钛合金及其热加工讲座2007[1].4.11素材

钛合金材料及其热加工讲座2一、钛和钛合金的基本知识1.纯钛1）高纯度钛的特性●具有同素异晶转变的特性钛在固态随着温度的改变，其原子排列的晶体结构要发生变化（组织转变）。高纯度钛的组织转变温度为882.5℃。也就是说，在882.5℃以下，是密排六方晶体的α-Ti(α相),在882.5℃以上，是体心立方晶体的β-Ti（β相）。可见，882.5℃这个温度是纯钛发生组织转变（α相β相）的温度。因之，将其称为相变点。3由α-Ti转变β-Ti（α相转变β相），其塑性变形的能力发生了变化。为什么？因为金属塑性变形（锻造）时，首先是沿着晶体中原子排列最密的晶面和晶向优先产生滑移。为什么？因为原子密度最大的晶面原子间距小，原子结合力强，而晶面的间距增大，则晶面间结合力较弱，滑移阻力当然就小，显然易成为滑移面。而α-Ti是密排六方晶体，其原子排列最密集的晶面只有1个，即{0001}面。4镁就是这种晶体结构。所以镁和镁合金不好锻，塑性很差，锻造容易产生裂纹，更没有听说镁可以冷锻。当然，变形条件改变了，如加热、大变形或高应变速率下次要滑移面也可以开动。所以，镁在热态塑性不坏，很好锻。对于六方晶体而言，一个滑移面可以有3个滑移方向。所以滑移系的数目是1×3=3个。5但条件变化了，如加热、大变形、高速变形，那么，次要滑移面也将产生滑移。在体心立方晶体中，主要滑移面＋次要滑移面共有48个。当然，滑移容易了，也就是说塑性好了。β-Ti（相）是体心立方晶体，体心立方晶体原子排列最密的晶面有6个{110}，但滑移方向只有2个，所以滑移系数目6×2=12个。6由此，给我们的启示：●钛合金为什么一般不能冷变形？●又为什么发展近β锻造、β锻造？（除了发挥材料性能）●为什么要严格控制钛合金终锻温度？●为什么在高速锤上变形、金属填充性能特别好（一般一锤成形）？均与α含量有关7●化学性能活泼、容易氧化高纯度钛的熔点为1668℃±4℃，比铁(1539℃)、钴(1500℃)、镍(1450℃)的熔点还高。如果单从熔点来讲，似乎钛是很好的耐热材料，可是很遗憾，自二次世界大战出现低于400℃使用的TC4钛合金以来，六十年过去了，钛合金的使用温度仍然限于600℃。而将铁、钴、镍加入到钢中形成的铁基、钴基、镍基黑色高温耐热合金，其使用温度可达到900℃。那么为什么？8原因：高温下氧对钛的玷污速率很高控制的杂质氧含量0.15%氧化膜基体金属的界面钛金属(如钛棒)在空气中也会氧化的，形成一层很薄的淡黄色的氧化膜，如图黄色的外圈。一般讲，技术条件控制钛金属中杂质氧含量≤0.15%（为什么？）因为氧增加一点点，塑性(ψ)大大下降。所以，当σb低时，也不要轻易放松氧含量的控制要求。对冶金厂来讲，提高强度并不难，降低海绵钛的品位就可以解决，但是氧含量，ψ。所以，冶金厂也不会随便提高氧含量。9当金属钛（钛合金）在高温下加热时：●由于存在着较大的氧的梯度浓度，则给氧向基体金属扩散（渗透）创造了条件，正如水由高处流向低处一样，落差越大，水的流速越快。高温下，氧很活泼，不断地向金属内部扩散。●氧在固体金属钛中比氢(H)有较大的固溶度，就是说氧在钛中比H有较大的溶解度，而且它不是置换式的固溶，而是间隙式的。只要原子之间有点间隙，它就可以钻进去，讲得明白一点，干脆叫它无孔不入。因而，又为氧向金属内部扩散创造了条件。10讲到这里，你们可能会问，钛合金不要在氧化性气氛中加热，而是在还原性气氛中加热不是更好吗？回答是肯定的：不行。即使没有电炉的条件下，宁可在油炉中加热。为什么？氢对钛合金性能的影响远比氧大得多，要发生氢脆。所以，技术条件控制的氢含量0.012（简称双零控制）。11●加热温度越高、时间越长，氧在金属内部扩散越厉害。氧对钛金属玷污的程度∝T·H·CM成正比Ti-679（近α合金）合金氧的玷污深度玷污深度（μm）℃900940100015min29438230min416110460min5787168120min8012220612由上表可见:●加热温度越高，时间越长，玷污深度越大。●比钢锻件产生的氧化皮小得多，最大只有0.2mm可是，其危害不能小视。为什么？●导致材料表面变脆，由于氧的渗透，在金属表面形成一层富氧层（TiO2）。众所周知，金属凡是与氧结合形成的氧化物，几乎都是脆性的，所以富氧层更确切的含义应该叫做富氧脆性层，实际上常说的“氧脆”就是这个意思。●形成微裂纹，使材料的热稳定性下降。13什么叫热稳定性？简单地讲，金属材料（试样）或者构件在温度场，或者在温度场和应力场共同作用下，其组织和性能变化的程度。●表面稳定性那么用什么指标来衡量呢？14●宏观指标，ψ在做室温拉伸时，可以测得一个断面缩率，叫ψ1。经过一定时间热暴露（在炉中加热一定时间，一般100小时）后，再去做室温拉伸，又可测得一个面缩率，叫ψ2，ψ2/ψ150％，表示材料或工艺是稳定的，因为稳定性好。否则就判为不合格。当然，一般条件ψ2/ψ150％，但β合金（Ti40）或β锻造就不好说了。15●另一种微观指标K1C科学已发展到衡量材料性能，不能单从宏观角度来考虑了，而是可用微观力学性能来表征了，K1C就是表征材料抵抗裂纹扩展的能力。当然，微观指标比宏观指标更重要，更能评价材质的优劣。但是，不管用ψ或K1C表征材料（锻件或构件）的稳定性，都属于表面稳定性。影响材料（锻件或构件）热稳定性的另一个因素内部组织转变。16●冶金热稳定主要是材料内部相分解、相析出引起的热稳定性下降。●β残余相中析出αs相（硬脆相）●形成有序相，致使晶体结构发生变化现在讲不清楚，以后再分析这里要特别强调的，也是你们应该注意的，有三点：●试样（热稳定）要求磨削加工，最好用60粒度的TiS砂轮，乳化液冷却。●试样加工后，用丙酮擦洗。●装夹时最好戴上手套，特别是夏天，尽可能不用汗手扶摸。17●导热系数小Al0.52卡/厘米·秒·度15倍Fe0.19卡/厘米·秒·度5倍Ti0.036卡/厘米·秒·度以此为1所以，钛合金不采用快速加热，也不采用低温预热，否则保温时间太长，而是炉温到预定温度后一次直接放入高温区加热。保温时间：0.5～1.0分钟/毫米，一般取0.6～0.8分钟/毫米,热态回炉减半。18●摩擦系数大就是说比较粘，金属流动性不好，因此注意以下问题：设计模具时，金属流动激烈处，圆角半角大一点。锻造时，加强润滑。●毛坯喷涂玻璃润滑剂，其作用：a.减少加热氧化b.减缓冷却c.润滑作用19●在锻造时，最好再采用机油＋石墨均匀地洒入上下模膛内，这样：a.冷却b.润滑，利于金属流动（对于大型锻件，特别注意均匀润）c.容易出模20这里，要特别介绍的，或者说要消除你们顾虑的，更要引起注意的——热效应问题钛合金摩擦系数大，那么锻造时金属流动激烈，是否会引起摩擦生热而出现温升（热效应）？答案是肯定的，会产生热效应的。一般资料介绍可达30～50℃，有些教科书上写着，可能高达100℃以上。假定是这样，那么，国内外传统的相变点以下40～50℃的常规锻造，也只能得到网篮组织，甚至魏氏组织，无法得到等轴组织。21●膨胀系数小热收缩率为钢的一半左右，模具设计时γ=0.7～0.8●高纯度钛的强度很低σb＝250～300MPa,ψ≈70～80％一般用于科研，没有工业应用价值。但当其中含有一定杂质时，将强烈地改变机械性能，但此时再也不能称为纯钛，而叫工业纯钛。22加入0.05%的O、N或C，能使钛的σb分别提高：6、12.5和3.5MPa。其中N的强化作用最大，但使塑性剧烈下降。当含C量大于0.2%，就会出现脆性化合物碳化钛（TiC）。所以C含量一般控制在0.1%。O、N、C是提高α→β转变的温度，也就是说扩大α相区的，是α稳定元素。23H的危害性很大，极其微量的H能使材料变脆—所谓氢脆。所以钛中含量必须严格控制，一般要求H含量小于0.015～0.02%。-200-1000100036912154321t(℃)aK(Kg.M/cm2)1—0.001%H2—0.008%H3—0.018%H4—0.04%HH对钛的冲击韧性影响最大24由Ti和H的相图可知：●H在β钛中的溶解度比在α钛中大得多●且H在α钛中的溶解度随温度的降低而剧烈减少Ti-H相图H在α-Ti中的溶解度曲线25●H在β相中的溶解度为2%，是降低α→β转变温度的β稳定元素。而H在α相中的溶解度很小，在150℃，小于0.003%。●当含H的β-Ti共析分解以及含H的α-Ti冷却时，均可析出氢化物TiH2。H含量低时，TiH2呈（黑色）点状，H含量高时呈针（片）状，如左图。TiH2的存在使合金变脆，称为氢化物型氢脆。断口检查可发现裂纹是沿着氢化物与基体之间的界面发展的。这是因为基体金属与氢化物之间的结合力较弱，受力后引起应力集中而形成裂纹，并迅速扩展而导致断裂。纯钛中的氢化物（黑针）含H0.023%（wt）26※Fe、Si与Ti形成置换式固溶体，尽管Fe、Si在纯钛中也是杂质，但不象O、N、C、H那样对Ti的性能影响大。含0.05Fe或Si，仅使钛的强度提高10～12MPa。但Fe、Si作为杂质时（Fe与Si也可作为合金元素加入Ti中），其含量要求分别小于0.3%和0.15%。Fe、Si不管是杂质还是添加元素，主要溶解于β相中，它们是降低α→β转变温度的，是β稳定元素。27●为了保证材料的塑性和韧性，在工业纯钛（TA1、TA2和TA3）和钛合金中，一般限制O含量小于0.15～0.2%，N含量小于0.05～0.08%，C含量小于0.1～0.2%，H含量小于0.015～0.02%。●近20年来，国内外发展了一些间隙（杂质）元素特别低的高纯度钛合金。如美国标准纯钛的Ti-6Al-4V合金的O含量小于0.2%，C含量小于0.1%；而高纯度的Ti-6Al-4V（ELI）合金的O含量小于0.13%，C含量小于0.08%。因为O会增加Ti的冷脆性，并严重降低断裂韧性。所以，高纯度钛合金适宜于低温或要求高的断裂韧性时使用。降低间隙元素含量可提高材料的断裂韧性。28●综上所述，钛中的间隙杂质虽然能提高钛的强度，但建议不要采用提高间隙杂质来提高钛的强度。原因：这种杂质不仅严重降低合金的塑性和断裂韧性，而且会加快疲劳裂纹扩展速率，并使其他一些重要性能，如热稳定性，蠕变抗力，缺口敏感性等变坏。此外，现用的和发展中的高强钛合金主要靠加入大量的合金元素来强化，这就需要基体元素钛有更高的塑性储备。所以提高钛的纯度（实际上是提高海绵钛的品位）是发挥合金潜力以及研制新的高强度、高塑性和高韧性钛合金的必要条件。29工业纯钛按杂质含量不同，在我国现行冶标中有三个牌号：中国俄罗斯美国英国日本σbMPaδ%ψ%TA1BT1-0Ti-35IMI115KS503502550TA2BT1-1Ti-55IMI125KS604502045TA3BT1-2Ti-65IMI135KS855501540KS850.150.05KS500.030.0150.150.100.10.05KS600.150.050.050.0150.300.15中国俄罗斯美国英国日本ONCHFeSiTA1BT1-0Ti-35IMI115TA2BT1-1Ti-55IMI125TA3BT1-2Ti-65IMI1350.100.0150.300.1530工业纯钛的特点：●从上表可以看到：随着纯度降低，或者说杂质含量增加，工业纯钛强度提高，塑性下降。●工业纯钛在退火状态下为单相的α组织（一片白色），工业纯钛属α型合金，我国用TA表示。●工业纯钛不能采用热处理强化（退火是软化，不是强化）。要想提高工业纯钛的强度，只能采用冷变形的所谓冷作硬化。用钣金成形的飞机蒙皮，其强度可达600MPa。上面主要以纯钛来介绍其力学性能特点的，其实，对于钛合金来讲，同样存在同素异晶转变、化学性活泼、摩擦系数大、导热性差、线膨胀系数小等特点，以后就不再重复介绍了。31下面对从事切削加工的听众，介绍一点切削加工方面的知识。●钛的化学性质活泼极易氧化，其结果在工件表面形成富氧层，实际上应叫做α硬化脆性层。其厚度取决于加热条