钛与合金元素的相互作用.doc

《无机精细化工工艺学》钛与合金与素的相互作用专业班级： 化工1301班 姓 名： 杨 宇 龙 学 号： 130803057 任课教师： 董缘 薛娟琴 西安建筑科技大学2016年 10 月钛与合金与素的相互作用作者：杨宇龙 学号：130803057摘要：先进材料钛及钛合金的应用与前沿技术的发展一直是当前材料领域的热点研究课题之一钛、钛合金及钛化合物的优良性能促使人类迫切需要它们随着钛的冶炼技术不断改进和提高，钛、钛合金及钛的化合物的应用得了到更大的发展本文介绍了钛合金的发展、特性、铸造工艺性能及其热处理，阐述了钛与合金与素的相互作用，分析其优势与局限性，并展望发展趋势关键字：金属钛 钛合金 性质 铸造加工性能 热处理 生产技术 应用 性能 合金化原理 相互作用钛及钛合金概述1、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、新型的功能材料它们具有某些特殊的物理、化学、生物特性：形状记忆合金，TiNi人造骨头；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。

工业纯钛一、钛的基本性质1、物理性质1）两种同素异晶体：α-Ti;β-Tiα-Ti β-Ti2) T熔=1668℃3）ρ=7.8×57%=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、化学性质钛在室温下比较稳定，但在高温下却很活泼：在熔化状态下，能与绝大多数坩埚材料发生作用；高温下，与卤素、氧、硫、碳、氮等元素进行强烈的反应，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： TiTi2++2e, E=-1.63v但钛的致钝电位亦低，故钛容易钝化2）不同温度下的耐蚀性：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550℃以下，能与氧形成致密的氧化膜，具有良好的保护作用； 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，摩擦系数大二、杂质元素对钛性能的影响1、主要杂质元素间隙型元素：O、N、H、C；置换（代位）型元素：Fe、Si2、影响：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+310 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； O、N、C提高α-Ti/β-Ti转变温度，使α稳定元素； H元素降低α/β转变温度，是β稳定元素H：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%其中Zr、Hf与Ti 同族，具有相同的晶体结构和同素异晶转变，因此，与α-Ti与β-Ti形成连续固溶体； V、Nb、Ta与Mo具有体心立方结构，即与β-Ti同晶，因此与β-Ti形成连续固溶体；而与α-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、TiI44、与钛不发生作用：碱金属、碱土金属 用卤素还原TiO2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：1、合金元素与α-Ti和β-Ti形成连续固溶体2、与β-Ti无限互溶，与α-Ti有限溶解的相图β同晶元素V与Ti组成的相图3、3、与β-Ti和α-Ti都形成有限固溶体，β相会发生共析分解Ti与Cr(共析型β稳定元素)组成的相图Ti与Mn(共析型β稳定元素)组成的相图非活性共析元素（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β同晶元素有相似之处。

活性β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β相实际很难固定到室温 共析型β稳定元素中最常用的是铁、锰、铬，它们稳定β相的能力比同晶型的 V、Mo等强烈的多，但不能在高温下长期工作4、合金元素与α-Ti、β-Ti都形成有限固溶体，但α相由包析反应生成Ti-Al(α稳定元素）组成的相图三、主要合金元素与相的形成 1、主要合金元素：β同晶元素：V、Mo、Nb、Ta； 共析型β相稳定元素：Cr、Mn（慢共析元素）Cu（快共析元素）α稳定元素： Al；中性元素： Zr、Sn；2、分三类（1）α相稳定元素，能提高α→β相转变温度；铝为什么是钛合金的一个基本合金元素？1）Al是最有效的α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）中性元素 合金元素(Sn、Zr）等能有效强化α相，它们在α-Ti与β-Ti中有较大的固溶度，但对α/β相变温度影响较小，故有中性强化元素。

β相稳定元素，一般是降低β相转变温度，分二类：1）产生β相共析分解的元素，如Cr、Mn、Fe、Cu、Ni、Co、W，随温度T降低，β→α+金属间化合物 共析反应的速率随元素而异：Cu、Si等合金化时，共析转变快，析出TiCu2、Ti5Si3; 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β相；快冷时，共析反应可以完全被抑制，过冷β相可以保留到室温；这个过程还与合金含量有关，含量增加，β相可完全过冷到室温2) Mo、V、Nb、Ta等，二元相图上不产生β相共析分解，但慢冷时析出α相，快冷时有α’马氏体相变高温β相淬火快冷时，可以发生马氏体相变，合金元素对β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？）：①合金含量较低（小于c1)时，β相在快冷淬火时发生完全的马氏体相变，形成α’相（α’马氏体为h.c.p结构，是合金元素在α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）；②合金含量较高（C1≤M%≤C2)时，可能有部分β相残留下来，得到α’+残余β组织，有时淬火温度高时，会形成一种ω相（亚稳相，六方晶格）：见下图所示；③合金含量达C2≤M%≤C3时，马氏体转变被完全抑β转变ω相也是一种无扩散性转变,它形核容易,长大困难,因此尺寸细小!1）ω相为钛合金淬火形成的ω相，尺寸小（5—10nm），它的形态、尺寸与稳定性决定于ω/β界面的错配度；2）ω相是一种硬而脆的相，ω相的出现，强烈提高合金的硬度和弹性模量，降低塑性；3）为防止ω相的形成， a.应控制淬火时效工艺，避免低温时效;b.加铝、锆、锡等制，只有残留β相存在。

但这种残留β相在机械外力作用下，不稳定的，分解为ω相；④当合金含量≥C3时，应力不起作用，残留β相稳定，不再分解四、β相共析转变及等温转变1、共析转变 钛与某些β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： β→α+TixMy 共析转变速度与共析温度（合金元素）有关温度较高，共析转变容易 如Ti-Si、Ti-Cu、Ti-Au等② 温度较低，共析转变不容易，极慢 如Ti-Mn (Fe、Cr），在共析温度（550℃），保温长达三个星期，还没有开始转变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中2、等温转变 高温β相和亚稳定β相都可以等温分解，其分解动力学可用C曲线表达，如下图所示等温转变分高温部分和低温部分 高温区域保温时，β相直接析出α相；随温度下降，分解产物愈细，α相弥散度愈大，合金强度和硬度愈高 低温区保温时，由于原子扩散比较困难，β相不能直接析出α相，而先形成ω过渡相，随时间增加，ω相转变成α相 影响β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：1）β稳定化元素含量的增加，C曲线向右下方移动等；2）α稳定化元素含量增加，加速β相分解，C曲线左移。

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α’+β；2）油淬（冷却曲线2）得到α’+ω+β；3）冷却曲线3得到ω+β；4）冷却曲线4，则得到α+β两相组织五、时效过程中亚稳定相的分解 钛合金淬火形成的α’、α’’、ω和βm的亚稳定相，在热力学上是不稳定的，加热时将要发生分解； 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 最终分解产物：α+β或α+TixMy; 在时效分解过程的一定阶段,可以获得弥散的α+β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)六方马氏体α’的分解 α’→β+α α’→过渡相→α+TixMy α’→β→β+TixMy（2）斜方马氏体α’’的分解 根据钛合金Ms点高低，α’’相可出现两种不同分解方式：α’’→β+αα’’→β→β相再分解3、亚稳定β的分解：βm→α+β（如下图a所示）βm→β+ω。