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1、第一章第一章 钛及钛合金钛及钛合金n钛及钛合金发展至今，已有钛及钛合金发展至今，已有50多年历史，由于它具有多年历史，由于它具有很高的比强度和耐蚀性，是世界各国大力发展的轻金很高的比强度和耐蚀性，是世界各国大力发展的轻金属材料。世界市场每年需求属材料。世界市场每年需求45万万t钛及钛合金。美钛及钛合金。美国是最大的钛消费国。国是最大的钛消费国。1994年用于军事宇航约年用于军事宇航约3200t，用于非军事商业宇航约，用于非军事商业宇航约7700t，用于非宇航业约，用于非宇航业约4800t，总共约，总共约15700t。日本则注重发展钛的耐蚀性。日本则注重发展钛的耐蚀性应用，应用，1994年总共消
2、费年总共消费4241t，耐蚀性商业纯钛占，耐蚀性商业纯钛占3773t，以应用其高比强度为主的结构材料钛合金只，以应用其高比强度为主的结构材料钛合金只占占468t，其中宇航应用的钛合金只占，其中宇航应用的钛合金只占32.7，非宇，非宇航用钛合金占航用钛合金占67.3，这其中又以消费品为主（占三，这其中又以消费品为主（占三分之二），例如运动用消费品是很重要的钛合金产品。分之二），例如运动用消费品是很重要的钛合金产品。日本由于大力发展非宇航用钛及钛合金，每年钛合金日本由于大力发展非宇航用钛及钛合金，每年钛合金需求量预计不断增加，可达需求量预计不断增加，可达550t。我国钛和钛合金发。我国钛和钛合金发
3、展始于展始于20世纪世纪50年代中期，年代中期，1995年国外报道已具有年国外报道已具有生产生产2700t海绵钛和海绵钛和3600t钛及钛合金锭材的能力。钛及钛合金锭材的能力。n由于钛及钛合金具有优异的性能，各国都在大力发由于钛及钛合金具有优异的性能，各国都在大力发展生产，专家估计目前世界钛及钛合金的生产能力展生产，专家估计目前世界钛及钛合金的生产能力已超过消费需求量的已超过消费需求量的22.5倍（包括海绵钛及钛合倍（包括海绵钛及钛合金熔炼能力），因而钛及钛合金世界市场竞争剧烈，金熔炼能力），因而钛及钛合金世界市场竞争剧烈，各国都在努力提高质量、降低成本，一些老的技术各国都在努力提高质量、降低
4、成本，一些老的技术已被淘汰。欧洲已关闭已被淘汰。欧洲已关闭 Deeside Titanium钛厂，钛厂，并不再生产海绵钛。与此同时，钛合金的发展却在并不再生产海绵钛。与此同时，钛合金的发展却在大力进行，美国注重宇航用钛合金及其他各方面应大力进行，美国注重宇航用钛合金及其他各方面应用，同时开发新的应用领域；日本则注重发展非宇用，同时开发新的应用领域；日本则注重发展非宇航领域用新型钛合金。航领域用新型钛合金。n 本章着重介绍现代钛合金的基础理论和钛合金本章着重介绍现代钛合金的基础理论和钛合金的发展。的发展。n 第一节第一节 钛的恃性及钛冶金基础钛的恃性及钛冶金基础n 一、钛的基本性质一、钛的基本性
5、质n （1）钛存在两种同素异构体）钛存在两种同素异构体及及。-Ti在在882以下稳定，具有以下稳定，具有h.c.P.结构。结构。-Ti稳定稳定于于882熔点熔点1678，具有体心立方结构。，具有体心立方结构。n （2）钛的体积质量小（）钛的体积质量小（4.51gcm3），），比强度高，熔点高，塑性好，虽然其强度随温比强度高，熔点高，塑性好，虽然其强度随温度升高而下降，但其比强度高的特性仍可保持度升高而下降，但其比强度高的特性仍可保持到到550600。与高强合金相比，相同强度。与高强合金相比，相同强度水平可降低重量水平可降低重量 40以上，因此在宇航上有以上，因此在宇航上有巨大应用潜力。巨大应用
6、潜力。n（3）具有优良的耐蚀性，在室温下就能很快生）具有优良的耐蚀性，在室温下就能很快生成一层具有极好保护性的钝化层（成一层具有极好保护性的钝化层（TiO2）。它）。它仅有纳米尺度，室温下长大极慢。许多介质中，仅有纳米尺度，室温下长大极慢。许多介质中，钛的耐蚀性极高；但在还原性介质中差一钛的耐蚀性极高；但在还原性介质中差一n些，不过可以通过合金化改善。些，不过可以通过合金化改善。n （4）钛的低温性能很好，在液氮温度下仍有）钛的低温性能很好，在液氮温度下仍有良好的机械性能，强度高而仍保持有良好的塑良好的机械性能，强度高而仍保持有良好的塑性及韧性。性及韧性。n （5）弹性模量较低）弹性模量较低（
7、120GP），约为铁的），约为铁的 54。n （6）导热系数及线胀系数均较低。其导热系）导热系数及线胀系数均较低。其导热系数比铁低数比铁低4.5倍，使用时易产生温度梯度及热应倍，使用时易产生温度梯度及热应力，不过，线胀系数低可补偿因导热系数低带力，不过，线胀系数低可补偿因导热系数低带来的热应力问题。来的热应力问题。n 二、钛冶金基础二、钛冶金基础n 钛矿的存在形式是金红石（钛矿的存在形式是金红石（TiO2）及钛铁共）及钛铁共生矿（生矿（FeO-TiO2）。在我国还有钒钛铁矿。目）。在我国还有钒钛铁矿。目前，生产金属钛都采用钛的氯化物热还原法。前，生产金属钛都采用钛的氯化物热还原法。n第一步：将
8、钛铁精矿制成球团，再还原成高钛渣第一步：将钛铁精矿制成球团，再还原成高钛渣（w（TiO2）90）。）。FeO则还原得出铁副则还原得出铁副产品。产品。n第二步：进行氯化生成亚第二步：进行氯化生成亚TiCl4:n TiO2CCl2TiCl42COn再把纯再把纯 TiCl4 分离出来，得到纯净的液态分离出来，得到纯净的液态TiCl4。n 第三步：用镁或钠还原第三步：用镁或钠还原TiCl4，得到海绵钛。，得到海绵钛。n据国外报导，目前采用钠还原技术的工厂已大多被据国外报导，目前采用钠还原技术的工厂已大多被淘汰，这是由于用镁还原技术可以得到纯度极高的淘汰，这是由于用镁还原技术可以得到纯度极高的产品，能够
9、生产低成本粉末：产品，能够生产低成本粉末：n TiCl42MgMgCl2+Tin海绵钛是多孔金属，易吸收空气中的水分、氧气、海绵钛是多孔金属，易吸收空气中的水分、氧气、氮气，因此海绵钛必须用铁桶密封包装。海绵钛中氮气，因此海绵钛必须用铁桶密封包装。海绵钛中含有各神杂质元素，用镁还原的海绵钛的杂质含量含有各神杂质元素，用镁还原的海绵钛的杂质含量见表见表11-1和表和表11-。n生产高纯钛可以采用碘化法，原理是利用金属碘化生产高纯钛可以采用碘化法，原理是利用金属碘化物的高温分解温度不同的特性来提纯，杂质含量降物的高温分解温度不同的特性来提纯，杂质含量降至很低水平（表至很低水平（表11-1和表和表1
10、1-2）。）。n电解精炼钛是以粗钛做阳极，在电解精炼钛是以粗钛做阳极，在700850熔盐熔盐中电解精炼，粗钛阳极溶解，纯钛在阴极沉淀，得中电解精炼，粗钛阳极溶解，纯钛在阴极沉淀，得到的金属纯钛杂质含量小于到的金属纯钛杂质含量小于02n第二节第二节 钛合金物理冶金基础钛合金物理冶金基础n一、钛合金二元相图一、钛合金二元相图n 以钛为基的二元合金相图大致可分为以钛为基的二元合金相图大致可分为四类，见图四类，见图11-lad。n a）合金兀素与）合金兀素与-Ti及及-Ti 形成连续形成连续固溶体（图固溶体（图11-1a），锗、铪等元素的），锗、铪等元素的性质与性质与Ti极相近，原子半径差别也不大，极
11、相近，原子半径差别也不大，因此可以形成连续固溶体。因此可以形成连续固溶体。nb）合金元素与）合金元素与-Ti形成连续固溶体，而与形成连续固溶体，而与-Ti只只形成有限固溶体（图形成有限固溶体（图11-1b），这类元素扩大），这类元素扩大相相区，缩小区，缩小相区，降相区，降相相相的相变温度，称为相的相变温度，称为相稳定元素。钛在周期表中的近邻，如钒、铌、相稳定元素。钛在周期表中的近邻，如钒、铌、钽、铼、钼属于这一类它们也是钽、铼、钼属于这一类它们也是b.C.C结构原结构原子尺寸也相差不大。子尺寸也相差不大。nC）此类合金元素与）此类合金元素与-Ti、-Ti都形成有限固溶体，都形成有限固溶体，相相
12、会发生共析分解，如图会发生共析分解，如图11-1C。这类元素有铬、。这类元素有铬、钴、钨、锰、铁、镍、铜、银、金、钯、铂等。钴、钨、锰、铁、镍、铜、银、金、钯、铂等。它们使它们使相由转变温度下降，所以也属于稳定相由转变温度下降，所以也属于稳定相元素。相元素。nD）合金元素与）合金元素与-Ti、-Ti都形成有限固溶体，但都形成有限固溶体，但相相由包析反应生成（图由包析反应生成（图11-1d，e），使），使相相转变转变温度升高，因而是温度升高，因而是相相稳定元素。主要元素有铝、稳定元素。主要元素有铝、硼、氧、氮、碳、钪、镓、镧、铈、轧、硼、氧、氮、碳、钪、镓、镧、铈、轧、l钕、锗钕、锗等，其中氮、
13、氧属于图等，其中氮、氧属于图 11-1d类简单的包晶相图类简单的包晶相图n二、主要合金元素与相的形成二、主要合金元素与相的形成 n 现有钛合金中的主要合全元素有钒、钼、铌、现有钛合金中的主要合全元素有钒、钼、铌、铬、铜、锰、铝、锆、锡及钽等可以分为三类：铬、铜、锰、铝、锆、锡及钽等可以分为三类：n第一类是第一类是相稳定元素，能提高相稳定元素，能提高相相相转变温度。相转变温度。铝是最常见的、最有效的铝是最常见的、最有效的相强化元素，能有效提高相强化元素，能有效提高低温和高温（低温和高温（550以下）的强度，同时铝的密度以下）的强度，同时铝的密度小，因此铝是钛合金中的一个基本合金元素。小，因此铝是
14、钛合金中的一个基本合金元素。n第二类合金元素（锡、锆）等能有效强化第二类合金元素（锡、锆）等能有效强化相，它们相，它们在在-Ti和和-Ti中均有大的固溶度，但对中均有大的固溶度，但对相相相相相相变温度影响较小，故有中性强化元素之称。它们的变温度影响较小，故有中性强化元素之称。它们的强化作用也可保持到较高温度。强化作用也可保持到较高温度。n第三类是第三类是相稳定元素，一般是降低相稳定元素，一般是降低相转变相转变温度。它又可以分为两小类：温度。它又可以分为两小类：n 第一小类是产生第一小类是产生相共析分解的元素，如相共析分解的元素，如铬、锰、铁、铜、镍、钴、钨等。随温度降铬、锰、铁、铜、镍、钴、钨
15、等。随温度降低，低，相会发生共析分解，析出相会发生共析分解，析出相及金属间相及金属间化合物相。共折反应的速率随元素而异，铜、化合物相。共折反应的速率随元素而异，铜、硅等合金化时，共析转变快，析出硅等合金化时，共析转变快，析出 TiCu2、Ti5Si3，而铁、锰、铬、钴、镍等合金化时则，而铁、锰、铬、钴、镍等合金化时则速率较慢，即使连续缓慢冷却，也可能转变速率较慢，即使连续缓慢冷却，也可能转变不完全，保留一些残余的不完全，保留一些残余的相。当快速冷却时，相。当快速冷却时，共析反应可以被完全抑制，过冷共析反应可以被完全抑制，过冷相可保留到相可保留到室温；当合金元素含量足够高时，室温；当合金元素含量
16、足够高时，相可以完相可以完全过冷到室温，而不产生相变。全过冷到室温，而不产生相变。n第二小类元素包括铌、钒、钼、铝等，二元第二小类元素包括铌、钒、钼、铝等，二元相图上不产生相图上不产生相共折分解，但慢冷时析出相共折分解，但慢冷时析出相，快冷时有相，快冷时有马氏体相变。随着合金元马氏体相变。随着合金元素含量达到临界值，快冷使素含量达到临界值，快冷使相成为室温稳相成为室温稳定相。研究表明，定相。研究表明，w（Mo）=10，w（V）=15，w（Nb）=36，w（Ta）=60时，可使时，可使相成为室温稳定相成为室温稳定相。可以以此临界含量表示该元素稳定相。可以以此临界含量表示该元素稳定相相的能力。由此
17、可见，的能力。由此可见，相稳定能力依钼钒相稳定能力依钼钒铌钽次序变小。同样，可以根据元素在铌钽次序变小。同样，可以根据元素在相中的溶解度来评价元素稳定相中的溶解度来评价元素稳定相的能力，相的能力，当温度接近当温度接近 600时，钼在时，钼在相中的质量分相中的质量分数为数为0.8%，钒为，钒为 1%3.5，铌为，铌为3%4，钽为，钽为6 12.5，因此，稳定，因此，稳定相的能力也是钼钒铌钽。相的能力也是钼钒铌钽。n 当成分达到当成分达到C2时，马氏体转变完全时，马氏体转变完全抑制，只有残留抑制，只有残留相存在。这种残余相存在。这种残余相相在机械外力作用下是不稳定的，可在应力在机械外力作用下是不稳
18、定的，可在应力作用下分解，称为机械不稳定作用下分解，称为机械不稳定相相（M,H)，分解形成，分解形成相。当含量相。当含量C3时，时，应力不再起作用，残余应力不再起作用，残余相保持稳定，不相保持稳定，不再分解，称为机械稳定再分解，称为机械稳定相（相（M,C)。实。实际上，此相并非热力学稳定，回火时就会际上，此相并非热力学稳定，回火时就会分解生成弥散的分解生成弥散的质点，只有当元素含量质点，只有当元素含量超过超过C4才得到室温热力学稳定的（才得到室温热力学稳定的（T,C)相，如表相，如表11-3。合金元素含量不同时可能合金元素含量不同时可能获得不同的快冷组织。当获得不同的快冷组织。当含量较低时，产
19、发生马氏含量较低时，产发生马氏体相变，形成体相变，形成相。马氏体相。马氏体转变的开始和终了曲线分转变的开始和终了曲线分别以别以Ms和和Mf线表示，可以线表示，可以看出，当含量达到看出，当含量达到C之前，之前，相在快冷淬火时发生完全相在快冷淬火时发生完全的马氏体相变，在成分的马氏体相变，在成分C1到到C2区间，可以有部分区间，可以有部分相残留下来，得到相残留下来，得到十残余十残余相组织。有时，淬火温度相组织。有时，淬火温度过高时，会形成一种过高时，会形成一种相。相。n马氏体是马氏体是 h.C.P结构，是合金元素在结构，是合金元素在相中相中的过饱和固溶体。的过饱和固溶体。相变是非扩散型马相变是非扩
20、散型马氏体相变，氏体相变，相有块状（或板状）马氏体和相有块状（或板状）马氏体和针状马氏体两种。块板状马氏体由针状马氏体两种。块板状马氏体由50100m不规则区组成，区又由平行的共格细不规则区组成，区又由平行的共格细片（片（1m）组成。晶体学位向关系为）组成。晶体学位向关系为（110）（0001），111 1120。当溶质浓度增大时形成针状当溶质浓度增大时形成针状马氏体，其共格结合被破坏，再进一步增加马氏体，其共格结合被破坏，再进一步增加溶质浓度，马氏体相变被抑制。此时，溶质浓度，马氏体相变被抑制。此时，相冷相冷却时析出却时析出相，在较快冷却下是针状魏氏体相，在较快冷却下是针状魏氏体 相，其相，
21、其 相长轴平行相长轴平行110面。面。n这个相变是形核长大扩散过程。因此，在极快这个相变是形核长大扩散过程。因此，在极快冷却下冷却下被抑制，产生无扩散型析出被抑制，产生无扩散型析出相。相。但是快冷时但是快冷时不一定全部析出不一定全部析出相，因而在随相，因而在随后的时效中，还可以析出后的时效中，还可以析出相。最新研究指出，相。最新研究指出，相析出有相析出有“非热的（非热的（athermal）”、“模模糊淬火的（糊淬火的（difffuse quenched）”和和“完完整的整的相沉淀的（相沉淀的（entire。precipitation）”三种形式，随冷却时的冷三种形式，随冷却时的冷速和回火条件不
22、同而变化。速和回火条件不同而变化。相具有六方或正相具有六方或正方结构（随合金成分而异），其成分范围见方结构（随合金成分而异），其成分范围见表表2.1，其结晶学关系为，其结晶学关系为（0001）（111），2ii01i0。相的金相形态主要为立方或椭圆形。相的金相形态主要为立方或椭圆形。n机械不稳定的机械不稳定的相在应力作用下产生相变，当相在应力作用下产生相变，当成分处于成分处于Ms点附近时，发生应力诱导马氏体点附近时，发生应力诱导马氏体相变。当成分远离相变。当成分远离Ms点时，产生孪晶化。点时，产生孪晶化。n图图 11-3是各个是各个相（块状（板）相（块状（板）马氏体、针状马马氏体、针状马氏体、
23、魏氏组织氏体、魏氏组织十十和和相）的相）的典型金相形态。典型金相形态。n三、气体杂质元素的作用三、气体杂质元素的作用n -Ti是是h.c.p结构，但其结构，但其ca=1.587，小于理想的小于理想的ca轴比值（轴比值（1.633）。它的）。它的0001n面不是惟一的滑移面，其他如面不是惟一的滑移面，其他如1011，1010晶面也可参与滑移，因此，纯钛的晶面也可参与滑移，因此，纯钛的塑性好，较优于其他只有塑性好，较优于其他只有0001为惟一滑为惟一滑移面的具有移面的具有h.c.p结构的金属，如镁、锌等。结构的金属，如镁、锌等。但钛的机械性能与气体、杂质（但钛的机械性能与气体、杂质（O、N、C、H
24、、Fe、Si）含量有密切关系。）含量有密切关系。n氧是稳定氧是稳定相元素，可提高相元素，可提高相变相变温度。氧在温度。氧在相中的溶解度相中的溶解度 w（O）高）高达达14.5，占据八面体间隙位置，产，占据八面体间隙位置，产生点阵畸变，起强化作用而不利于塑生点阵畸变，起强化作用而不利于塑性。因此，利用含氧量的不同可得到性。因此，利用含氧量的不同可得到几种不同强度及加工性能组合的商业几种不同强度及加工性能组合的商业用纯钛。一般含氧量均较高，用纯钛。一般含氧量均较高，W（O）达）达0.10.2。n氮与氧类似，是强稳定氮与氧类似，是强稳定相元素，溶解度相元素，溶解度达达6.57.4（质量），也是存在于
25、（质量），也是存在于间隙位置，形成间隙固溶体。它强烈提间隙位置，形成间隙固溶体。它强烈提高强度而降低塑性，当高强度而降低塑性，当W（N）02时已可发生脆性断裂。所以含氮量不能时已可发生脆性断裂。所以含氮量不能太高，但实际合金的太高，但实际合金的W（N）也有）也有0.030.06水平。水平。n氢是稳定氢是稳定相元素。在相元素。在 335下，氢在下，氢在-Ti的溶解度为的溶解度为 0.18，并随温度降低，并随温度降低而迅速下降。故而迅速下降。故a相钛合金很易发生氢相钛合金很易发生氢脆，一般纯脆，一般纯-Ti的冲击韧性的冲击韧性 a k180Jcm2，当，当 w（H）=0.015时，时，a k降至降
26、至 30J cm2，脆化原因是生成，脆化原因是生成 TiH2。氢化物。因此，具有氢化物。因此，具有 及及十十组织的组织的Ti合合金要求含氢量低，一般采用真空冶炼，使金要求含氢量低，一般采用真空冶炼，使含氢量较低。具有含氢量较低。具有相的钛合金含氢量为相的钛合金含氢量为W(H)=0.010.02（钛合金），钛合金），因为氢在因为氢在相中的溶解度较高，且容易吸相中的溶解度较高，且容易吸氢。氢。n近来研究了氢在冷轧近来研究了氢在冷轧Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al合金板中的作用，在一个大气压氢合金板中的作用，在一个大气压氢（8Lmin流量）、流量）、500 下渗氢下渗氢1小时，小时，再经再经80
27、01h，水冷十，水冷十 510不同时间不同时间处理。渗氢后含氢量达处理。渗氢后含氢量达 0.09，经，经510/40h退火去氧后仍达到退火去氧后仍达到0.05。而不经渗氢处理的合金含氢量而不经渗氢处理的合金含氢量W（O）为）为0.010.02，低于渗氢合金。研究认，低于渗氢合金。研究认为，氢可稳定为，氢可稳定相，推迟相，推迟相的时效析出，相的时效析出，固溶处理后渗氢试样的断面收缩率略有降固溶处理后渗氢试样的断面收缩率略有降低。未经渗氢的试样，经超真空时效，塑低。未经渗氢的试样，经超真空时效，塑性增加，因此认为氢不利于塑性。同时，性增加，因此认为氢不利于塑性。同时，由于在断裂瞬时有大量气体逸出，
28、因此推由于在断裂瞬时有大量气体逸出，因此推断，氢与断裂过程有密切联系。断，氢与断裂过程有密切联系。n 碳在碳在-Ti包析温度时的溶解度包析温度时的溶解度w（C）=0.48。溶解度随温度下。溶解度随温度下降而降低。当碳的质量分数小于降而降低。当碳的质量分数小于0.1时，为钛（碳）间隙固溶体，当碳时，为钛（碳）间隙固溶体，当碳的质量分数大于的质量分数大于0.1时，析出碳化时，析出碳化物。碳在钛合金中的作用机合金元素物。碳在钛合金中的作用机合金元素不同而异。不同而异。n四、钛合金分类四、钛合金分类n钛合金可以根据成分和室温基本组织特点钛合金可以根据成分和室温基本组织特点分类：分类：n1-钛合金钛合金
29、n 显微组织是显微组织是相组织，含有相组织，含有相稳定元相稳定元素及一些中性强化元素。纯钛是一个典型素及一些中性强化元素。纯钛是一个典型的的-钛合金，钛合金，-钛合金中的主要元素是铝、钛合金中的主要元素是铝、锆、锡等。当加入少量锆、锡等。当加入少量相稳定元素时，相稳定元素时，可以得到近。可以得到近。-钛合金，显微组织上除钛合金，显微组织上除相基体外，还有少量相基体外，还有少量相。典型的钛合金相。典型的钛合金有有Ti-8Al-1Mo-1V,IMI685（Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.25Si）等。）等。n2铁合金铁合金n含有较多的含有较多的 相稳定元素和相稳定元素和相稳定元素，相稳定元素
30、，具有具有 十十相混合组织结构。这些相的金相相混合组织结构。这些相的金相形态和数量依成分、热加工变形和热处理形态和数量依成分、热加工变形和热处理方式而异。这类合金可经处理得到很高的方式而异。这类合金可经处理得到很高的强度水平，典型例子有强度水平，典型例子有Ti-6Al-4V（IMI318）合金和）合金和IMI550（Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si）。）。Ti-6Al-4V合金至今合金至今仍是使用最广泛的钛合金。仍是使用最广泛的钛合金。n3-钛合金和近钛合金和近钛合金（钛合金（lean type alloy）n 这类合金含有大量的这类合金含有大量的相稳定元素，多数还含相稳定元素，多数还
31、含有铝、锆、锡等元素。有铝、锆、锡等元素。-钛合金的室温强度可达到钛合金的室温强度可达到+钛合金水平，但具有更佳的工艺性能，不过其钛合金水平，但具有更佳的工艺性能，不过其高温强度比不上高温强度比不上+合金。近合金。近钛合金显微组织也钛合金显微组织也是由是由+两相组成，但是两相组成，但是强化相分布于强化相分布于相基体相基体之上。相的形态、分布、尺寸与热加工、热处理密之上。相的形态、分布、尺寸与热加工、热处理密切相关。典型的切相关。典型的钛合金如钛合金如Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al（Ti-15.3）合金，典型的近）合金，典型的近钛合金如钛合金如 Ti-10V-2Fe-3Al（Ti10.2.
32、3）合金。）合金。n 这三类合金的成分范围都很宽，合金元素的种这三类合金的成分范围都很宽，合金元素的种类和数量都可在很大范围内变化，可以根据使用要类和数量都可在很大范围内变化，可以根据使用要求进行合金设计。求进行合金设计。n五、钛合金热处理基础五、钛合金热处理基础n 少数钛合金系，如少数钛合金系，如Ti-Cu系，可系，可以进行时效析出金属间化合物（如以进行时效析出金属间化合物（如Ti2Cu）强化。大多数钛合金只是通）强化。大多数钛合金只是通过热处理控制过热处理控制相变，合金成分，相变，合金成分，特别是特别是相稳定元素含量以及冷却速相稳定元素含量以及冷却速度，对度，对相变有重要影响。相变有重要影
33、响。自高温自高温相稳定区冷却下来，相稳定区冷却下来，相发生分解的相发生分解的TTT曲线示曲线示图图 11-4。当转变温度为。当转变温度为 T3时，转变终了得时，转变终了得十十相。相。当转变温度为当转变温度为T2时，先是时，先是+，此时，此时为介稳为介稳定相，再进一步转变为定相，再进一步转变为+。当转变温度为当转变温度为T1时，发生时，发生+相变。三种情况相变。三种情况下相应的硬度变化示于图下相应的硬度变化示于图 114。n相均匀细小，析出明显强（硬）化合金，相均匀细小，析出明显强（硬）化合金，但一般同时引起严重脆性。因此，但一般同时引起严重脆性。因此，相沉相沉淀硬化是难以接受的。图淀硬化是难以
34、接受的。图11-4同时给出连同时给出连续冷却时的相变情况。慢冷时，续冷却时的相变情况。慢冷时，+；增加冷速会出现；增加冷速会出现相，逐步由相，逐步由+变为变为+相变；再相变；再增加冷速，可以不发生相变得到室温介稳增加冷速，可以不发生相变得到室温介稳的的相，或者得到相，或者得到马氏体相变，得到马氏体相变，得到马氏体相（当马氏体相（当稳定剂小于临界浓度时）；稳定剂小于临界浓度时）；在随后的时效时，马氏体又可以分解析出在随后的时效时，马氏体又可以分解析出细小细小相相n通过不同冷速，可以得到不同金相形态的通过不同冷速，可以得到不同金相形态的相。慢冷时，相。慢冷时，由由相中析出，得到片层相中析出，得到片
35、层魏氏组织及沿魏氏组织及沿相晶界的相晶界的相；快冷时，相；快冷时，含有较高含有较高稳定元素的合金易得到一种网稳定元素的合金易得到一种网篮状组织（篮状组织（basketweave-morphology）；再增加冷速，）；再增加冷速，相分解相分解已非形核长大过程，而发生无扩散马氏体已非形核长大过程，而发生无扩散马氏体相变，生成六方相变，生成六方相（针状及块状）及正相（针状及块状）及正交马氏体相（溶质含量高时生成）。交马氏体相（溶质含量高时生成）。n对于对于钛合金或近钛合金或近钛合金，一般室温组织钛合金，一般室温组织基本上全是基本上全是相，只是随从单相相，只是随从单相相区冷却相区冷却下来的冷速不同，
36、得到不同金相形态下来的冷速不同，得到不同金相形态相及相及不同晶粒尺寸的不同晶粒尺寸的相。通过热机械处理，可相。通过热机械处理，可以得到等轴以得到等轴相。近相。近钛合金则可通过控制钛合金则可通过控制冷速得到细的网篮冷速得到细的网篮组织，这种组织在低温组织，这种组织在低温具具n有保载的低周疲劳条件下，裂纹长大速率比有保载的低周疲劳条件下，裂纹长大速率比具有片状具有片状相的合金低得多。因此，近相的合金低得多。因此，近合合金通常在金通常在相区固溶以得到好的蠕变抗力，相区固溶以得到好的蠕变抗力，同时要适当快冷（对厚部件用油冷，对薄同时要适当快冷（对厚部件用油冷，对薄件可以空冷），以得到大面积的网篮状件可
37、以空冷），以得到大面积的网篮状 组组织。织。n对于对于+钛合金，通过淬火时效得到细晶钛合金，通过淬火时效得到细晶粒粒+月结构，一次月结构，一次相的比例要相对较高，相的比例要相对较高，这样可以得到很好的热疲劳性能。如果提这样可以得到很好的热疲劳性能。如果提高固溶温度，得到较多的大晶粒高固溶温度，得到较多的大晶粒相转变产相转变产物，则断裂韧性较高。合理的热处理可以物，则断裂韧性较高。合理的热处理可以综合这两方面的优点，例如综合这两方面的优点，例如 Ti-6Al-4V合合金采用金采用960lh水冷十水冷十7002h空冷空冷热处理，得到细的等轴热处理，得到细的等轴相和转变后的相和转变后的相，相，得到好
38、的综合性能，可以作为压缩机盘件得到好的综合性能，可以作为压缩机盘件热处理制度，其典型组织如图热处理制度，其典型组织如图115。n 实际合金中的相变可以更为复杂。图实际合金中的相变可以更为复杂。图11-6示意说明该合金系有两种马氏体（示意说明该合金系有两种马氏体（和和”）的）的Ms线（以线（以与与，”相的等自由能相的等自由能温度表示，温度表示，T0（或或”），马），马氏体回火时可以发生正交氏体回火时可以发生正交相相Spinodal分分解和非解和非Spinodal分解两种溶解曲线。图中分解两种溶解曲线。图中还给出平衡的还给出平衡的/+及及+/相界线。相界线。另外，实际合金中氧含量对另外，实际合金中氧含量对分解有重大影分解有重大影响，图响，图117是一例。制备工艺也可能影响是一例。制备工艺也可能影响相转变，例如冷加工将促进相转变，例如冷加工将促进相分解和相分解和相相析出。析出。n六、钛合金的强韧化基础六、钛合金的强韧化基础n 钛合金的机械性能与其显微组织密钛合金的机械性能与其显微组织密切相关，通过热处理和热机械处理，切相关，通过热处理和热机械处理，可以得到需要的组织和性能。下面分可以得到需要的组织和性能。下面分别对别对及近及近钛合金、钛合金、+钛合金和钛合金和钛合金三类合金来讨论。钛合金三类合金来讨论。