Metal-Materials-8-Ti

18.3Titaniumanditsalloys钛及钛合金是第二次世界大战后发展起来的新材料，具有很高的比强度和耐蚀性，已经发展成主要的飞机和发动机结构材料。在生物医学领域也得到应用。28.3.1Puretitanium高纯钛（99.9%）Density:4.5g/cm3Meltingpoint:1667oCPhasetransformation:α-Ti:hcpc=0.46843nm，a=0.29511nmc/a=1.587β-Ti:bcca=0.332nmα-Ti↔β-Tiat882.5oC为什么高温下更有利于形成低致密度结构？Elasticmodulus:120GPaVerygoodcorrosionresistance(againstCl-)表面形成纳米级氮化物和氧化物保护膜。3工业纯钛（99.5%）主要性能杂质元素使工业纯钛的强度提高，塑性降低，并有良好的冲压性和焊接性。在200~430℃之间具有良好的耐热性。低温性能较好，但受到N、H、O、C等杂质影响。海水环境中的耐蚀性与Ni合金及不锈钢相当。塑性变形性能好。α-Ti尽管也是hcp结构，但其主滑移面是棱柱面{10-10}和棱锥面{10-11}，而且基面也可参与滑移，滑移系较多，故变形性好。4杂质的影响氧和氮与钛形成间隙固溶体，显著增大α-Ti固溶体的晶格常数c，而对晶格常数a几乎没有影响。提高强度、降低塑性。氢含量达0.007％时，强烈降低冲击韧性，增大缺口敏感性。氢在室温时几乎全部以硬脆的TiH2片沿固溶体晶界析出，使材料的韧性降低。由于氢在β-Ti中的溶解度比在α-Ti中大，因此，氢对β-Ti或α+β结构的钛合金的有害影响比单相α钛合金要小得多。Ti-H相图5碳也属于间隙杂质元素，含量超过0.1％时，使钛的强度显著提高，而塑性急剧降低。铁也是钛中常见的杂质元素。铁与钛形成置换固溶体时，能起固溶强化作用，但对钛的塑性影响不显著，有害影响比间隙元素小。在某种情况下，铁可作为合金元素强化钛合金。钛与氢、氮、氧、碳元素反应后，性质将发生明显变化，因此其熔炼、铸造、焊接等工艺过程应在真空或惰性气体中进行；热加工及热处理也应注意表面保护。68.3.2AlloyingandClassification1.Alloying1)αformingelementsAl,N,B,C在-Ti和-Ti中都能有限溶解，但在中的溶解度大于，且提高相变温度，扩大相区，使相稳定性提高。αformingelements,%Temperature,oC72)βformingelements在-Ti和-Ti中均能有限溶解，但在-Ti中的溶解度大于在-Ti中的溶解度，降低相变温度，扩大相区。A.Inducingeutectoidtransformationβ↔α+intermetalliccompound（共析反应）Cr,Mn,Fe,Cu,Ni,Co,W……Alloyingelements,%Temperature,oC温度降低，相发生共析分解。铜、硅等合金化时，共析转变快；铁、锰、铬、钴、镍等合金化时速率慢，即使连续缓慢冷却，也可能转变不完全。快速冷却时，共析反应可以被完全抑制，过冷相可保留到室温。当合金元素含量足够高时，相可以完全过冷到室温。8BExpandingβphasefieldMartensiteα’canresultsfromquenchingMoVNbTaAlloyingelements,%Temperature,oC与-Ti同晶型，二元相图上不产生相共析分解但慢冷时析出相，快冷时有’马氏体相变。随着合金元素含量达到临界值，快冷使相成为室温稳定相。93)NeutralelementsDissolvinginbothαandβphasesZr,Hf,SnAlloyingelements,%Temperature,oC在-Ti和-Ti中都有较大的溶解度，但对相变温度影响不大；对相和相的稳定性亦无明显影响。102.EffectsofalloyingelementsZr&Sn:SolidsolutionstrengtheningImprovinghightemperatureproperties(creepstrength)强化效果不很明显，通常不单独使用Al:SolidsolutionstrengtheninginαReducinghydrogenembrittlementIncreasinghightemperaturestrengthandelasticmodulus强化效果优于Zr和Sn超过7%后形成Ti3Al，降低塑性Al、Sn、Zr的影响11V&Mo:可无限溶解于-Ti，也可溶于-TiSolidsolutionstrengtheningbutnotdecreasingductilitysignificantlyImprovinghightemperaturestrengthandcreepstrength同晶型元素的影响12Cu:IncreasinghightemperaturestrengthandstabilitySolidsolutionstrengtheningPrecipitationstrengthening(TiCu2)Si:IncreasingcreepstrengthDecreasinghightemperaturestabilityIncreasingsolubilityofHinTi（降低氢脆敏感性）共析型元素的影响13合金元素对高温性能的影响规律1）添加能提高合金固态相变温度的元素，改善耐热性的作用比较明显。这是由于接近相变温度时，组织稳定性下降，原子活性增加，促使金属软化。因此耐热钛合金应以α稳定化元素（Al）和中性元素（Zr、Sn）为主，至于β稳定化元素一般效果较差。14合金元素对高温性能的影响规律2）从组织角度来看，在单相固溶体浓度范围内，耐热性随浓度的增加而提高，组织中出现第二相时则有所下降。因为复相组织在加热过程中将发生相变，促使相界附近的原子扩散，故耐热性下降。按照这一特点，耐热钛合金应以单相组织为主，实际一般选用α型或近α型合金作为高温工作的材料。3）某些金属间化合物（如Ti3Al、TiAl）具有很高的耐热性，但塑性低，给加工造成困难。因此，目前钛合金中应用最广泛的合金元素是铝，不仅可明显提高常温及高温强度，还可提高“α+β”合金的时效硬化能力，改善合金的抗氧化性能，降低密度。153.Classification根据退火组织（主要取决于成分）αtitaniumalloys(TA)退火组织为固溶体，主要元素是Al、Zr、Sn等。加少量稳定元素得到近钛合金，退火后有少量相。βtitaniumalloys(TB)退火组织为固溶体含大量相稳定元素，多数还含Al、Zr、Sn等钛合金室温强度可达到＋钛合金水平，并有更佳的工艺性能，不过高温强度较低。α+βtitaniumalloys16α+βtitaniumalloys退火组织为+两相固溶体，含有较多的相稳定元素和相稳定元素。组织和性能的可调节范围较大。α+β钛合金的几种典型组织特征174.PropertiesoftitaniumalloysAdvantages:HighspecificstrengthGoodhightemperaturestrengthGoodcryogenicpropertiesGoodcorrosionresistanceDisadvantages:PoorhotandcoldformabilityPoormachinabilityPoorwearresistance188.3.3Phasetransformationandheattreatment少数钛合金属于时效强化型，如如Ti-Cu系，可以进行时效（如Ti2Cu）强化；大多数钛合金与钢的热处理相似，通过热处理控制β→α相变，发生马氏体相变。淬火后能否得到亚稳定相，是判断能否热处理强化的先决条件。一般只含单一α稳定元素或中性元素的钛合金，得不到亚稳定相。191.Martensitetransformationandquenching含β稳定元素如Mo、W、V、Nb、Ta和Cr、Fe、Mn等的合金，加热到β相区淬火后，可以得到不同的亚稳定相、如α’、α”、ω和过冷的β’相，导致合金的力学性能发生变化。因此可以进行热处理强化。不同的淬火温度可以得到不同的亚稳定相，因此钛合金的热处理工艺较为复杂。20Martensitetransformationα′相是钛合金自β相区淬火时，发生无扩散型转变形成的一种合金元素在六方晶格的α-Ti中的过饱和固溶体的针状组织，其硬度略比平衡相高。这种转变与钢中的马氏体转变相似。故β→α’的转变称为钛合金的马氏体相变。含金元素对钛合金Ms点的影响钛合金中的马氏体都是置换型过饱和固溶体，其硬度较低，而塑性很好，对钛合金的强化作用不大。21Othermetastablephases当合金元素含量达到某一水平时，Ms点降低至室温以下，马氏体转变完全被抑制，淬火后得到过冷的β固溶体，用β′表示。α″相是淬火时以无扩散型相变改组为六方晶格的结果。原子的位移较形成α’相时小，也是一种马氏体相。但是α″相具有斜方点阵，硬度比α′相更低。ω相可以在淬火时由β以无扩散型相变形成；也可以在β′相向α相转变的过程中以过渡相形式出现，这一过程是扩散型的。222.TTTcurveofundercooledβ钛合金的过冷β相的分解过程也可以用C曲线来表示。在较高温度等温时，β’直接分解为α+β。随着等温分解温度降低，转变产物愈细，的强度、硬度愈高。等温分解温度比较低时，β’相分解过程为：β’→β＋ω→β+ω+α→β＋α。中出现ω相时，塑性急剧降低，热处理时应避免产生这种相。加入的β稳定元素的数量和稳定β相的能力增大，C曲线向右下方移动233.Agingoftitaniumalloysβ’→α+βα’→α+β钛合金的时效强化效果主要来自固溶体第二相，而铝合金的时效强化效果主要来自金属间化合物第二相。248.3.4Differenttypesoftitaniumalloys1、型钛合金主要合金元素是α稳定元素铝，其次是中性元素锡和锆，有时还加入少量活性共析型β稳定元素。铝、锡和锆固溶强化，并提高合金的强度和耐热性。少量铜的作用是提高合金的热强性和热稳定性。型钛合金不能热处理强化。具有良好的热稳定性、热强性及优良的焊接挂。室温强度较低，塑性变形能力较差。252、型钛合金含有大量铬、钼、钒等稳定元素，此外还加入少量铝、铬、锡等，以增加时效强化效果。目前工业上使用的型钛合金都是淬火后得到的介稳定型合金。型钛合金的特点是在淬火状态具有很好塑性，可以冷成型，板材能连续生产，时效后具有很高的强度，可焊性好，但热稳定性差。263、+型钛合金主要合金元素是稳定元素钒、锰、铬、铁、钼等，固溶强化和提高相的稳定性，并通过淬火获得介稳定的相，使合金具有时效强化效果。铝和锡在合金中主要是溶入相，少量溶于相，提高合金强度。兼有型和型两类钛合金的优点，具有较高的力学性能和优良的高温变形能力，能较顺利地进行各种热加工，并能通过淬火和时效处理，使合金的强度大幅度提高。这类合金的热稳定性较差，焊接性能不如钛合金。27金相组织SLM（SelectiveLaserMelting）成形TC4合金可以看出层状特征以及树枝状外延生长特征，组织细小，耐蚀性强。28物相组成三种状态的TC4材料均只检测到α’相29抗拉强度σb≈1220MPa（棒材950MPa）屈服极限σ0.2≈1030MPa延伸率δ=8.3%（棒材10%）拉伸性能及断口形貌断口上主要为细小韧窝，显示较好的韧性。30Ti-Ni合金食道支架血管支架航空用钛合金钛金属牙刷钛眼镜架钛合金种植牙8.3.5钛合金的应用航空、航天、军工、民用等诸多领域应用广