钛及钛合金学习.pptx

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1、钛及钛合金钛及钛合金概述概述1、新型的结构材料、新型的结构材料钛及钛合金基本上是一类新型的结构材料，在当代的尖端科学技术工业领域中，如航空、宇航、海洋等中得到广泛的应用，主要原因：1）比强度高；2）耐腐蚀性；3）良好的低温性能。2、新型的功能材料、新型的功能材料它们具有某些特殊的物理、化学、生物特性：l形状记忆合金，TiNi该材料强度与它的密度之比第1页/共51页l人造骨头；l超导材料等。3、我国钛资源十分丰富，储量居世界首位，这是我国发展钛工业的优势。第一节第一节 工业纯钛工业纯钛一、钛的基本性质一、钛的基本性质1、物理性质、物理性质1）两种同素异晶体：-Ti;-Ti-Ti -Ti883h.

2、c.pb.c.c纯铝有类似的转变吗?铁呢?第2页/共51页2)T熔=16683）=7.857%=4.4g/cm3,较轻；4）导电、导热性均较低，线膨胀系数较低；5）无磁性，在很强的磁场下也不会磁化，因此植入人体内的钛制人造骨架不会受雷雨天气的影响。2 2、化学性质、化学性质钛在室温下比较稳定，但在高温下却很活泼：l在熔化状态下，能与绝大多数坩埚材料发生作用；l高温下，与卤素、氧、硫、碳、氮等元素进行强烈第3页/共51页的反应，而使钛受到污染。因此，钛要在真空或惰性气氛下熔炼。3、耐蚀性质1）在介质中，钛的标准电极电位很低：Ti Ti2+2e,E=-1.63v但钛的致钝电位亦低，故钛容易钝化2）

3、不同温度下的耐蚀性：l在常温下，金属表面极易形成由氧化物和氮化物组成的钝化膜，它在大气及许多浸蚀性介质中非常稳定，有很好的抗蚀性。第4页/共51页l 550以下，能与氧形成致密的氧化膜，具有良好的保护作用；l 800以上，氧化膜会分解，氧原子会以氧化膜为转换层，进入金属晶格，此时氧化膜已失去保护作用。4、钛的机械性能和工艺性能1）纯钛机械性能：强度不太高，塑性好。虽是h.c.p结构，但不象Zn、Mg等，钛的滑移系较多：Ti:,而Zn、Mg仅仅在 基面上。2）钛的T熔点比Fe与Ni高，但Ti的耐热性较差，主要 第5页/共51页是钛有较大的自扩散系数以及同素异晶转变；3）切削性能不好，导热性差，摩

4、擦系数大。二、杂质元素对钛性能的影响1、主要杂质元素l间隙型元素：O、N、H、C；l置换（代位）型元素：Fe、Si。2、影响：l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。第6页/共51页据此，生产上可以根据钛的硬度来估计其纯度：引入氧当量O当=O%+2N%+0.67C%HV=65+310l O、N、C使钛的强度提高、塑性降低，主要原因是与钛形成固溶体后晶格发生畸变，阻碍了位错的运动；l O、N、C提高-Ti/-Ti转变温度，使稳定元素；H元素降低/转变温度，是稳定元素。第7页/共51页lH：1）在室温时氢引起各种氢脆（钉轧位错线、析出氢化物等）降低措施：原料控制纯度、真空冶

5、炼、加热时采用中性或弱氧化性气氛、在惰性气氛焊接、酸洗时避免增氢措施、真空退火去氢；2）高温时有增塑作用：先用氢作为合金元素增塑，然后再扩散退火。增塑的原因是氢降低形变激活能，即降低原子扩散迁移所必须克服的能垒。第8页/共51页第二节第二节 钛的合金化原理钛的合金化原理 纯钛塑性和韧性虽好，但强度低，加入适当合金元素可以明显改善组织和性能，以满足工程上不同性能的要求。一、钛与其他元素之间的作用 这些相互作用取决于它们的原子结构、晶体类型与原子尺寸等因素。1、与钛形成连续固溶体元素（合金化）这类元素（10个），同族元素、近邻元素，性质相似、原子尺寸相差小于8%。第9页/共51页l其中Zr、Hf与

6、Ti 同族，具有相同的晶体结构和同素异晶转变，因此，与-Ti与-Ti形成连续固溶体；l V、Nb、Ta与Mo具有体心立方结构，即与-Ti同晶，因此与-Ti形成连续固溶体；而与-Ti 形成有限固溶体。2、与钛形成有限固溶体元素（合金化）由于原子外层电子结构、晶体类型和原子尺寸与钛都有较大差异，故只能与钛形成有限固溶体。代位固溶体：Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Al、Ga、Sn、Si间隙固溶体：B、C、O、N、H第10页/共51页3、在钛中完全不溶解，而只形成共价键或离子键化合物;生产Ti时用到的卤素，它们位于周期表的最右端：TiCl4、TiI4。4、与钛不发生作用：碱金属、碱土金属 用卤素还原T

7、iO2得到TiCl4(TiI4)，再用Na(Mg、Ca）与氯结合，使钛游离出来。二、钛合金的二元相图及常用合金元素的作用 大致可以分为四类：第11页/共51页温温度度TiM:中性元素中性元素Zr、Hf、SnL+L+1、合金元素与、合金元素与-Ti-Ti和和-Ti形成连续固溶体形成连续固溶体l与Ti同族元素Zr、Hf在-Ti和-Ti中均能无限溶解；l随组元浓度增加，转变温度虽有所下降，但在实用浓度范围内，可认为变化不大，故称中性元素中性元素；lZr、Hf对、相强化不明显。(为什么?)第12页/共51页Ti-Zr二元二元相图相图第13页/共51页2、与、与-Ti无限互溶，与无限互溶，与-Ti-Ti

8、有限溶解的相图有限溶解的相图L+L+l与-Ti同晶型元素V、Nb、Ta、Mo等能形成这类相图；l这类元素降低相变点，起稳定相的作用，称同晶元素同晶元素，也称相稳相稳定元素定元素。温度TiMe%第14页/共51页同晶元素同晶元素V与与Ti组成的相图组成的相图第15页/共51页3、与、与-Ti和和-Ti-Ti都形成有限固溶体，都形成有限固溶体，相会发生共相会发生共析分解析分解+LL+L+温温度度TiMe%l 与钛形成这类相图的元素有铬、钨、锰、铁、钴、镍、铜、硅等；l 这些元素在和-Ti中均为有限溶解，降低相变温度；l 这些元素与钛易形成化合物，相，是以金属间化合物为基的固溶体；l 这类元素称为共

9、析型稳定元素；+第16页/共51页Ti与与Cr(共析型稳定元素)组成的相图第17页/共51页Ti与与Mn(共析型稳定元素)组成的相图第18页/共51页l 非活性共析元素（慢共析元素）非活性共析元素（慢共析元素）钛与这类过渡族元素形成的共析反应，进行的速度极慢，在通常的冷却速度下来不及进行，故它们在钛合金中的作用，与前述同晶元素有相似之处。l 活性活性共析元素（快共析元素）共析元素（快共析元素）钛与铜、硅等非过渡元素形成的共析反应进行极快，在一般的冷却速度下，不能阻止其进行。因此，这类合金的相实际很难固定到室温。l 共析型稳定元素中最常用的是铁、锰、铬铁、锰、铬，它们稳定相的能力比同晶型的 V

10、V、MoMo等强烈的多，但不能在高温下长期工作。第19页/共51页4、合金元素与、合金元素与-Ti-Ti、-Ti都形成有限固溶体，但都形成有限固溶体，但相由包析反应生成相由包析反应生成+LL+L+温温度度TiMe%l这类元素有如铝、镓、镧、硼等；l提高（+）/相变温度，稳定相，是稳定元素稳定元素第20页/共51页Ti-Al(稳定元稳定元素）组成的相素）组成的相图图第21页/共51页三、主要合金元素与相的形成三、主要合金元素与相的形成 1、主要合金元素：、主要合金元素：l同晶元素：V、Mo、Nb、Ta；l 共析型相稳定元素：Cr、Mn（慢共析元素）Cu（快共析元素）l稳定元素：Al；l中性元素：

11、Zr、Sn；2、分三类、分三类（1）相稳定元素，能提高相转变温度；第22页/共51页l 铝为什么是钛合金的一个基本合金元素？1）Al是最有效的强化元素，起固溶强化作用；2）提高钛合金的比强度，因为Al的比重轻；3）有效提高低温强度和高温强度（550以下）；4）显著提高钛合金的再结晶温度；5）增加氢在钛合金中的溶解度，减轻氢的危害。（2 2）中性元素）中性元素 合金元素(Sn、Zr）等能有效强化相，它们在-Ti与-Ti中有较大的固溶度，但对/相变温度影响较小，故有中性强化元素中性强化元素。第23页/共51页（3）相稳定元素，一般是降低相稳定元素，一般是降低相转变温度，分二类：相转变温度，分二类：

12、1）产生相共析分解的元素，如Cr、Mn、Fe、Cu、Ni、Co、W，随温度T降低，+金属间化合物。共析反应的速率随元素而异：lCu、Si等合金化时，共析转变快，析出TiCu2、Ti5Si3;l Fe、Mn、Cr、Co、Ni等合金化时：共析转变速率较慢，即使连续缓慢冷却，也可能转变不完全，保留一些残余的相；快冷时，共析反应可以完全被抑制，过冷相可以保留到室温；这个过程还与合金含量有关，含量增加，相可完全过冷到室温。第24页/共51页2)Mo、V、Nb、Ta等，二元相图上不产生等，二元相图上不产生相共析相共析分解，但慢冷时析出分解，但慢冷时析出相，快冷时有相，快冷时有马氏体相马氏体相变变MfMs稳

13、定元素质量分数稳定元素质量分数/%温温度度+钛合金加热到相区，根据合金成分和冷却条件不同，可能发生各种转变，分别加以讨论：l相在慢冷过程中的转变 相析出是一个有形核与长大的过程。请分析不同合金的室温组织。C1C2C4C3第25页/共51页Ti-5Al-2.5Sn合金加热到1175空冷，组织为次生次生晶界晶界+晶内晶内集束集束次生晶界次生晶界晶内晶内集束集束Ti-5Al-2.5Sn合金加热到1175炉冷，粗片状第26页/共51页Ti-6Al-4V合金加热到1065炉冷，层状（白）+晶间（黑）Ti-6Al-4V合金从高温相区空冷，魏氏组织工业纯钛从高温相区空冷，网蓝状组织第27页/共51页l高温相

14、淬火快冷时，可以发生马氏体相变，合金元素对相快冷时相变有影响，含量不同时可能获得不同的快冷组织（马氏体强化效果不明显，为什么？马氏体强化效果不明显，为什么？）：合金含量较低（小于c1)时，相在快冷淬火时发生完全的马氏体相变，形成相相（马氏体马氏体为h.c.p结构，是合金元素在相中的过饱和固溶体，非扩散性产物，分板状马氏体和针状马氏体）；合金含量较高（C1M%C2)时，可能有部分相残留下来，得到+残余组织，有时淬火温度高时，会形成一种相（亚稳相，六方晶格）：见下图所示；合金含量达C2M%C3时，马氏体转变被完全抑第28页/共51页Ti-6Al-4V合金955水淬，组织+初初初Ti-9Mo合金淬火

15、，组织细针第29页/共51页钛合金淬火板条，TEM,X24000Ti-8.5Mo-0.5Si合金,1000水淬，孪晶，TEM,5000X转转变变相相也也是是一一种种无无扩扩散散性性转转变变,它它形形核核容容易易,长长大大困困难难,因因此尺寸细小此尺寸细小!第30页/共51页Ti-8Fe,900固溶+4004 h时效，立方体形相，TEM(暗场）Ti-11.5Mo-4.5Sn-6Zr合金，900固溶+480时效5min，椭球形相1）相为钛合金淬火形成的相，尺寸小（510nm），它的形态、尺寸与稳定性决定于/界面的错配度；2）相是一种硬而脆的相，相的出现，强烈提高合金的硬度和弹性模量，降低塑性；3）

16、为防止相的形成，a.应控制淬火时效工艺，避免低温时效;b.加铝、锆、锡等第31页/共51页制，只有残留相存在。但这种残留相在机械外力作用下，不稳定的，分解为相；当合金含量C3时，应力不起作用，残留相稳定，不再分解。四、四、相共析转变及等温转变相共析转变及等温转变1 1、共析转变、共析转变l 钛与某些共析元素组成的合金系，在一定的成分范围和温度条件下，发生共析转变：+TixMyl 共析转变速度与共析温度（合金元素）有关第32页/共51页 温度较高，共析转变容易 如Ti-Si、Ti-Cu、Ti-Au等 温度较低，共析转变不容易，极慢 如Ti-Mn(Fe、Cr），在共析温度（550），保温长达三个星

17、期，还没有开始转变。l由于共析转变产物对合金的塑性及韧性十分不利，并降低合金热稳定性，因此这些合金元素受到限制，特别是不宜加入耐热钛合金耐热钛合金中。2、等温转变、等温转变 高温相和亚稳定相都可以等温分解，其分解第33页/共51页动力学可用C曲线表达，如下图所示。等温转变分高温部分和低温部分。l 高温区域保温时，相直接析出相；随温度下降，分解产物愈细，相弥散度愈大，合金强度和硬度愈高。l 低温区保温时，由于原子扩散比较困难，相不能直接析出相，而先形成过渡相，随时间增加，相转变成相。l 影响相等温转变动力学C曲线的主要因素：合金成分、固溶温度及应力状态等：第34页/共51页钛合金过冷钛合金过冷相

18、等温转变示意图相等温转变示意图第35页/共51页1）稳定化元素含量的增加，C曲线向右下方移动等；2）稳定化元素含量增加，加速相分解，C曲线左移。l 合金元素不仅影响C曲线的位置,而且改变C曲线的形状。3、用 C曲线近似判断连续冷却时合金的组织转变过程 如下图所示，不同的冷却曲线将得到不同的室温组织：1）水淬（冷却曲线1）可以得到+；2）油淬（冷却曲线2）得到+；3）冷却曲线3得到+；第36页/共51页4）冷却曲线4，则得到+两相组织。钛合金连续冷却时的组织转变示意图第37页/共51页五、时效过程中亚稳定相的分解五、时效过程中亚稳定相的分解l 钛合金淬火形成的、和m的亚稳定相，在热力学上是不稳定

19、的，加热时将要发生分解；l 分解过程复杂：不同的亚稳相分解不一样；同一种亚稳相，因成分与时效工艺不同，也不一样。l 最终分解产物：+或+TixMy;第38页/共51页l 在时效分解过程的一定阶段,可以获得弥散的+相,使合金产生弥散强化,这就是钛合金淬火强化的基本原理.(1)(1)六方马氏体六方马氏体的分解的分解 +过渡相+TixMy +TixMy（2 2）斜方马氏体）斜方马氏体的分解的分解 根据钛合金Ms点高低，相可出现两种不同分解与铝合金时效分解相似与铝合金时效分解相似初期初期第39页/共51页方式：+相再分解3、亚稳定的分解：m+（如下图如下图a a所示所示）m+a+a+m+(颗粒极小，晶

20、体结构与m相同）（如下图如下图b b 所示所示）4、分解：相是稳定元素在-Ti中过饱和固溶体,与相的分解基本相同：+第40页/共51页a、Ti-3Al-8V-6Cr-4Zr-4Mo合金，815固溶+6756h时效，从相析出（黑点），X250合金浓度较低的合金在高温时效时的析出情况第41页/共51页Ti-40(at)%Nb合金合金，900固溶+400时效24小时，在富集基体上析出贫乏，X31000合金浓度高或添加抑制相形成元素的合金，先形成过渡相，然后再转变成平衡组织第42页/共51页六、钛合金分类六、钛合金分类 可以根据成分和室温基本组织（退火组织）特点分类：1、-Ti-Ti合金合金l 显微组

21、织是相组织:含有相稳定合金元素(如铝)及一些中性强化元素(Zr、Sn、Hf）；l 当加入少量相稳定元素时，可以得到近-Ti合金，显微组织上除相基体外，还有少量相，如Ti-8Al-1Mo-1V。2 2、+钛合金钛合金第43页/共51页l 含有较多的相稳定元素和相稳定元素，具有+相混合组织结构；l 这些相的形貌与数量依成分、热加工变形与热处理方式而变；l 这类合金强度可以到达很高的水平，如Ti-6Al-4V。3、-钛合金和近-钛合金（1）这类合金含有大量的相稳定元素，多数还有Al、Zr、Sn等，在室温，强度可以达到+钛合金水平；但工艺性能更好；但高温强度不如+；（2）近钛合金第44页/共51页l

22、显微组织为+，但（少量）作为强化相分布于相之间；l 相的形态、分布、尺寸、数量等与热加工、热处理有关。七、钛合金热处理七、钛合金热处理l 为了改善钛合金的性能，除了合金化外，还要进行适当热处理；l 常见热处理：1）退火处理：应用于各种钛合金，是工业纯钛与型钛合金唯一的热处理方式；第45页/共51页2）淬火时效：）淬火时效：可用于+、+化合物和亚稳定型型钛合金。1、退火、退火l 目的为了消除应力、提高塑性以及稳定组织；l 有应力退火、再结晶退火、等温退火以及真空去氢退火。l举例：1）消除冷变形、铸造以及焊接等工艺过程中产生的内应力，可以采取去应力退火，退火过程主要是发生回复；2）为了消除加工硬化

23、、稳定组织和提高塑性。第46页/共51页可选用完全退火。l 这一过程主要发生再结晶，也称再结晶退火；l 当再结晶发生时，相、相在组成、形态和数量上产生变化，性能就改变。大部分和+钛合金都是在完全退火状态下使用；l 退火温度介于再结晶温度与相变温度之间。2、强化热处理（淬火时效处理）强化热处理（淬火时效处理）钛合金的强化热处理兼有钢和铝合金的特点，但又与它们有区别，其主要异同点有：（1）钢与钛合金淬火都可以得到马氏体：第47页/共51页l 但钢的马氏体硬度高，强化效果大，回火使钢软化；l 而钛马氏体硬度不高，强化效果不高，回火（时效）回火（时效）使合金弥散硬化使合金弥散硬化。（2）成分一定的钢或

24、铝合金，只有一个强化机理；而成分一定的（+）钛合金却视淬火温度的不同，有二种不完全相同的强化机制：l 加热温度较高时，相中所含稳定元素小于临界浓度，淬火转变为马氏体，时效时马氏体分解为弥散相使合金强化；l 若加热温度较低时，相中所含稳定元素大于临第48页/共51页温温度度c1 c2c3+MsMfc4浓度浓度%界浓度，则淬火得过冷相，时效时相分解为弥散相使合金强化；（3）钛合金的固溶处理和时效过程与铝合金基本相似。钛合金的强化热处理主要用于（+）型及）型及型合金型合金。合金的强化实质上属于固溶时效强化，因为加热时相的成分总是大于临界浓度，故第49页/共51页不形成马氏体；对于+两相合金，则决定于淬火组织（马氏体或亚稳相），也就是和实际淬火温度有关。第50页/共51页感谢您的观看！第51页/共51页