xiàn)有序相Ti3Al(2)，對(duì)合金的塑性、韌性及應(yīng)力腐蝕不利，故一般加鋁量不超過(guò)7。 鋁改善抗氧化性，鋁比鈦還輕，能減小合金密度，并顯著提高再結(jié)晶溫度，如添加5Al可使再結(jié)晶溫度從純鈦600提高到800。鋁提高鈦固溶體中原子間結(jié)合力，從而改善熱強(qiáng)性。在可熱處理合金中，加入約3的鋁，可防止由亞穩(wěn)定相分解產(chǎn)生的相而引起的脆性。鋁還提高氫在-Ti中的溶解度，減少由氫化物引起氫脆的敏感性。鈦合金鈦合金中常見(jiàn)合金元素的作用中常見(jiàn)合金元素的作用合金元素及常用牌號(hào)合金元素及常用牌號(hào) 錫和鋯： 屬中性元素，在-Ti和-Ti中均有較大溶解度，常與其他元素同時(shí)加入，起補(bǔ)充強(qiáng)化作用。 為保證耐

15、熱合金獲得單相組織，除鋁以外，還加入鋯和錫進(jìn)一步提高耐熱性；同時(shí)對(duì)塑性不利影響比鋁小，使合金具有良好的壓力加工性和焊接性能。 錫能減少對(duì)氫脆的敏感性。鈦錫系合金中，錫超過(guò)一定濃度后形成有序相Ti3Sn，降低塑性和熱穩(wěn)定性。 為了防止有序相Ti3X(2相)的出現(xiàn)，考慮到鋁和其它元素對(duì)2相析出的影響，Rosenberg提出鋁當(dāng)量公式。 *% 1/3% 1/6% 1/2% 10 %8 9%AlAlSnZrGaO只要鋁當(dāng)量89，就不出現(xiàn)2相。合金元素及常用牌號(hào)合金元素及常用牌號(hào) 鉬、釩： 穩(wěn)定元素中應(yīng)用最多，固溶強(qiáng)化相，并顯著降低相變點(diǎn)、增加淬透性，從而增強(qiáng)熱處理強(qiáng)化效果。含釩或鉬的鈦合金不發(fā)生共析反

16、應(yīng)，在高溫下組織穩(wěn)定性好；但單獨(dú)加釩，合金耐熱性不高，其蠕變抗力只能維持到400；鉬提高蠕變抗力的效果比釩高，但密度大；鉬還改善合金的耐蝕性，尤其是提高合金在氯化物溶液中抗縫隙腐蝕能力。 合金元素及常用牌號(hào)合金元素及常用牌號(hào) 錳、鉻： 強(qiáng)化效果大，穩(wěn)定相能力強(qiáng)，密度比鉬、鎢等小，故應(yīng)用較多，是高強(qiáng)亞穩(wěn)定型鈦合金的主要加入元素。但它們與鈦形成慢共析反應(yīng)，在高溫長(zhǎng)期工作時(shí)，組織不穩(wěn)定，蠕變抗力低；當(dāng)同時(shí)添加同晶型元素，特別是鉬 時(shí)，有抑制共析反應(yīng)的作用。 硅硅： 共析轉(zhuǎn)變溫度較高(860)，加硅可改善合金的耐熱性能，因此在耐熱合金中常添加適量硅，加入硅量以不超過(guò)相最大固溶度為宜，一般為0.25左右

17、。由于硅與鈦的原子尺寸差別較大，在固溶體中容易在位錯(cuò)處偏聚，阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高耐熱性。合金元素及常用牌號(hào)合金元素及常用牌號(hào) 稀土稀土： 提高合金耐熱性和熱穩(wěn)定性。稀土的內(nèi)氧化作用，形成了細(xì)小穩(wěn)定的RExOv顆粒，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化。由于內(nèi)氧化降低了基體中的氧濃度，并促使合金中的錫轉(zhuǎn)移到稀土氧化物中，這有利于抑止脆性2相析出。此外，稀土還有強(qiáng)烈抑制晶粒長(zhǎng)大和細(xì)化晶粒的作用，因而改善合金的綜合性能。小結(jié)：合金元素的作用： 固溶強(qiáng)化：提高室溫強(qiáng)度最顯著的元素為鐵、錳，鉻、硅，其次為鋁、鉬、釩，而鋯、錫、鉭、鈮強(qiáng)化效果差。穩(wěn)定相或相：合金元素提高或降低相變點(diǎn)。增強(qiáng)熱處理強(qiáng)化效果：穩(wěn)定元素增加合金淬透性。

18、消除有害作用：鋁、錫防止相，稀土抑制2相析出，同晶元素阻制相共析分解。改善合金的耐熱性：加入鋁、硅、鋯，稀士等。提高合金的耐蝕性和擴(kuò)大鈍化范圍：加鈀、釕、鉑，鉬等。合金元素及常用牌號(hào)合金元素及常用牌號(hào) 各類(lèi)合金元素對(duì)鈦合金常規(guī)力學(xué)性能的影響： 穩(wěn)定元素：鋁的固溶強(qiáng)化效果最大，鋯、錫次之。鋯、錫一般不單獨(dú)加入，而是與其它元素復(fù)合加入。 同晶元素：合金元素濃度超過(guò)相極限溶解度時(shí)，將進(jìn)入+相區(qū)，此時(shí)合金元素優(yōu)先溶于相，因而相具有更高的強(qiáng)度和硬度，合金強(qiáng)度將隨組織中相所占比例增加而提高，大約至相和相各占50時(shí)強(qiáng)度達(dá)到峰值。再增加相數(shù)量，強(qiáng)度反而有所下降。強(qiáng)化作用按鉬、釩、鉭、鈮次序遞減。 共析型穩(wěn)定元

19、素：對(duì)合金性能的影晌規(guī)律和同晶型元素相似，特別是非活性共析元素鉻、錳、鐵在一般生產(chǎn)和熱處理?xiàng)l件下，共析轉(zhuǎn)變并不發(fā)生，因此可將鉬、釩等組元同等對(duì)待，退火組織仍為+相。但在高溫長(zhǎng)期使用的耐熱合金，非活性共析元素的存在，將降低材料的熱穩(wěn)定性。 合金元素對(duì)性能的影響合金元素對(duì)性能的影響 合金耐熱性取決于金屬基體鍵合能力、原子擴(kuò)散過(guò)程及組織穩(wěn)定性。鈦合金耐熱性與相圖類(lèi)型及成分的關(guān)系為：?jiǎn)蜗喙倘荏w的耐熱性隨溶解度增加而提高，當(dāng)組織中出現(xiàn)第二相時(shí)則有所下降；因+兩相組織在加熱時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)變，相界附近原子擴(kuò)散，且原子在相中的擴(kuò)散比相快，這導(dǎo)致耐熱性下降。所以，耐熱合金以單相組織為宜，常用型或近型鈦合金作為高溫材料

20、。 提高鈦合金固態(tài)相變溫度的合金元素，可改善耐熱性。 在相變溫度附近，組織穩(wěn)定性下降，原子活性增加，從而金屬軟化。因此，耐熱合金的合金化應(yīng)以穩(wěn)定元素(如鋁)和中性元素(錫、鋯)為主；穩(wěn)定化元素中，只有鉬、鎢（強(qiáng)烈提高鈦原子鍵合能力）及硅、銅（提高共析轉(zhuǎn)變溫度）等元素，在適當(dāng)濃度范圍內(nèi)可有效地增加合金的熱強(qiáng)性。某些金屬間化合物的耐熱性高，如Ti-Al系中Ti3Al(2相 、TiAl() 。共析轉(zhuǎn)變溫度低的合金在高溫易軟化，耐熱性差，如Ti-Mn、Ti-Fe合金。 按組織類(lèi)型分： （用用TA表示表示）：）：全全、近、近和和+化合物合金化合物合金 。以鋁、錫、鋯為主要合金元素，在近型鈦合金中還添加少

21、量穩(wěn)定化元素，如鉬、釩、鉭、鈮、鎢、銅、硅等 （用用TB表示表示）：）：熱力學(xué)穩(wěn)定型熱力學(xué)穩(wěn)定型合金、亞穩(wěn)定合金、亞穩(wěn)定型合金和近型合金和近型合金型合金 （用用TC表示表示）：）：以以Ti-Al為基再加適量為基再加適量穩(wěn)定元素穩(wěn)定元素 TA4 Ti-3Al TA7 Ti-5Al-2.5Sn TA8 Ti-5Al-2.5Sn-3Cu-1.5Zr TC1 Ti-2Al-1.5Mn TC3 Ti-4Al-4V TC4 Ti-6Al-4V TC6 Ti-6Al-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3Si TB2 Ti-5Mo-5V-3Cr-3Al TA表示組織為表示組織為的鈦合金的鈦合金包括全包括

22、全、近、近和和+化合物合金化合物合金 鋁、錫、鋯為主要合金元素， 近型鈦合金中還添加少量穩(wěn)定化元素，如鉬、釩、鉭、鈮、鎢、銅、硅等 共共33個(gè)牌號(hào)。個(gè)牌號(hào)。 合金元素及常用牌號(hào)合金元素及常用牌號(hào) TB表示組織為的鈦合金包括熱力學(xué)穩(wěn)定型合金、亞穩(wěn)定型合金和近型合金主要加入的合金元素：Mo、V合金元素及常用牌號(hào)合金元素及常用牌號(hào) TC表示組織為的鈦合金：以Ti-Al為基再加適量穩(wěn)定元素合金類(lèi)型 Rel/MPaRm/MPaA/%特點(diǎn)型型200500250550152599%純鈦，性能隨氧含量變化近近型型850100095011001215有一定的蠕變抗力， 少量（雜質(zhì)Fe的穩(wěn)定作用）可細(xì)化晶粒；焊接

23、性能好，可進(jìn)行鍛造。型型9001200100013001015低溫到400范圍內(nèi)均有較好的性能；通過(guò)熱機(jī)械處理很容易改變晶粒結(jié)構(gòu)。型型11001300 12501400610可時(shí)效熱處理；時(shí)效前的成形性能優(yōu)良。 典型鈦合金：典型鈦合金： TA7合金合金 為型鈦合金，屬Ti-Al-Sn系(Ti-5Al-2.5Sn) 合金元素作用：鋁和錫起穩(wěn)定和固溶強(qiáng)化作用。 性能特點(diǎn)： 具有中等強(qiáng)度和較高的耐熱性，可在具有中等強(qiáng)度和較高的耐熱性，可在400下長(zhǎng)期工作下長(zhǎng)期工作。 具有良好的低溫性能和焊接性能具有良好的低溫性能和焊接性能。 隨溫度降低，強(qiáng)度升高，塑性略有下降。間隙元素含量低的合金，在250時(shí)仍保持

24、良好的塑性，用于超低溫高壓容器，多以管材供應(yīng)。 冷熱加工性較差冷熱加工性較差。 軋制工藝對(duì)熱成型影響較大，軋制溫度為750左右，具有較好的熱成型性，高溫軋制塑性反而降低，原因是晶粒粗化，但通過(guò)交叉軋制改善組織，可提高熱塑性。 合金元素及常用牌號(hào)合金元素及常用牌號(hào) TC4(Ti-6Al-4V)： +型合金，國(guó)際上一種通用型鈦合金，其用量占鈦合金總消耗量50左右。在航空工業(yè)上多用于做壓氣機(jī)葉片，盤(pán)和緊固件等；當(dāng)間隙元素含量低時(shí)，具有良好的低溫性能，可制作在196下使用的低溫容器。合金成分特點(diǎn)： 鋁：基本組元，用以保證合金在常溫及高溫下的性能。 釩：賦予合金熱處理強(qiáng)化能力，可改善塑性；同晶型元素，不

25、存在共析反應(yīng)，故組織穩(wěn)定性較好，長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)350；可減少Ti-Al系合金形成相的危險(xiǎn)以及減輕鋁的偏析。 TC4合金處于+相區(qū)，轉(zhuǎn)變溫度為996。在平衡條件下，相約占7l0。 合金元素及常用牌號(hào)合金元素及常用牌號(hào) 組織與性能特點(diǎn) TC4合金平衡組織為+，其形態(tài)為魏氏+和等軸+。 熱加工后組織取決于變形溫度、變形量及隨后熱處理工藝。如在兩相區(qū)加工，變形量小于50，不能將粗大組織破碎，只有增大變形量才能將原晶界、和條破碎；熱軋溫度提高，組織由等軸狀變?yōu)榫W(wǎng)籃狀和粗大魏氏組織，同時(shí)屈服強(qiáng)度略有下降，斷裂韌性明顯提高。 950以下加熱，冷卻方式對(duì)性能的影響較小，合金具有較高的綜合性能；950以上加熱

26、，合金強(qiáng)度隨冷卻速度增加而提高，但塑性、韌性下降，故TC4合金熱處理溫度不應(yīng)越過(guò)950。合金元素及常用牌號(hào)合金元素及常用牌號(hào) 熱處理：退火和淬火時(shí)效 普通退火：75080012 h空冷，得到不完全再結(jié)晶組織，故又稱(chēng)不完全退火。 再結(jié)晶退火： 930950加熱，以保證相發(fā)生充分再結(jié)晶，隨爐冷至540以下空冷。 淬火時(shí)效工藝：930950水冷54048 h。性能特點(diǎn)： TC4合金綜合性能良好，使用溫度范圍寬(400-196)，合金組織和性能穩(wěn)定，合金化簡(jiǎn)單，工藝易掌握，適合大規(guī)模生產(chǎn)（棒料、鍛件和中厚板材）。 當(dāng)合金組織為細(xì)小等軸+組織，在 800925范圍內(nèi)，以一定變形速率進(jìn)行拉伸，合金呈現(xiàn)超塑

27、性。據(jù)此可生產(chǎn)出精密的復(fù)雜鍛件和鈑金件，以減少工序，降低成本。 性能不足：如冷變形性能差，難于軋制成薄板和薄壁管材；淬透性低(小于25mm)，限制了時(shí)效強(qiáng)化的應(yīng)用。合金元素及常用牌號(hào)合金元素及常用牌號(hào) TB2(Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al) 亞穩(wěn)定型合金，在固溶狀態(tài)下有良好的冷成型性，時(shí)效后抗拉強(qiáng)度為13231363MPa，延伸率保持在78。用它冷鐓成鉚釘和螺栓用于飛機(jī)上，用箔材(0.150.25mm)吹塑成型制成的高強(qiáng)度高剛度波紋殼體用于衛(wèi)星上。 TB2合金相變點(diǎn)750760，時(shí)效強(qiáng)化效果隨固溶溫度升高而增加；且水冷強(qiáng)化效果比空冷大，在接近T 點(diǎn)時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值。故固溶溫度常選在稍高于

28、T (800)，水淬后在5008h。 TB3(Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al) 亞穩(wěn)定型合金，固溶態(tài)下有良好的塑性和冷成型性，尤其是冷鉚工藝性好，能進(jìn)行冷手鉚和冷壓鉚，可獲得1400MPa以上的強(qiáng)度。彈性極限e高和彈性模量E低，故有高的彈性(eE)和高的彈性比功(e22E)，且在20300范圍內(nèi)彈性穩(wěn)定，彈性后效值只有銅基、鐵基、鈹青銅的50，用來(lái)代替Cr 17Ni2制作YCB-10D應(yīng)變壓力傳感器膜片。合金元素及常用牌號(hào)合金元素及常用牌號(hào) TB5（Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al） 高韌性合金，冷成型性能優(yōu)異，薄板、帶材和箔材。固溶時(shí)效處理后其強(qiáng)度可超過(guò)TC4合金約50，性能均

29、勻。如在B1轟炸機(jī)上用它制作的零件達(dá)250個(gè)，用它取代強(qiáng)度較低的TA7和必須熱成型的TC4合金。合金的冷成型性能優(yōu)良、各向異性較小，適于鈑金成型。 TB5合金具有很好的超塑性，在680900下拉伸，當(dāng)變形速率=104 108s-1時(shí)，延伸率可達(dá)400490，應(yīng)變速率敏感系數(shù)m=0.350.40，適于航空部門(mén)制造形狀復(fù)雜的零件和蜂窩結(jié)構(gòu)。 TB5合金的T為7605。加熱到800水冷或空冷，得到最低的屈強(qiáng)比和較高的塑性，固溶處理后的組織為單相，這對(duì)于冷成型十分有利。固溶溫度過(guò)低(如700)或過(guò)高(如900)，因組織中存在較多的相或晶粒粗大，均會(huì)提高屈強(qiáng)比和降低塑性，對(duì)冷成型不利。合金元素及常用牌號(hào)

30、合金元素及常用牌號(hào) TB6（Ti-10V-2Fe-3Al） 近型高強(qiáng)高韌合金，具有高淬透性和優(yōu)良成型性，適用于做航空鍛件。b1105MPa時(shí)，K1c60MPa m-0.5。該合金已用于波音757客機(jī) 和F-18戰(zhàn)斗機(jī)等，用該合金代替TC4合金可以減重20，用它代替30CrMnSiA時(shí)，可減重40。 T800810，加熱到T以上淬火，相處于機(jī)械不穩(wěn)定狀態(tài)， Ms點(diǎn)低于室溫，但形變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ms高于室溫，在淬火應(yīng)力作用下，發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，形成少量，并且發(fā)生轉(zhuǎn)變，故淬火得到+m。 兩相區(qū)加熱淬火，組織中還存在初生相。該合金淬火時(shí)效工藝為7402h水淬5208h空冷。在區(qū)鍛造后直接進(jìn)行時(shí)

31、效(5008h)可獲得更高的綜合性能：b=1184MPa，5=14.6，=48.5，K1c=101.8MPa m-0.5 ；普通固溶時(shí)效后的性能：b =1125MPa，5=12.3，=39.1，K1c =68.8 MPa m-0.5 。 合金元素及常用牌號(hào)合金元素及常用牌號(hào) TB6在+區(qū)軋制或區(qū)軋制狀態(tài)下，具有優(yōu)良超塑性，在750、變形速率1.710-4S-1時(shí)，延伸率可達(dá)650。 合金中穩(wěn)定化元素含量高，特別是含有共析元素鐵，很容易形成鐵偏析。在富鐵區(qū)因轉(zhuǎn)變溫度下降而形成一種不含相或相稀少的區(qū)域，即所謂斑點(diǎn)。嚴(yán)重的斑點(diǎn)會(huì)降低合金的塑性和低周疲勞性能。常規(guī)鍛造或近鍛造對(duì)改善斑點(diǎn)無(wú)效，因?yàn)楹蛢上?/p>

32、存在時(shí)，鐵的擴(kuò)散受到相界阻礙。鍛造和鍛后水冷有利減輕斑點(diǎn)，因?yàn)殄懞笏鋬?chǔ)存的畸變能有利于鐵的擴(kuò)散。減少鐵偏析有效方法是使電極中鐵分布均勻和控制二次熔煉電流大小，如用鐵粉代替V-Fe中間合金加入?？墒?7mm鑄錠截面上鐵偏差小于0.08?？v詢(xún)偏差僅為0.15。 合金元素及常用牌號(hào)合金元素及常用牌號(hào) 高溫鈦合金：高溫鈦合金：可在400以上長(zhǎng)期工作的鈦合金。 主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤(pán)和葉片等，用它代替部分鋼，可使發(fā)動(dòng)機(jī)減重，提高推重比。 高溫鈦合金主要性能指標(biāo)：高溫強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和高溫?zé)岱€(wěn)定性。后者是指合金在一定溫度下，對(duì)于應(yīng)力或非應(yīng)力狀態(tài)暴露后保持塑性和韌性的能力。通常用暴露前后斷面收縮率或斷

33、裂韌性K1c的變化來(lái)衡量。高溫暴露后的室溫大于未暴露時(shí)的60，則為熱穩(wěn)定，否則是不穩(wěn)定。影響熱穩(wěn)定性的主要因素有兩個(gè)。一個(gè)是高溫長(zhǎng)期暴露過(guò)程中內(nèi)部組織的變化，如出現(xiàn)有序相Ti3Al、剩余相分解、硅化物的沉淀和聚集等；另一個(gè)是氧的滲入形成污染層，使合金變脆。而表面污染層比內(nèi)部組織變化對(duì)熱穩(wěn)定的影響更大。 合金元素及常用牌號(hào)合金元素及常用牌號(hào) 高溫鈦合金成分特點(diǎn)：組元多，合金元素有鋁、錫、鋯、鉬、硅、鈮、稀土等。硅對(duì)耐熱性有利作用是肯定的，硅和鉬共存時(shí)作用更顯著。鋁、錫、鋯固溶強(qiáng)化相，可改善室溫和高溫性能。稀土能阻止晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒，并提高熱穩(wěn)定性和耐熱性。大多數(shù)高溫鈦合金成分為T(mén)i-A1-Sn

34、-Zr-Si系合金，我國(guó)還添加了稀土(Ce、Y、Nd、Gd)。高溫鈦合金組織特點(diǎn)：以相為基體加上少量相，即近合金。它保留合金耐熱性和熱穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼有+型合金強(qiáng)度高和塑性好的特點(diǎn)。為獲得最佳的蠕變性能，近合金使用狀態(tài)最好是片狀組織，但室溫塑性和疲勞性能不如等軸組織好。如果加工工藝能保證得到細(xì)小晶粒和細(xì)片尺寸的魏氏組織，就可以獲得滿(mǎn)意的綜合性能，如IMI685合金已采用了加工和熱處理，得到針狀組織，改善了耐熱性能。TC6和TC9合金：名義成分為T(mén)i-5Al-2Cr-2Mo-1Fe和Ti-6A1-2Sn-3Mo-O.3Si。組織上屬+型合金，但以相為基，與近型耐熱合金在合金化、組織和性能上

35、是頗為相似，只是穩(wěn)定元素含量略高，致使相數(shù)量稍增多。TC6：含有共析元素鉻和鐵，在長(zhǎng)期加熱條件下，因發(fā)生共析分解會(huì)使合金脆化，為此加入2Mo，以延緩共析分解，改善熱穩(wěn)定性，它適合在350450下工作。 TC6合金熱處理工藝用雙重退火(880lh，空冷+550 25 h，空冷)及淬火時(shí)效(850lh，水冷+500時(shí)效5 h)。 TC9：加入硅，同時(shí)合金化程度較高，故熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性比TC6高，使用溫度可達(dá)500。 TC9合金熱處理工藝也是采用雙重退火(95014h，空冷+5306h，空冷)及淬火時(shí)效(925水冷+500時(shí)效l6h)。雙重退火比普通退火更能保證組織的穩(wěn)定性。淬火時(shí)效可提高室溫強(qiáng)度l

36、O20，但這種強(qiáng)化效果只能維持到450500。合金元素及常用牌號(hào)合金元素及常用牌號(hào) 實(shí)實(shí) 驗(yàn)驗(yàn) 條條 件件建有建有 500M2 鈦合金研究室鈦合金研究室 多功能鈦合金制備平臺(tái)多功能鈦合金制備平臺(tái)水冷坩堝爐水冷坩堝爐超高溫?zé)Y(jié)爐超高溫?zé)Y(jié)爐我們鈦合金研究近況我們鈦合金研究近況 耐火材料的設(shè)計(jì)和合成耐火材料的設(shè)計(jì)和合成完成相關(guān)復(fù)合氧化物相圖的熱力學(xué)評(píng)估和計(jì)算 高溫固相法合成了新型特種耐火材料 HIP+高溫?zé)Y(jié)工藝制備了實(shí)驗(yàn)室用坩堝 TKx(CaO)400900140019002400290034000.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 x(CaO)

37、TKZrO2CaOLiquidHCaO+CaZrO3CssMss+CaZrO3PHI2+Mss00.10.20.30.40.50.60.70.80.9140090014001900240029003400前期工作進(jìn)展前期工作進(jìn)展我們鈦合金研究近況我們鈦合金研究近況 實(shí)驗(yàn)室低能耗實(shí)驗(yàn)室低能耗Ti合金熔煉制備已初步成功合金熔煉制備已初步成功前期工作進(jìn)展前期工作進(jìn)展新技術(shù)效果新技術(shù)效果我們鈦合金研究近況我們鈦合金研究近況 我們鈦合金研究近況我們鈦合金研究近況 改性改性CaOCaZrO3SrZrO3BaZrO325Kg級(jí)級(jí)BaZrO3改性改性CaO0.00.51.01.52.00.1110PH2/1105 Pa/% sample 1# sample 2#absorption plateau cuve desorption plateau cuve抗水化性能T