钛合金介绍.docx

钛合金合金化原理 强韧化机制及其应用、八 、■前言钛发现于 18 世纪末，但由于化学活性高，提取困难，直到1910年 金属钛才被美国科学家用钠还原法（亨特法）提炼出来1936 年卢森堡 科学家克劳尔用镁还原法（克劳尔法）还原TiCI4，制得海绵钛，奠定了 金属钛生产的工业基础其技术转让到美国，1948 年在美国首先开 始海绵钛的工业生产中国继美、日、前苏联之后，于1958 年开始 钛的生产一 钛合金的合金化原理1 将钛的合金元素分成三类：a相稳定元素，能提高a — 0相的转变温度，扩大a相区，如铝和 氧、氮等；中性元素，在a相和0相中均有较大固溶度，对a 0相变温度影响不大，如锡、锆等0 相稳定元素，一般是降低0 相的转变温度，扩大0 相区，它又可 分两小类产生0 相共析分解的元素，如 Cr、Mn、Fe、Cu、Ni、Co、W 等 随温度降低，0相发生共析分解，析出a相及金属间化合物（图c） 二元相图上不产生0相共析分解，但慢冷时析出a相，快冷时有a ' 马氏体相变，包括Mo、V、Nb、Ta等稳定0相的能力是Mo〉V〉Nb〉Ta2 0 相稳定元素含量与淬火快冷组织关系当0相稳定元素含量较低时，0发生马氏体相变，形成a '相。

当含量达到 C1 之前， 0 相发生完全的马氏体相变；在C1到C2区间，可以有部分0相残留，得到a ' +残余0相组 织当含量达到 C2 时，马氏体转变完全被抑制，只有残留0 相（机械 不稳定，在应力作用下分解）存在当含量三C3时，为机械稳定0相882（非热力学稳定，当元素含量超过C4 时才得到室温热力学稳定的0相3 气 体杂质 元素的分类与作用氧稳定a相元素,生点阵畸变，提高强度、降低塑性系示意图回火时分解）氮与氧类似，是强稳定a相兀素，提高a — 0相转变温度，强烈提高强度而降低塑性氢稳定0相，降低塑性和韧性钛中的氢很容易引起“氢脆”335°C时氢在a -Ti中的溶解度为 0.18%，并随温度降低而迅速下降，从钛固溶体中析出氢化钛而引起 的脆性4 钛合金的分类a -钛合金：显微组织是a相，含有a相稳定元素及一些中性强化 元素主要元素是铝、锆、锡等典型合金有Ti-8AI-1Mo-1Va +0钛合金：显微组织是a +0相，含有较多的a相稳定元素和 0 相稳定元素0 钛合金和近0 钛合金 ：含有大量的0 相稳定元素，多数还含有 铝、锆、锡等室温强度可达到a +0钛合金水平，但具有更佳的工艺性能，高温 强度比不上a +0合金。

近0钛合金的显微组织是a +0相，a强化相分布在0相基体上 二钛合金的强韧化机制1 钛合金热处理基础少数钛合金系，如Ti-Cu，可进行时效析出金属间化合物来强化大多数钛合金只是通过热处理控制0 一a相变以得到预期的组织、 性能和工艺特性合金成分，特别是0 相稳定元素含量以及冷却速度， 对0 相变有重要影响钛合金TTT曲线示意图（卩稳定剂 超过临界浓度）0相发生分解的TTT 曲线如图所示当温度为 T3 时，转 变终了得0 +a ；当温度为 T2 时，先 是0 f 0 + 3 （介稳 相），再进一步转变为 0 + 3 f 0 + a + 3 f 0 +a 当温度为 T1 时，发 生0 f0 +3连续冷却时慢冷时，0 f0 +a 冷速增加时， 由0f0 +a f0 +a +3变为0 f0 +3；进一步增加冷速，不发生相变，得到室温介稳的0 相，或得到马氏 体相变0 fa的产物a马氏体a钛合金和近a钛合金一般室温组织全是a相，只是随从单相0相区冷却下来的冷速不同, 可得到不同金相形态及不同晶粒尺寸的a相通过热机械处理，可得到等轴a相；近a钛合金可通过控制冷速得到细的网篮状组织a +0钛合金通过淬火时效可得到细晶粒a +0结构，一次a相的比例相对较高， 这样可得到很好的热疲劳性能。

提高固溶温度时，得到较多大晶粒0 相转变产物，则断裂韧性较高合理的热处理是综合上述两方面的优点，得到细的等轴a相和转变 后的0 相，得到好的综合性能如Ti-6AI-4V合金采用960°C/1h + 700°C/2h空冷热处理2 钛合金的强韧化(1)近a和a钛合金这类合金的机械性能对热处理不敏感，因为总是a相没有相变通 过冷加工和随后退火控制a相形态和大小，通过固溶强化强化a相经0相热加工冷却得到片状魏氏组织a结构；a相热加工冷却得到 等轴组织；经a +0相热加工也得到等轴组织魏氏组织a片的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性能很好，而等轴a相 的低周疲劳性能和拉伸强度较高典型合金Ti-5AI-2.5Sn,在300C以下使用，可以焊接，但冷加工困 难发展方向：加入更多的a稳定元素，提高蠕变性能，但制备困难， 在制备和使用过程中易产生脆性由于 AI 当量的限制，该合金的发 展受到限制进一步发展方向：时效硬化a合金，Ti-25Cu,可冷加工和焊接，广 泛用于发动机铸件和法兰盘等2) a +0钛合金加入4-6%的0稳定元素，从而使a和0两个相都有较多数量，而 且抑制0 相在冷却时发生转变，只在随后的时效时析出，产生强化。

可在退火态或淬火时效态使用，既可以在a +0相区也可以在0相 进行热加工，使组织和性能有较大调整余地典型合金Ti-6AI-4V,用量占整个钛合金的一半广泛用于压气机盘 件、叶片和其他锻件3) 0 钛合金和近0 钛合金0 钛合金的0 相可以残留到室温，但却是不稳定的，随后时效析出 a第二相强化经热处理后其强度可优于a +0钛合金，同时韧性也 优于a +0钛合金但若控制不当，0合金可产生严重脆性控制第二相的数量、大小和分布典型合金Ti-13V-11Cr-3AI，经固溶淬火冷成形及时效处理，可获得 高强度该合金已成功制作SR-71飞机的蒙皮要进一步提高强度，先要解决韧性低问题细化0 晶粒可以提高塑性，但不能提高断裂韧性；通过形变热处理 改善断裂韧性三 钛合金的应用钛合金较钛及其化合物的应用更为广泛1.1 当之无愧的空间金属 现在，钛和钛合金主要用来制造火箭、导弹的燃料和氧化剂的储存 箱以及其他高压容器另外，大量的钛被用来制造火箭，导弹的外壳，及宇宙飞船的船舱等你们也许知道，对于上天的火箭、导弹和宇宙飞船来说，重量实在 是特别需耍精细计算的在火箭、导弹、宇宙飞船上使用钛和钛合金 代替钢材后，体重可以减轻几十到几百公斤，这样一点点的“减轻” 就能很好改善它们的飞行性能。

比如，远程导弹每减轻一公斤，可以 增加射程七点七公里，末级火箭每减轻一公斤，可以减少三十到一百 公斤的发射总重量，射程可增加十五公里以上由于重量减轻，还能 节省大量昂贵的高级燃料，降低建造和发射的费用这样你就明白了， 把钛称之为“空间金属”是当之无愧的1.2 神奇的抗蚀本领你们手上都戴着手表，表壳闪闪发亮，无论多久也不会黯然失色 这是为什么呢？原来表壳是用抗蚀性很强的镍铬不锈钢做的钛的抗蚀本领比不锈钢强多了在常温下，钛可以安然无恙地躺在 各种强酸强碱的溶液中就连最凶猛的酸——王水，也奈何不了它 特别在对海水的耐蚀性方面，钛的能力更强，可与大名鼎鼎的白金相 媲美有人曾经把一块钛片沉到海底，五年以后取出来一看，上面粘 了许多小动物和海底植物，却一点也没生锈，依旧亮闪闪的钛耐腐蚀，所以在化学工业上常常要用到它过去，化学反应器中 装热硝酸的部件都用的是不锈钢不锈钢也怕那强烈的腐蚀剂——热 硝酸，每隔半年，这种部件都要统统换掉部件本身倒不贵，但每次 更换时所花的费用和因停工而带来的损失，要比部件的价格高许多倍 现在，用钛来制造这些，虽然成本比不锈钢贵一些，但是它可以连续 不断地工作五年，计算起来反而划算得多。

大家都知道，船舰终年航行在茫茫的大海上，水下部分必须是除锈 涂漆的，否则很快就会变成“破铜烂铁”而如果用钛和钛合金来制 造军舰、潜艇、船舶的部件，那就可以避免这类麻烦和损失用钛制 造的潜水艇，重量减轻了，可比不锈钢制造的潜水艇潜水的深度增加 百分之八十，达到四千五百米以上1.3 “怪脾气”有好用钛对液体和固体的东西都不感兴趣，王水也奈何不了它，然而，钛 对气体却十分投缘，喜欢跟氮、氧、氢、二氧化碳、水蒸气、甲烷等 许多气体相结合 这个“怪脾气”可以为我们服务你不是已经不止一次地欣赏过节日夜晚五光十色的焰火吗？这里 就有钛的一份功劳当钛粉和氧气迅速结合而燃烧的时候，能够产生 强烈的高温和光辉焰火不但可以在节日里增强欢乐的气氛，而且可 以作为军事上的信号弹，用来指示目标或传达命令在弧光灯中加进适量的钛的化合物，可以增加它的亮度利用钛对空气的强大吸收力，可以除去空气，造成真空比如说， 利用钛制成的真空泵，可以把空气抽到只剩下十万万万分之一在冶金工业中，加少量的钛到钢或其他金属里，“吃掉”里面的气 体和杂质，能够起到很好的脱氧除氮的作用，还能消除硫的有害影响， 从而改善钢和其他合金的机械性能，提高它们的抗蚀能力。

1.4 世界上最白的东西教室的墙壁是白的，雪是白的，纸张是白的，世界上有很多东西是白的，可你们知道世界上最白的东西是什么吗？世界上最白的东西是二氧化钛，它是一种雪白的粉末，是最好的白 色颜料，俗称钛白以前，人们开采钛矿，主要目的便是为了获得二 氧化钛钛白有很强的粘附力，在常温下很稳定，永远是雪白雪白的， 特别可贵的是钛白无毒，不会对人体造成伤害一克二氧化钛可以把四百五十多乎方厘米的面积涂得雪白它比常 用的白颜料——锌钡白还要白五倍，因而是调制白油漆的最好颜料 世界上用作颜料的二氧化钛，一年多到几十万吨二氧化钛可以加在 纸里，使纸变白而且不透明，因此，钞票纸和美术用品纸中都要加二 氧化钛在橡胶工业上，二氧化钛还被用作为白色的橡胶的填料1.5 锐利的“水下眼睛”喜欢读课外书的同学也许会知道：在海洋里，鱼类一般都是成群结 队地游来游去当渔民驾驶着渔船来到时，它们便躲到了水下，然而， 渔民却对它们躲的地方清清楚楚，准确地撒下了鱼网那么，渔民是怎么知道鱼群躲的地方呢？说来也简单，渔民有一个“宝贝”，它有一双锐利的“水下眼睛”， 能透过海水“看到”鱼群的位置，再把这个消息报告给渔民，它的名 字叫鱼群探测仪。

为什么鱼群探测仪会有这么一双锐利的“水下眼 睛”呢？原来，鱼群探测仪里有一种叫作钛酸钡的物质，钛酸钡的晶体有这 么一个特别的脾气：当人们把它放在超声波中时，由于超声波对物体 会产生一定的压力，它受到压力就会产生电流；相反，当人们给它通 电时，它又可以产生超声波 它的脾气真是怪极了利用钛酸钡的这个怪脾气，人们制成了鱼群探测仪渔民先让高频 电流通过钛酸钡的晶体，就产生了超声波，超声波可以在水中传播， 当超声波碰到鱼群的时俟，它们中的一部分就被鱼群挡了回来，钛酸 钡接收到返回的超声波后，就会产生电流这时，记时装置会记下超 声波往返的时间，乘上超声波的速度，就可以计算出鱼群与渔船之间 的距离 鱼群探测仪就是这样发现鱼群的位置的此外，用钛酸钡还可以做成水底探测仪，它也有锐利的“水下眼睛”， 它不只能看到鱼群，而且还可以看到水底下的暗礁、冰山和敌人的潜 水艇等4、钛发展的制约金属钛及其化合物和合金的应用均愈来愈广泛，然而，金属钛的提 炼技术目前采用的是真空炉熔炼技术、真空感应电炉熔炼技术、等离 子感应炉真空炉熔炼包括真空铸造，是生产难熔、稀有和活性金属的基本方 法之一，是获得高纯度、高质量金属材料的现代技术之一，现已发展 到较完善的阶段，有多种熔炼。