第10章 钛合金

第10章 钛合金 钛从实现工业生产至今才50多年，由于其密度小、比强度高、耐腐蚀等一系列优异特性，发展非常快，短时间内已显示出了它强大的生命力，成了航空航天工业、能源工业、海上运输业、化学工业以及医疗保健等方面不可缺少的材料。

10.1 钛合金的合金化原理 一、钛的基本性质与合金化 10.1 钛合金的合金化原理 一、钛的基本性质与合金化 ①有同素异构转变。 α，hcp | 882℃| β，bcc ②比强度高。ρ=4.51g/cm3，可保持到550～600℃ ③耐蚀性好。形成保护膜, 耐海水腐蚀性是最好的 ④低温性能好。在77K下仍有良好的力学性能 ⑤导热系数低。比铁低4.5倍，易产生热应力 主要合金元素有A1、Zr、V 、Mo、Mn、Cr等

（a）Ti-Sn(Al等) （b）Ti-V(Mo等) （c）Ti-Mn(Cr等) （d）Ti-Zr 合金元素的质量分数（%） （a）Ti-Sn(Al等) （b）Ti-V(Mo等) （c）Ti-Mn(Cr等) （d）Ti-Zr 图 钛与常见合金元素间的四种典型二元相图

二、 钛合金的相变特点 1、马氏体转变 基 本 概 念 β相(bcc) → α′六方马氏体(hcp)； → α″斜方马氏体。 二、 钛合金的相变特点 1、马氏体转变 β相(bcc) → α′六方马氏体(hcp)； → α″斜方马氏体。 基 本 概 念 Ck ： Ms↓室温时β相不发生M转变的合金浓度 tc ：当T淬↓到一定温度，β相浓度↑到Ck时， 淬火到室温β相也不发生M转变的临界淬火温度。 Ck和tc是非常重要的两个参数。 钛合金M是置换型过饱和固溶体，与钢间隙式M不同

2、ω相的形成 性 质 特 点 β稳定型钛合金的成分位于临界浓度Ck附近时，淬火时 除形成α′或βr外，还能形成淬火ω相，用ωq表示。 状与Me原子半径r有关，r与钛相差较小的合金， ω相是椭圆形，Δr相差较大时为立方体形 性 质 ω相硬而脆，虽↑↑强度、硬度和弹性模量， 但塑性急剧↓。一般情况下,ω相是有害组织，在 热处理时都要避开它的形成区间。加A1能抑制ω 相的形成 → 大多数工业用钛合金都含有A1 特 点

3、亚稳定相的分解 淬火形成的α′、α″、ω和 βr相都是不稳定的 最终产物 都是平衡 α+β相 β共析 型的 分解产物是 α+TixMy化合物 （1）过冷βr相分解 ; （2）马氏体分解,钛合金α′、α″在300 ~ 400℃发生快速分解，在400~500℃回火时 →弥散度高的α+β相混合物，弥散强化。 （3）ω相的分解. 各种亚 稳相分 解过程

10.2 常用钛合金 Ti合金按退火组织可以分为: β钛合金,以TB表示； α+β钛合金， 以TC表示. 分 类 符号后面的数字表示顺序号。 α钛合金,以TA表示； β钛合金,以TB表示； α+β钛合金， 以TC表示. 符号后面的数字表示顺序号。 分 类

各 类 合 金 特 点 α钛合金高温性能好，组织稳定，焊接性好， 是常用耐热钛合金，但常温强度低，塑性不高 α+β钛合金可热处理强化，常温强度高，中温 的耐热性也不错，但组织不够稳定，焊接性差 β合金塑性加工性好，合金浓度适当时，通过 热处理可获得高的常温力学性能，是发展高强度钛 合金的基础，但组织不够稳定，冶炼工艺复杂 应用程度: α+β合金 > α合金 > β钛合金

1、α钛合金 主要Me是Al和Sn，固溶强化:+1%Me，强度↑35~70MPa Al A1在α相中固溶度很大,↑耐热性(<500℃) 作 用 特 点 A1在α相中固溶度很大,↑耐热性(<500℃) 但Al＞6％后→与α共格有序相α2（Ti3Al） α2是硬而脆中间相，对合金塑韧性不利。 Al大于25%后，则出现γ相（TiAl） 一般工业用钛合金Al含量很少超过6％。 α钛合金使用温度≯500℃。 α钛合金不能热处理强化，退火或热轧态 下使用。TA7是应用最多的一种。 TA4~TA6是Ti-Al系二元合金 应 用 特 点

2、α+β钛合金 含4~6%的β稳定元素→α和β都有较多量。 +α\β元素→α和β同时强化。 α+β合金性能主要由β相元素来决定。 α相元素主要是铝， <6~7%→以免生成α2而 ↓韧性。另补加少量中性元素锡和锆。 β元素选择较复杂。+Mo和V等，再适当+少 量Mn和Cr或微量Si。 合 金 化 特 点 α+β钛合金力学性能变化范围较宽，可适 应各种用途，约占航空工业使用的钛合金70％ 以上。目前国内外应用最广泛的α+β钛合金 是Ti-A1-V系的Ti-6A1-4V，即TC4合金。 性 能 特 点

3、β钛合金 β钛合金是发展高强度钛合金潜力最大的合金。 合金化特点：加入大量β稳定元素。 热处理特点:室温为单相β组织，经时效可↑↑ 强度。淬火态下能冷成型→进行时效处理。 热处理 特点 强韧性优于α+β合金，具有良好的焊接性和 压力加工性。缺点是β元素浓度高，密度↑，易 偏析，性能波动大。β相元素多是稀有金属，价 格↑，≯200℃使用，应用受限制. 目前应用仅TB2 ，主要用于制造各种整体热处 理的冲压件和焊接件；如轮盘、轴类等重载荷旋 转件，以及飞机的构件等 性能 特点 与 应用

10.3 钛及钛合金的发展与应用 1、钛合金生产工艺 2、钛合金的新发展 和新应用 冶炼技术：电子束重熔技术，真空冶炼等 10.3 钛及钛合金的发展与应用 1、钛合金生产工艺 冶炼技术：电子束重熔技术，真空冶炼等 2、钛合金的新发展 和新应用 宇航工业 ：AlloyC是一个新型高温钛合金，使用温度 高达650℃ ，用于制造发动机的排气管； 船舶工业 ：深海潜水调查船的耐压壳体。近α钛合金、 Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo和α+β钛合金TC4； 民品工业 ：电磁烹调器具 、网球球拍、高尔夫球头 ； 汽车工业 ：进、排气阀，目前仅用于赛车和运动汽车； 化学工业 ：反应器、热交换器、吸收塔、冷却器等； 医疗领域 ：骨骼整补等嵌入材料 。

小 结 钛合金是20世纪出现的一种新型结构材料。它具有密度 小、强度高、耐高温和耐腐蚀等特点，且资源丰富，已成 小 结 钛合金是20世纪出现的一种新型结构材料。它具有密度 小、强度高、耐高温和耐腐蚀等特点，且资源丰富，已成 为航天、化工等部门广泛应用的材料 α钛合金塑性差，且不能热处理强化. β钛合金主加元素是Cr、Mo、V等元素及少量铝。主 要是时效硬化，因其明显的缺点,应用受到一定的限制 α+β钛合金是目前最重要的钛合金。同时加入α稳定 元素和β稳定元素，使α和β同时得到强化。力学性能变 化范围较宽，可以适应各种用途，约占航空工业使用的钛 合金70％以上。