第五章 钛及钛合金的热处理

5.1钛及钛合金5.2钛合金的相变5.3钛合金的热处理5.4钛合金的组织及其性能5.5常用钛合金的热处理制度5钛及钛合金的热处理钛及钛合金的优点：密度小、比强度高、耐热性较铝高、良好的耐蚀性钛及钛合金的缺点：导热性差、耐磨性差、弹性模量低、化学活性高钛资源在地壳中的含量（1）Al7.45%（2）Fe4.20%（3）Mg2.35%（4）Ti0.61%5.1钛及钛合金纯钛的化学及物理性能：化学活性大钛易吸氢引起氢脆耐蚀性强（空气中、水中、硝酸中）钛的主要几个物理性能与铝、铁的比较5.1.1纯钛物理性能铝钛铁熔点/℃66016681535密度/（g/cm3）2.74.57.8热导率/[cal/(cm·s·℃]0.520.0360.19线膨胀系数/×10－6℃－122.99.011.7钛的力学性能钛的力学性能主要取决于钛的成分、组织以及对其所进行的加工和热处理工艺等。钛的力学性能钛中含有杂质时，强度升高，塑性下降（氮、氧、碳影响显著）钛的力学性能随着变形程度的增大，强度指标升高，塑性下降钛的力学性能钛的力学性能与热处理制度紧密相联工业纯钛的牌号、性能按杂质含量的不同，工业纯钛分为三个等级，TA表示α型钛合金的代号，数字表示合金的序号，序号越大，钛的纯度越低。随着杂质含量的增加，钛的强度升高，塑性下降。纯钛虽然其塑性和韧性很好，但强度较低，影响了应用范围。加入适当的合金元素后，可以明显地改善其组织和性能，满足工程上的性能和要求。5.1.2.1钛与其他元素之间的作用钛与其他合金元素之间的作用，取决于原子的电子层结构、原子半径、晶格类型等诸因素。5.1.2钛的合金化周期表中各元素按与钛作用性质可纳如下：①在周期表上与钛同族的元素锆和铪具有与钛相同的外层电子结构和晶格类型，原子半径也相近，故它们与α和β钛均能无限互溶，形成连续固溶体；②在周期表上靠近钛的元素，如钒、钼、铌、钽等与β钛具有相同的晶格类型，能与β钛无限互溶，在α钛中有限溶解；③在外层电子结构、晶体类型和原子尺寸上都与Ti有较大的差异，如锰、铁、钴、镍等元素与钛只能形成有限的固溶体，超过溶解极限则形成化合物。5.1.2钛的合金化5.1.2钛的合金化5.1.2.2钛二元相图类型及合金元素的分类钛的二元相图可分为下列四种主要类型。5.1.2钛的合金化5.1.2.3常见合金元素的作用工业钛合金中常用的合金元素有：铝、锆、锡、钒、钼、锰、铬、铁、铜、硅等。铝主要起固溶强化作用，每增加1％Al，可使室温抗拉强度增加50MPa。铝在钛中的极限溶解度为7.5％,一般加铝量不超过7％。锡和锆为常用的中性元素，在α钛和β钛中均有较大的溶解度，常和其他元素同时加入，有补充强化作用，对塑性的不利影响比铝小，使合金具有良好的压力加工性能和焊接性能。5.1.2钛的合金化钒和钼是β稳定元素中应用最广的两种元素，对β相起固溶强化作用，降低相变点，增加合金的淬透性，从而强化热处理强化效果。锰、铁、铬等元素强化效果高，稳定β的能力强，比钨、钼、铌轻，故应用较广。硅的共析转变温度较高（860℃），加硅可改善合金的耐热性能。加入少量的硼可以细化宏观组织。稀土元素可显著地提高合金的瞬时强度和蠕变强度。5.1.2钛的合金化5.1.2.4工业钛合金的分类和编号根据钛合金退火（空冷）后的组织特点，钛合金可分为α、近α、（α＋β）和β四类。因这四类的形成与钛合金中所含β稳定元素的数量有关，所以必须明确在各类中的β稳定系数值。5.1.2钛的合金化（1）α钛合金此合金是指其退火组织以α钛为基体的单相固溶体的合金。我国α钛合金的牌号为TA后加一个代表合金序号的数字，如TA1、TA2、TA3等。（2）近α钛合金这类合金主要靠α稳定元素固溶强化，另加少量β稳定元素，以使退火组织中有少量β相。5.1.2钛的合金化（3）α＋β钛合金这种合金是指其退火组织为α＋β相的钛合金，也称为两相钛合金。我国这类合金的牌号为TC，后跟合金序号，如TC4、TC5、TC6等。（4）钛合金此类合金含β稳定元素较多。我国这类合金的牌号为TB，后跟合金序号，如TB1、TB2等。5.1.2钛的合金化5.2.1同素异构转变5.2.2β相转变（1）β相在快冷过程中的转变1）马氏体相变2）ω相变3）淬火钛合金的亚稳定相图（2）β相在慢冷过程中的转变（3）β相共析反应和等温转变5.2.3时效过程亚稳相的分解（1）六方马氏体α′的分解（2）斜方马氏体α〞的分解（3）ω相的分解（4）亚稳定βm相的分解5.2钛的相变5.2.1同素异构相变纯钛在固态有两种同素异晶体，即体心立方晶格的β相和密排六方晶格的α相，在882.5℃发生下列同素异构转变：α（密排六方）β（体心立方）相变特点：（1）相变体积效应不大（2）在β相转变为α相的过程中相变阻力及所需过冷度都很小（3）钛合金中的同素异构转变，温度对合金的成分极为敏感（4）加热温度超过β相变点后，β相长大倾向很大，极易使β相晶粒粗化882.5℃5.2.2.1β相在快冷过程中的转变当钛合金自高温快速冷却（淬火）时，根据合金成分的不同，β相可以转变为马氏体、ω相或过冷β等亚稳定相。（1）形成马氏体定义：α稳定元素过饱和的固溶体为钛合金的马氏体。类型：β稳定元素含量不大，六方马氏体α′(板条状和针状)；β稳定元素含量较大，斜方马氏体α〞(细针状马氏体)；5.2.2β相转变5.2.2β相转变针状马氏体内有大量孪晶板条马氏体内有密集的位错途径：淬火或者受力除淬火时β相可发生马氏体转变外，过冷β相在受力时也可能发生马氏体转变，称为应力诱发马氏体。应力诱发马氏体均为α〞晶体结构，为细针状。钛合金中马氏体不像钢中马氏体能强烈提高合金的强度和硬度，因为钢中的马氏体为过饱和的间隙固溶体，钛中马氏体为过饱和的置换固溶体，产生的晶格畸变较小，对位错滑移的阻力较小，因此对合金只有较小的强化作用。5.2.2β相转变(2)ω相变形成条件：1)当合金成分在临界浓度Ck附近时，高温淬火由β相形成。2)淬火后亚稳定β相在550℃以下等温(回火)ω相的特点：硬脆相，位错不能在其中移动。合金中出现时，强度、硬度升高，塑性、韧性降低。5.2.2β相转变为防止ω相生成，应控制淬火时效工艺，避免在低温时效；合金中铝、锆、锡能抑制ω相的生成。(3)淬火钛合金的亚稳定相图5.2.2β相转变归纳起来，不同成分合金自β相区淬火，可以得到六种组织，即α′、α〞、α〞＋βm、α〞＋β(ω)、β(ω)、βm。5.2.2.2β相在慢冷过程中的转变对于β稳定元素含量小于Cα的合金，无论从何种温度炉冷，其组织均为单相α。但若采用空冷时，由于β→α的相变来不及进行到底，在组织中往往残留有少量的亚稳定β相。当合金的范围为Cα～B时，自β相区慢冷，将从β相中不断地析出α相，随着温度的降低，析出的α相的数量不断增加，α相的相对数量则不断减少。α和β相分别沿着各自的溶解度曲线（ACα和AB)变化。达到室温时，两相分别达到各自平衡浓度，室温得到α＋β平衡组织。5.2.2β相转变5.2.2.3β相共析反应和等温转变(1)共析反应钛与铬、锰、铁、钴、镍、铜、硅等元素组成共析相图。在一定成分和温度范围内发生共析反应：βα＋TixMy5.2.2β相转变共析反应速度与加入的元素种类、元素浓度、反应温度及杂质元素有关。合金长时间在高温下工作，会逐渐分解出TixMy，使合金脆化，热稳定性降低。(2)等温转变等温转变分高温和低温两部分。5.2.2β相转变钛合金淬火形成的亚稳定相α′、α″、ω及βm，在热力学上是不稳定的，加热时要发生分解，其分解过程是比较复杂的。不同的亚稳定相分解过程不同，同一亚稳定相因合金成分和时效规程不同分解过程也不同。但最终的分解产物均为平衡状态的α＋β。若合金有共析反应，则最终产物为α＋TixMy,即5.2.3时效过程中亚稳定相的分解m或（α＋TixMy）加热(1)六方马氏体α′的分解α′的分解与β稳定元素的含量有关β稳定元素的含量少时，α′分解过程一般为：α′α＋α′α＋ββ稳定元素的含量较高，且主要为β共晶元素时，α′分解过程一般为：α′β＋α′α＋ββ稳定元素的含量较高，并存在共析元素时，α′分解过程一般为：含快共析元素时α′β＋α′α＋βα＋TixMy或α′α′＋TixMyα＋TixMy含慢共析元素时α′β＋α′α＋βα＋TixMy5.2.3时效过程中亚稳定相的分解(2)斜方马氏体α〞的分解α〞βm＋α〃贫βm＋α′α＋βα〞α＋α〃富α＋βmα＋βα〞α〃富＋α〃贫βm＋α〃贫α＋ββ富βββα〞βmα＋ββ贫ωα〞α′5.2.3时效过程中亚稳定相的分解(3)ω相的分解ω相是β稳定元素在α钛合金中的一种过饱和固溶体，从ω相中析出α有以下几种形式：α相在原来β晶界和ω相界上不均匀形核、长大并吞食ω；ω相首先溶解，然后从β相中析出α相；延长时效时间或提高时效温度，ω相逐渐失去稳定性而直接转变为α相或α′相。5.2.3时效过程中亚稳定相的分解(4)亚稳定βm相的分解合金浓度较低时在高温（大于500℃）的时效，βm相的分解是：βmα＋β合金浓度较高时在较低温度（300-400℃）的时效，βm相的分解是：βmβ＋ω′β＋ω′+αα＋β对合金浓度高或添加抑制ω形成元素的合金，βm相的分解是：βmβ＋β′β＋β′+αα＋β5.2.3时效过程中亚稳定相的分解5.3.1钛合金热处理的特点：（1）马氏体相变不会引起合金的显著强化（2）应避免形成ω相（3）同素异构转变难于细化晶粒（4）导热性差（5）化学性活泼（6）β相变点差异大（7）在β相区加热时β晶粒长大倾向大。5.3钛合金的热处理5.3.2.1退火通常采用的退火方式有去应力退火、简单退火、等温退火、双重退火、再结晶退火和真空退火等。（1）去应力退火为了消除由于塑性变形、焊接等工艺过程所产生的内应力，将工件加热到再结晶温度以下进行的退火工艺。去应力退火温度较低，属于未再结晶的退火，在退火过程中发生回复。（2）简单退火为了消除残余应力，将工件加热到略低于再结晶开始温度进行的退火工艺。这种退火方式是冶金产品出厂时常用的一种。5.3.2钛合金热处理的主要类型（3）等温退火和双重退火等温退火：将工件加热到足以发生再结晶的较高温度，然后冷却到β相具有高稳定性的温度（此温度一般低于再结晶温度），在此温度下保温，随后在空气中冷却。双重退火与等温退火的区别在于，双重退火后的第一阶段，合金在空气中冷却到室温，之后将合金再重新加热到第二阶段的温度（此温度低于第一阶段的温度）。（4）再结晶退火将工件加热到再结晶温度以上进行的退火工艺。在这一退火中主要发生再结晶，使加工硬化消除，组织稳定，塑性提高。退火温度介于再结晶温度和相变温度之间。5.3.2钛合金热处理的主要类型再结晶温度过高，会导致组织粗大。（5）真空退火目的：使钛合金表面层的含氢量降低到安全浓度，消除产生氢脆的可能性。此外，降低残余应力和保证合金的力学性能及使用性能等。注意事项：把钛合金表面层的氢浓度降低到在以后的使用过程中不会产生氢脆（慢性断裂）的水平；将残余应力（特别是焊接应力）降低到不能对钛合金构件的使用特性产生负面影响的水平；不许保证钛合金构件应有的力学性能和使用性能，必须把合金元素从表面层的蒸发等不利因素降低到最低水平；使退火构件保持原有的尺寸；在真空退火件表面上形成氧化膜，防止金属与水汽和其它含氢气体相互作用。影响因素：退火温度和保温时间5.3.2.2强化热处理淬火时效是钛合金热处理强化的主要方式，故称为强化热处理。强化热处理是提高钛合金强度指标的重要途径。钛合金强化热处理与钢、铝的异同：（1）钢和钛淬火都可以得到马氏体，但钢的马氏体强度高，强化效果强，回火使钢软化；而钛马氏体硬度不高，强化效果不大，回火使合金弥散强化；（2）钢只有一种马氏体强化机理，而同一成分的（α＋β）钛合金有两种强化机理，即高温淬火β相中所含β稳定元素小于临