钛及钛合金.ppt

1、复习题：1、铝合金的强化原理与工艺？2、什么是硅铝明合金？什么是杜拉铝合金？它们分别是属于哪类铝合金？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

2、本性质1、物理性质、物理性质1）两种同素异晶体：-Ti;-Ti-Ti -Ti883h.c.pb.c.c纯铝有类似的转变吗?铁呢?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

3、,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：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。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 是钛有较大的自扩散系数以及同素异晶转变；3）切削

4、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。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。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、真空冶炼、加热时

5、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%。l其中Zr、Hf与Ti 同族，具有相同的晶体结构和同素异晶转

6、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、H3、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TiO2得到TiCl4(TiI4)，再用Na(Mg、Ca）与氯

7、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：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形成形成连续固溶体固溶体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?)Ti-Zr二元二元相图相图2、与、与-Ti无限互溶，与无限互溶，与-Ti-Ti有限溶解的相有限溶解的相图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

8、定相的作用，称同晶元素同晶元素，也称相相稳定元素定元素。温度TiMe%同晶元素同晶元素V与与Ti组成的相成的相图3、与、与-Ti和和-Ti-Ti都形成有限固溶体，都形成有限固溶体，相会相会发生共生共析分解析分解+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 这类元素称为共析型稳定元素；+Ti与与Cr(共析型稳定元素)组成的相图Ti与与Mn(共析型稳定元素)组成的相图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

9、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，它们稳定相的能力比同晶型的 V V、MoMo等强烈的多，但不能在高温下长期工作。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，但相由包析反相由包析反应生成生成+LL+L+温温度度TiMe%l这类元素有如铝、镓、镧、硼等；l

10、提高（+）/相变温度，稳定相，是稳定元素稳定元素Ti-Al(稳定元稳定元素）组成的相素）组成的相图图三、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：Zr、Sn；2、分三类、分三类（1）相稳定元素，能提高相转变温度；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

11、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。（3）相相稳定元素，一般是降低定元素，一般是降低相相转变温度，分二温度，分二类：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

12、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。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，但慢冷分解，但慢冷时析出析出相，快冷相，快冷时有有马氏体相氏体相变MfMs稳定元素定元素质量分数量分数/%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。C1C2C4C3Ti-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-2.5

13、Sn合金加热到1175炉冷，粗片状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l高温相淬火快冷时，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

14、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Ti-6Al-4V合金955水淬，组织+初初初Ti-9Mo合金淬火，组织细针钛合金淬火板条，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!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（510

15、nm），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）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、相共析相共析转变及等温及等温转变1 1、共析、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 温度较高，共析转变容易 如Ti-Si、Ti-Cu、Ti-Au等 温度较低，共析

16、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。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：钛合金过冷钛合金过冷相等温相等温转变示意示意图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