全方位的讲解钛及钛合金材料_钛及钛合金_.pdf
25页
江西工埠集团 詹小辉 钛及钛合金材料 （（一一）） 钛钛材料材料 1. 碘化钛碘与粗钛在低温下直接作用生成挥发性的碘化钛，经加热使碘化钛分解，再沉积而得到高纯度的金属钛称为碘化钛 牌号：TAD. 符号：Til2. 纯度＞99.9%（wt） 主要用于科研，如测试纯钛的化学性能、物理性能、合金化研 究等 2. 海绵钛 含钛的矿石从金红石（Tio2）存在，经氯（Cl2）化生成四氯化钛（TiCl4） ，再用活性金属（Mg 或 Na）还原得到海绵状的金属钛（Ti）称为海绵钛 镁法海绵钛： MHTi 纳法海绵钛：NHTi 海绵钛是疏松多孔，纯度 99.1-99.7%（wt） ，其硬度 HB 为100-157，是钛工业生产的原料 海绵钛分级见表 1. 3. 工业纯钛 含有一定量的氧、氮、碳、硅、铁及其他元素杂质的α相钛称为工业纯钛 工业纯钛的含钛量≮99.0%（wt） 江西工埠集团 詹小辉 按杂质元素含量把工业纯钛划分为四个级别，见表 2. 表 1 海绵钛分级（MHTi） GB/T2524-2002 产品 等 级Grade 产品牌号及 HB≯ Brands Ti 不小于% wt No less than 化学成分（质量分数，%） Chemical Composition，% 布氏硬度不大于 Brinell hardness NO more than 杂质元素不大于（% wt） Impurity，no more than Fe Si C1 C N O Mn Mg H 0 级 MHT-100 99.7 0.06 0.02 0.06 0.02 0.02 0.06 0.01 0.06 0.005 100 1 级 MHT-110 99.6 0.10 0.03 0.08 0.03 0.02 0.08 0.01 0.07 0.005 110 2 级 MHT-125 99.5 0.15 0.03 0.10 0.03 0.03 0.10 0.02 0.07 0.005 125 3 级 MHT-140 99.3 0.20 0.03 0.15 0.03 0.04 0.15 0.02 0.08 0.010 140 4 级 MHT-160 99.1 0.30 0.04 0.15 0.04 0.05 0.20 0.03 0.09 0.012 160 5 级 MHT-200 98.5 0.40 0.06 0.30 0.05 0.10 0.30 0.08 0.15 0.030 200 表 2 工业纯钛分级 GB/T3620.1-94. 牌号 化学成分 组 Ti 杂质元素不大于（%） Fe C N H O 其他元素 单一 总和 TA0 工业纯钛 余量 0.15 0.10 0.03 0.015 0.15 0.10 0.40 TA1 工业纯钛 余量 0.25 0.10 0.03 0.015 0.20 0.10 0.40 TA2 工业纯钛 余量 0.30 0.10 0.05 0.015 0.25 0.10 0.40 TA3 工业纯钛 余量 0.40 0.10 0.05 0.015 0.30 0.10 0.40 4. 钛合金 以钛为基体金属元素和含有其他合金元素及杂质元素 所组成的合金称为钛合金。
钛合金举例见表 3. 表 3 钛合金 GB/T3620.1-94 牌号 化学成分组 Ti Pd Mo Ni 杂质元素不大于（%） 其他元素 Fe C N H O 单 一 总 和 TA9 Ti-0.2Pd 余量 0.12-0. 25 --- --- 0.2 5 0.1 0 0.0 3 0.01 5 0.2 0 0.1 0 0.4 0 TA10 Ti-0.3Mo-0.余量 --- 0.2-00.6-00.30.00.00.010.20.10.4江西工埠集团 詹小辉 8Ni .4 .9 0 8 3 5 5 0 0 TC4 Ti-6Al-4V 余量 --- --- --- 0.3 0 0.1 0 0.0 5 0.01 5 0.2 0 0.1 0 0.4 0 5. ELI 钛及钛合金 具有超低间隙杂质元素的钛及钛合金称为 ELI 钛及钛合金如：Ti-6Al-4V ELI. 为了改善低温钛及钛合金的塑性和韧性开发出来的超低间隙元素的钛及钛合金，由于间隙元素含量小，其溶于钛后减小了钛晶格歪曲，随温度降低，钛的强度增加，而塑性和韧性下降的很小，在室温-253℃条件下具有强度高，良好的塑性和高的断裂韧性。
（（二二）） 标准标准 1. 常用标准（钛） （1） 中国标准 ①GB：国家强制性标准 ②GB/T: 国家推荐性标准 ③GJB: 国家军用标准 ④YB: 部颁标准 ⑤YY: 行业标准 ⑥YS/T: 行业标准 ⑦NY/T: 行业标准 （2） 国际及外国标准 江西工埠集团 詹小辉 ①ISO：国际标准化组织标准 ②ANSI：美国国家标准 a. ASTM: 美国材料试验协会标准 b. MIL-T(MIL-STD): 美国军标 c. AMS: 美国金属学会标准 ③TOCT: 原苏联国家标准 AMTY:原苏联国家航空技术委员会标准 ④JIS: 日本工业标准 ⑤EN: 欧洲标准委员会标准 ⑥DIN: 德国标准 WL：德国航空材料标准 ⑦BS: 英国标准 ⑧NF: 法国标准 2. 钛及钛合金牌号对照表 4 3. 有关标准检验项目表 5 4. 产品标准参考表 6、表 7 5. 出口用标准 （（三三）） 国际组织与标准化机构国际组织与标准化机构 1. 部分国际组织、国家标准化机构和标准代号 2. 与金属材料有关的部分国外协会、学会及专业标准代号 江西工埠集团 詹小辉 （（四四）） 热处理热处理 1. 概念 通过对金属材料采用适合的加热方式、保温、冷却以获 得预期的组织形态、分布及性能的工艺称为热处理。
加热的方式有非真空加热、真空加热冷却的方式有空冷、水冷、油冷、炉冷等 2. 真空热处理 一般指在 1X10-5 Pa 的真空环境中（通常最低要求 2-3X10-3 Pa 的真空度） ，进行加热，(有时要求充惰性气体)，保温、冷却的热处理工艺称为真空热处理 产品的出炉温度＜200℃才能保证钛的表面不被氧化， 呈银白色的金属钛本色 3. 退火 对产品加热到适合温度，保温一定时间，使其冷却，获 得接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火 退火目的是均匀化学成分，改善机械性能和工艺性能例如：消除因加工引起的硬化、如消除内应力、如实现再结晶、如真空退火除气（一般是氢气）等 江西工埠集团 詹小辉 （1）再结晶退火 对冷变形和热变形的金属加热到高于再结晶温度，使其破碎的晶粒和拉长的晶粒重新成核并长大成为细小的等轴晶粒， 不禁消除了加工引起的硬化，还恢复了加工变形能力，这称为再结晶退火 考虑再结晶退火温度受产品变形率和原始晶粒的大小等影响因素，再结晶温度要比理论讲的再结晶温度高出 100-150℃为宜 所以，实际再结晶退火温度：工业纯钛为 650-700℃； TC4 钛合金为 800-850℃ （2） 消除应力退火 消除金属材料因变形加工、切削加工、焊接加工及深加工制造等过程引起的内部应力，又不发生再结晶的退火称为消除应力退火。
如：工业纯钛消除应力退火温度 550-600℃，TC4 钛合金消除应力退火温度 550-600℃ 4. 加热 （1） 非真空加热 t（℃） 图示 1 给出了加热流程 h（分） 江西工埠集团 詹小辉 O A B C D 图示 1 加热工艺流程 OA: 炉子加热升温 AB: 装料温度 工业纯钛 350-400℃ TC4 钛合金 600-700℃ BC: 保温 CD: 冷却（一般为空冷） 保温时间 h=D/2+（30-50 分钟） D 为钛的直径或厚度 mm. （2） 真空加热 先装炉料，然后加热并抽真空（有时真空度达到要求后充惰性气体） ，保温、冷却，最后出炉（出炉温度最佳＜200℃）空冷 （3） 加热特点 ①加热工艺依据 钛的加热工艺主要依据其物理化学特性，其中导热率和 化学活性是重要因素 a. 钛的化学活性大，其导热系数低为铜的 1/2，铝的 1/3， 钢的 1/5，说明在同一加热温度下，钛的加热时间要长，使其表面受热的时间要长，则钛截面的温度差要大，只有在加热长的时间内才达到平衡 b.钛的化学活性大， 在常温的空气中， 钛表面的氧膜是一层致密、江西工埠集团 詹小辉 惰性和稳定的保护膜能阻止氧等向钛基体扩散。
这层氧化膜为金红石结构（TiO2） ，呈银白色，具有自愈性能 但是随温度升高，钛的氧化膜发生变化，如：钛在 500-550℃的纯氧中有自燃烧特性，在空气中 600-650℃时，与氧发生强烈反应，使钛表面钝化膜增厚，进而脱落，将失去对钛的保护作用如：钛在 500-560℃的空气中，有明显吸氮的特性，高于 850℃发生强烈反应，使氧化膜增厚，进而促进脱落如：在高于 900℃的空气中，钛与碳发生强烈反应，增加氧化膜厚度，进而促进脱落 特别是钛吸氢变脆特性，钛的吸氢是可逆的，即吸氢也可析出氢， 但是高于 300℃时吸氢大于析出氢 钛与氢反应形成氢化钛 （TiH2）细小弥散的指点，使钛受脆，其冲击值大幅度下降 针对钛的活性特性，确定合理的加热温度和保温时间对获得良好性能的钛材具有重要意义 ②过热 对钛的加热温度偏高，并保温时间过长，使其组织中的晶粒长大，导致力学性能显著降低的现象称为过热 ③过烧 对钛的加热温度过高，接近固相线时，其组织中的晶界处优先发生氧化，进而发生部分熔化的现象称为过烧 （4） 钛的氧化膜 钛的氧化膜随温度不同有不同的厚度和颜色， 其成分也发生了变江西工埠集团 詹小辉 化。
表 8 给出了氧化膜厚度和颜色 加热温度（℃） 氧化膜厚度（mm） 氧化膜颜色 ＜200 极薄 银白色 ～300 极薄 淡黄色 ～400 极薄 金黄色 ～500 极薄 蓝色 ～600 极薄 紫色 ～649 0.005 紫色 ～704 0.0076 红灰色 700-800 ＜0.025 红灰色 760-871 ＜0.025 红灰色 ～900 ＜0.051 灰色 927-982 ＜0.051 灰色 1038 0.102 灰色 1093 0.356 灰色 举例： 在一定温度下， 把试样剖开看截面的氧化膜结构及颜色变化 ①700-800℃ Ti 基体（银白色） Tio（青铜色 ） TiO2（金红石，淡蓝色） ②825-850℃ Ti 基体 Ti+TiO 粉末 TiO+少量 Ti TiO2（深蓝色） TiO2（浅蓝色） TiO2（黄褐色） 江西工埠集团 詹小辉 ③875-1050℃ Ti 基体 TiO+少量 Ti TiO TiO2（紫色粉末） TiO2（深蓝色） 5. 加热设备及气愤 （1） 感应加热：高频、中频及低频感应炉 （2） 电接触加热：直接电阻加热 （3） 燃气加热：煤气炉，液化气炉 （4） 燃油加热：重油炉，柴油炉 （5） 间接式电阻加热：箱式电阻丝炉、管式电阻丝炉、辊道式电阻丝炉 以上加热属非真空加热，要求加热炉内的气氛保持中性或微氧化性，绝对不允许燃气及燃油的火焰直接喷射钛的表面，不允许用氢气加热。
（（五五）） 钛材加工钛材加工 （1） 钛材压力加工（又称塑性加工）概念 通过压力加工设备使钛金属塑性变形，把固态钛变成为所需要的产品形态的加工过程称为压力加工 （2） 压力加工特点 ①无切屑变形，金属损耗小 ②获得所需要形态的同时，也获得了期望的组织与性能 江西工埠集团 詹小辉 ③对产品适合专业化的规模生产 （3） 影响压力加工因素 ①确认合理的变形程度 要实现变形过程，取决于钛本身的性能，必须选择合理的变形参数即适宜的温度、速度、变形率，能避免产生裂纹、断裂、分层、折叠等缺陷和因为变形率不足而造成不希望的组织 如：在拉制。
