鈦合金材料及其熱加工講座2007[1].4.11

1、鈦合金材料及其熱加工講座鈦合金材料及其熱加工講座 2一、鈦和鈦合金的基本知識(shí)一、鈦和鈦合金的基本知識(shí)純鈦純鈦1 1）高純度鈦的特性）高純度鈦的特性 具有同素異晶轉(zhuǎn)變的特性具有同素異晶轉(zhuǎn)變的特性 鈦在固態(tài)隨著溫度的改變，其原子排列的晶體結(jié)鈦在固態(tài)隨著溫度的改變，其原子排列的晶體結(jié)構(gòu)要發(fā)生變化（組織轉(zhuǎn)變）。構(gòu)要發(fā)生變化（組織轉(zhuǎn)變）。 高純度鈦的組織轉(zhuǎn)變溫度為高純度鈦的組織轉(zhuǎn)變溫度為882.5。也就是說(shuō)，在。也就是說(shuō)，在882.5以下以下，是，是密排六方晶體密排六方晶體的的-Ti (相相), 在在882.5以以上，上，是是體心立方晶體體心立方晶體的的-Ti（相）相）。 可見(jiàn)，可見(jiàn)， 882.5這個(gè)溫

2、度是純鈦發(fā)生組織轉(zhuǎn)變（這個(gè)溫度是純鈦發(fā)生組織轉(zhuǎn)變（相相 相）的溫度。相）的溫度。 因之，將其稱(chēng)為因之，將其稱(chēng)為相變點(diǎn)相變點(diǎn)。3 由由-Ti 轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變-Ti（ 相相轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變相相 ），其塑性變形），其塑性變形的能力發(fā)生了變化。的能力發(fā)生了變化。 為什么？為什么？ 因?yàn)榻饘偎苄宰冃危ㄥ懺欤r(shí)，首先是沿著晶體中原因?yàn)榻饘偎苄宰冃危ㄥ懺欤r(shí)，首先是沿著晶體中原子子排列最密的晶面和晶向排列最密的晶面和晶向優(yōu)先產(chǎn)生滑移。優(yōu)先產(chǎn)生滑移。 為什么？為什么？ 因?yàn)樵右驗(yàn)樵用芏茸畲竺芏茸畲蟮木嬖拥木嬖娱g距小間距小，原子，原子結(jié)合力強(qiáng)結(jié)合力強(qiáng)，而晶面的而晶面的間距增大間距增大，則晶面間，則晶面間結(jié)合力較弱

3、結(jié)合力較弱，滑移阻力滑移阻力當(dāng)然當(dāng)然就就小小，顯然易成為滑移面。而，顯然易成為滑移面。而-Ti是是密排六方晶體密排六方晶體，其原，其原子排列子排列最密集的晶面最密集的晶面只有只有1個(gè)個(gè)，即，即 0001面。面。4 鎂鎂就是這種晶體結(jié)構(gòu)。所以鎂和鎂合金就是這種晶體結(jié)構(gòu)。所以鎂和鎂合金不好鍛，塑不好鍛，塑性很差性很差，鍛造容易產(chǎn)生裂紋，更沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)鎂可以冷鍛。，鍛造容易產(chǎn)生裂紋，更沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)鎂可以冷鍛。 當(dāng)然，當(dāng)然，變形條件改變變形條件改變了，如加熱、大變形或高應(yīng)變了，如加熱、大變形或高應(yīng)變速率下速率下次要滑移面次要滑移面也可以開(kāi)動(dòng)。所以，鎂在也可以開(kāi)動(dòng)。所以，鎂在熱態(tài)塑性不熱態(tài)塑性不壞，很好鍛壞，很

4、好鍛。 對(duì)于對(duì)于六方晶體六方晶體而言，而言，一個(gè)一個(gè)滑移面滑移面可以有可以有3個(gè)滑移方向個(gè)滑移方向。所以所以滑移系滑移系的數(shù)目是的數(shù)目是13=3個(gè)。個(gè)。5 但但條件變化條件變化了，如加熱、大變形、高速變形，那了，如加熱、大變形、高速變形，那么，么，次要滑移面也將產(chǎn)生滑移次要滑移面也將產(chǎn)生滑移。 在在體心立方晶體體心立方晶體中，中，主要滑移面次要滑移面主要滑移面次要滑移面共共有有48個(gè)個(gè)。當(dāng)然，滑移容易了，也就是說(shuō)塑性好了。當(dāng)然，滑移容易了，也就是說(shuō)塑性好了。 -Ti（相）是（相）是體心立方晶體體心立方晶體，體心立方晶體原子排列體心立方晶體原子排列最密的晶最密的晶面面有有6個(gè)個(gè)110，但，但滑移

5、方向滑移方向只有只有2個(gè)個(gè)，所以，所以滑移系滑移系數(shù)目數(shù)目62=12個(gè)個(gè)。6 由此，給我們的啟示：由此，給我們的啟示： 鈦合金為什么一般鈦合金為什么一般不能冷變形不能冷變形？ 又為什么發(fā)展又為什么發(fā)展近近鍛造鍛造、 鍛造鍛造？ （除了發(fā)揮材料性能）（除了發(fā)揮材料性能） 為什么要為什么要嚴(yán)格控制嚴(yán)格控制鈦合金鈦合金終鍛溫度終鍛溫度？ 為什么在為什么在高速錘高速錘上變形、金屬上變形、金屬填充填充 性能性能特別特別好好（一般一錘成形）？（一般一錘成形）？均與均與含含量有關(guān)量有關(guān)7 化學(xué)性能活潑、容易氧化化學(xué)性能活潑、容易氧化 高純度鈦的熔點(diǎn)為高純度鈦的熔點(diǎn)為16684，比鐵比鐵(1539)、鈷鈷(1

6、500 )、鎳、鎳(1450 )的熔點(diǎn)還高。的熔點(diǎn)還高。 如果單從熔點(diǎn)來(lái)講，似乎鈦是很好的耐熱材料，如果單從熔點(diǎn)來(lái)講，似乎鈦是很好的耐熱材料，可是很遺憾，自二次世界大戰(zhàn)出現(xiàn)低于可是很遺憾，自二次世界大戰(zhàn)出現(xiàn)低于400 使用的使用的TC4鈦合金鈦合金以來(lái)，六十年過(guò)去了，鈦合金的使用溫度仍以來(lái)，六十年過(guò)去了，鈦合金的使用溫度仍然然限于限于600 。 而將鐵、鈷、鎳加入到鋼中形成的鐵基、鈷基、而將鐵、鈷、鎳加入到鋼中形成的鐵基、鈷基、鎳基黑色高溫鎳基黑色高溫耐熱合金耐熱合金，其使用溫度可達(dá)到，其使用溫度可達(dá)到900。 那么為什么那么為什么？8原因：原因：高溫下氧對(duì)鈦的玷污速率很高高溫下氧對(duì)鈦的玷污速

7、率很高控制的雜質(zhì)氧含量0.15%氧化膜基體金屬的界面 鈦金屬鈦金屬(如鈦棒如鈦棒)在空氣中在空氣中也會(huì)氧化的，形成一層也會(huì)氧化的，形成一層很薄的很薄的淡黃色的淡黃色的氧化膜氧化膜，如圖黃色的，如圖黃色的外圈。外圈。 一般講，技術(shù)條件控制鈦金屬中雜質(zhì)一般講，技術(shù)條件控制鈦金屬中雜質(zhì)氧含量氧含量0.15%（為什么？為什么？） 因?yàn)橐驗(yàn)檠踉黾友踉黾右稽c(diǎn)點(diǎn)，一點(diǎn)點(diǎn)，塑性塑性()大大大大下降下降。所以，當(dāng)。所以，當(dāng)b低時(shí)，也低時(shí)，也不要不要輕易輕易放松氧含量的控制放松氧含量的控制要求。對(duì)冶金廠來(lái)要求。對(duì)冶金廠來(lái)講，提高強(qiáng)度并不難，降低海綿鈦的品位就可以解決，講，提高強(qiáng)度并不難，降低海綿鈦的品位就可以解決

8、，但是氧含量但是氧含量 ， 。所以，冶金廠也不會(huì)隨便提高氧。所以，冶金廠也不會(huì)隨便提高氧含量。含量。9 當(dāng)金屬鈦（鈦合金）在高溫下加熱時(shí)：當(dāng)金屬鈦（鈦合金）在高溫下加熱時(shí)： 由于存在著較大的氧的由于存在著較大的氧的梯度濃度梯度濃度，則給氧向基，則給氧向基 體體金屬擴(kuò)散（滲透）創(chuàng)造了條件，正如水由高金屬擴(kuò)散（滲透）創(chuàng)造了條件，正如水由高 處流處流向低處一樣，落差越大，水的流速越快。向低處一樣，落差越大，水的流速越快。 高溫下，氧很活潑，不斷地向金屬高溫下，氧很活潑，不斷地向金屬內(nèi)部擴(kuò)散內(nèi)部擴(kuò)散。 氧氧在固體金屬鈦中比氫在固體金屬鈦中比氫(H)有有較大的固溶度較大的固溶度，就，就 是說(shuō)氧在鈦中比是

9、說(shuō)氧在鈦中比H有較大的溶解度，而且它不是置有較大的溶解度，而且它不是置換式的固溶，而是換式的固溶，而是間隙式間隙式的。只要原子之的。只要原子之 間有點(diǎn)間有點(diǎn)間隙，它就可以鉆進(jìn)去，講得明白一點(diǎn)，干脆叫它間隙，它就可以鉆進(jìn)去，講得明白一點(diǎn)，干脆叫它無(wú)孔不入。無(wú)孔不入。因而，又為氧向金屬內(nèi)部擴(kuò)散創(chuàng)造了條因而，又為氧向金屬內(nèi)部擴(kuò)散創(chuàng)造了條件。件。10 講到這里，你們可能會(huì)問(wèn)，鈦合金講到這里，你們可能會(huì)問(wèn)，鈦合金不要在氧化不要在氧化性氣氛性氣氛中加熱，而是在中加熱，而是在還原性氣氛還原性氣氛中加熱不是更好中加熱不是更好嗎？嗎？ 回答是肯定的：回答是肯定的：不行。不行。即使沒(méi)有電爐的條件下，即使沒(méi)有電爐的

10、條件下，寧可在油爐中加熱。寧可在油爐中加熱。 為什么？為什么？ 氫對(duì)鈦合金性能的影響遠(yuǎn)比氧大得多氫對(duì)鈦合金性能的影響遠(yuǎn)比氧大得多，要發(fā)生，要發(fā)生氫脆。所以，技術(shù)條件控制的氫含量氫脆。所以，技術(shù)條件控制的氫含量50，表示材料或工藝是穩(wěn)定的，表示材料或工藝是穩(wěn)定的，因?yàn)榉€(wěn)定性好。因?yàn)榉€(wěn)定性好。否則否則就判為就判為不合格不合格。當(dāng)然，一般條件。當(dāng)然，一般條件2/150，但，但合金合金（Ti40）或）或鍛造鍛造就不好說(shuō)了。就不好說(shuō)了。15 另一種微觀指標(biāo)另一種微觀指標(biāo) K K1C1C 科學(xué)已發(fā)展到衡量材料性能，不能單從宏觀角度科學(xué)已發(fā)展到衡量材料性能，不能單從宏觀角度來(lái)考慮了，而是可用來(lái)考慮了，而是可

11、用微觀力學(xué)性能微觀力學(xué)性能來(lái)表征了，來(lái)表征了，K K1C1C就是就是表征材料表征材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。 當(dāng)然，當(dāng)然，微觀指標(biāo)微觀指標(biāo)比宏觀指標(biāo)比宏觀指標(biāo)更重要更重要，更能評(píng)價(jià)材，更能評(píng)價(jià)材質(zhì)的優(yōu)劣。質(zhì)的優(yōu)劣。 但是，不管用但是，不管用或或K1C表征材料（鍛件或構(gòu)件）的表征材料（鍛件或構(gòu)件）的穩(wěn)定性，都屬于表面穩(wěn)定性。穩(wěn)定性，都屬于表面穩(wěn)定性。 影響材料（鍛件或構(gòu)件）熱穩(wěn)定性的另一個(gè)因素影響材料（鍛件或構(gòu)件）熱穩(wěn)定性的另一個(gè)因素內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變。16 冶金熱穩(wěn)定冶金熱穩(wěn)定 主要是材料內(nèi)部相分解、相析出引起的熱穩(wěn)定性主要是材料內(nèi)部相分解、相析出引起的熱穩(wěn)定性下降。下降。

12、 殘余殘余相中相中析出析出s相相（硬脆相）（硬脆相） 形成有序相形成有序相，致使晶體結(jié)構(gòu)，致使晶體結(jié)構(gòu) 發(fā)生變化發(fā)生變化現(xiàn)在講不清楚，現(xiàn)在講不清楚，以后再分析以后再分析 這里要特別強(qiáng)調(diào)的，也是你們應(yīng)該注意的，有三點(diǎn)：這里要特別強(qiáng)調(diào)的，也是你們應(yīng)該注意的，有三點(diǎn)： 17 導(dǎo)熱系數(shù)小導(dǎo)熱系數(shù)小 Al 0.52卡/厘米秒度 15倍 Fe 0.19卡/厘米秒度 5倍 Ti 0.036卡/厘米秒度 以此為1 所以，鈦合金不采用快速加熱，也不采用低溫預(yù)熱，所以，鈦合金不采用快速加熱，也不采用低溫預(yù)熱，否則保溫時(shí)間太長(zhǎng)，而是爐溫到預(yù)定溫度后一次直接放否則保溫時(shí)間太長(zhǎng)，而是爐溫到預(yù)定溫度后一次直接放入高溫區(qū)加

13、熱。入高溫區(qū)加熱。 保溫時(shí)間：保溫時(shí)間：0.51.0分鐘分鐘/毫米，毫米，一般取一般取0.60.8 分鐘分鐘/毫米毫米, 熱態(tài)回爐減半。熱態(tài)回爐減半。18 摩擦系數(shù)大摩擦系數(shù)大 就是說(shuō)比較粘，金屬流動(dòng)性不好，因此注意以下就是說(shuō)比較粘，金屬流動(dòng)性不好，因此注意以下問(wèn)題：?jiǎn)栴}： 設(shè)計(jì)模具時(shí)，金屬流動(dòng)激烈處，圓角半角大一點(diǎn)。設(shè)計(jì)模具時(shí)，金屬流動(dòng)激烈處，圓角半角大一點(diǎn)。 鍛造時(shí)，加強(qiáng)潤(rùn)滑。鍛造時(shí)，加強(qiáng)潤(rùn)滑。 毛坯噴涂玻璃潤(rùn)滑劑，其毛坯噴涂玻璃潤(rùn)滑劑，其作用作用： a. 減少加熱氧化減少加熱氧化 b. 減緩冷卻減緩冷卻 c. 潤(rùn)滑作用潤(rùn)滑作用19 在鍛造時(shí)，最好再采用在鍛造時(shí)，最好再采用機(jī)油石墨機(jī)油石墨

14、均勻地灑入上均勻地灑入上下模膛內(nèi)，這樣：下模膛內(nèi)，這樣： a. 冷卻冷卻 b. 潤(rùn)滑潤(rùn)滑，利于金屬流動(dòng)（對(duì)于大型鍛件，利于金屬流動(dòng)（對(duì)于大型鍛件， 特別注意均勻潤(rùn)）特別注意均勻潤(rùn)） c. 容易出模容易出模20 這里，要特別介紹的，或者說(shuō)要消除你們顧慮的，這里，要特別介紹的，或者說(shuō)要消除你們顧慮的，更要引起注意的更要引起注意的熱效應(yīng)問(wèn)題熱效應(yīng)問(wèn)題 鈦合金摩擦系數(shù)大，那么鍛造時(shí)金屬流動(dòng)激烈，是鈦合金摩擦系數(shù)大，那么鍛造時(shí)金屬流動(dòng)激烈，是否會(huì)引起摩擦生熱而否會(huì)引起摩擦生熱而出現(xiàn)溫升（熱效應(yīng)）？出現(xiàn)溫升（熱效應(yīng)）？ 答案是肯定的，會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)的。答案是肯定的，會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)的。 一般資料介紹可達(dá)一般資料

15、介紹可達(dá)3050，有些教科書(shū)上寫(xiě)著，有些教科書(shū)上寫(xiě)著，可能高達(dá)可能高達(dá)100 以上。以上。 假定是這樣，那么，國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的相變點(diǎn)以下假定是這樣，那么，國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的相變點(diǎn)以下40 50 的常規(guī)鍛造，也只能得到的常規(guī)鍛造，也只能得到網(wǎng)籃組織網(wǎng)籃組織，甚至，甚至魏氏組魏氏組織織，無(wú)法得到，無(wú)法得到等軸組織等軸組織。21 膨脹系數(shù)小膨脹系數(shù)小 熱收縮率為鋼的一半左右，模具設(shè)計(jì)時(shí)熱收縮率為鋼的一半左右，模具設(shè)計(jì)時(shí)=0.70.8 高純度鈦的強(qiáng)度很低高純度鈦的強(qiáng)度很低 b250300MPa, 7080 一般用于科研，沒(méi)有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。一般用于科研，沒(méi)有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。 但當(dāng)其中含有一定雜質(zhì)時(shí)，將強(qiáng)烈地改變機(jī)械

16、但當(dāng)其中含有一定雜質(zhì)時(shí)，將強(qiáng)烈地改變機(jī)械性能，但此時(shí)再也不能稱(chēng)為純鈦，而叫性能，但此時(shí)再也不能稱(chēng)為純鈦，而叫工業(yè)純鈦工業(yè)純鈦。22 加入加入0.05%的的O、N或或C，能使鈦的，能使鈦的b分別提高：分別提高：6、12.5和和3.5MPa。其中。其中N N的強(qiáng)化作用最大，但使的強(qiáng)化作用最大，但使塑性劇烈塑性劇烈下降下降。 當(dāng)含當(dāng)含C C量大于量大于0.2%，就會(huì)出現(xiàn)脆性化合物碳化鈦，就會(huì)出現(xiàn)脆性化合物碳化鈦（TiC）。所以。所以C含量一般控制在含量一般控制在0.1%。 O、N、C是提高是提高轉(zhuǎn)變的溫度，也就是說(shuō)擴(kuò)大轉(zhuǎn)變的溫度，也就是說(shuō)擴(kuò)大相區(qū)的，是相區(qū)的，是穩(wěn)定元素穩(wěn)定元素。23 H的危害性很大

17、，極其微量的的危害性很大，極其微量的H能使材料變脆能使材料變脆所謂所謂氫脆。所以鈦中含量必須嚴(yán)格控制，一般要求氫脆。所以鈦中含量必須嚴(yán)格控制，一般要求H含量小含量小于于0.0150.02%。 -200-1000100036912154321t( )aK(Kg.M/cm2)1 0.001%H 2 0.008%H 3 0.018%H 4 0.04%H24 由由Ti和和H的相圖可知：的相圖可知： H在在鈦中的鈦中的溶解度溶解度比在比在鈦中大得多鈦中大得多 且且H在在鈦中的鈦中的溶解度溶解度隨溫度的降低而劇烈減少隨溫度的降低而劇烈減少Ti-H相圖相圖H H在在中的溶解度曲線中的溶解度曲線25 H在在相

18、中的相中的溶解度溶解度為為2%，是降低，是降低轉(zhuǎn)變溫度的轉(zhuǎn)變溫度的穩(wěn)穩(wěn)定元素。而定元素。而H在在相中的相中的溶解度溶解度很小，在很小，在150，小于，小于0.003%。 當(dāng)含當(dāng)含H的的-Ti共析分解以及含共析分解以及含H的的-Ti冷卻時(shí)，均可析冷卻時(shí)，均可析出氫化物出氫化物TiH2。H含量低時(shí)，含量低時(shí)，TiH2呈（呈（黑色黑色）點(diǎn)點(diǎn)狀，狀，H含量高時(shí)呈含量高時(shí)呈針（片）針（片）狀，如左圖。狀，如左圖。TiH2的存在使合金變脆，稱(chēng)為的存在使合金變脆，稱(chēng)為氫化物氫化物型氫脆型氫脆。斷口檢查可發(fā)現(xiàn)裂紋是沿著氫。斷口檢查可發(fā)現(xiàn)裂紋是沿著氫化物與基體之間的界面發(fā)展的。這是因化物與基體之間的界面發(fā)展的。

19、這是因?yàn)榛w金屬與氫化物之間的結(jié)合力較弱，為基體金屬與氫化物之間的結(jié)合力較弱，受力后引起應(yīng)力集中而形成裂紋，并迅受力后引起應(yīng)力集中而形成裂紋，并迅速擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。速擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂。純鈦中的氫化物（黑針）純鈦中的氫化物（黑針） 含含H0.023%（wt）26Fe、Si與與Ti形成形成置換式置換式固溶體，盡管固溶體，盡管Fe、Si在純鈦中在純鈦中也是雜質(zhì)，但也是雜質(zhì)，但不象不象O、N、C、H那樣對(duì)那樣對(duì)Ti的性能影響的性能影響大。含大。含0.05Fe或或Si，僅使鈦的強(qiáng)度提高，僅使鈦的強(qiáng)度提高1012MPa。 但但Fe、Si作為作為雜質(zhì)雜質(zhì)時(shí)（時(shí)（Fe與與Si也可作為合金元素加也可作為合金元素加

20、入入Ti中），其含量要求分別小于中），其含量要求分別小于0.3%和和0.15%。 Fe、Si不管是雜質(zhì)還是添加元素，主要溶解于不管是雜質(zhì)還是添加元素，主要溶解于相中，相中，它們是它們是降低降低轉(zhuǎn)變溫度的，是轉(zhuǎn)變溫度的，是穩(wěn)定元素。穩(wěn)定元素。27為了保證材料的為了保證材料的塑性塑性和和韌性韌性，在，在工業(yè)純鈦工業(yè)純鈦（TA1、TA2和和TA3）和）和鈦合金鈦合金中，一般中，一般限制限制O含量小于含量小于0.150.2%，N含量小于含量小于0.050.08%，C含量小于含量小于0.10.2%，H含量小于含量小于0.0150.02%。 近近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)展了一些間隙（年來(lái)，國(guó)內(nèi)外發(fā)展了一些間隙（

21、雜質(zhì)雜質(zhì)）元素）元素特別特別低低的高純度鈦合金。如美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)純鈦的的高純度鈦合金。如美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)純鈦的Ti-6Al-4V合金合金的的O含量小于含量小于0.2%，C含量小于含量小于0.1%；而高純度的；而高純度的Ti-6Al-4V（ELI）合金的）合金的O含量小于含量小于0.13%，C含量小于含量小于0.08%。因?yàn)?。因?yàn)镺會(huì)增加會(huì)增加Ti的冷脆性，并的冷脆性，并嚴(yán)重降低斷裂韌嚴(yán)重降低斷裂韌性性。所以，高純度鈦合金適宜于低溫或要求高的斷裂。所以，高純度鈦合金適宜于低溫或要求高的斷裂韌性時(shí)使用。降低間隙元素含量可韌性時(shí)使用。降低間隙元素含量可提高提高材料的材料的斷裂韌斷裂韌性性。28 綜上所述綜上所述，

22、鈦中的間隙雜質(zhì)雖然能提高鈦的強(qiáng)度，但，鈦中的間隙雜質(zhì)雖然能提高鈦的強(qiáng)度，但建議建議不要不要采用提高間隙雜質(zhì)來(lái)提高鈦的強(qiáng)度。采用提高間隙雜質(zhì)來(lái)提高鈦的強(qiáng)度。 原因：原因：這種雜質(zhì)不僅這種雜質(zhì)不僅嚴(yán)重降低嚴(yán)重降低合金的合金的塑性塑性和和斷裂韌性斷裂韌性，而且會(huì)而且會(huì)加快加快疲勞裂紋擴(kuò)展速率，并使其他一些重要性能，疲勞裂紋擴(kuò)展速率，并使其他一些重要性能，如熱穩(wěn)定性，蠕變抗力，缺口敏感性等如熱穩(wěn)定性，蠕變抗力，缺口敏感性等變壞變壞。 此外此外，現(xiàn)用的和發(fā)展中的高強(qiáng)鈦合金主要靠加入大量，現(xiàn)用的和發(fā)展中的高強(qiáng)鈦合金主要靠加入大量的合金元素來(lái)強(qiáng)化，這就需要基體元素鈦有更高的的合金元素來(lái)強(qiáng)化，這就需要基體元素

23、鈦有更高的塑性塑性?xún)?chǔ)備儲(chǔ)備。所以提高鈦的純度（實(shí)際上是提高海綿鈦的品位）。所以提高鈦的純度（實(shí)際上是提高海綿鈦的品位）是發(fā)揮合金潛力以及研制新的高強(qiáng)度、高塑性和高韌性是發(fā)揮合金潛力以及研制新的高強(qiáng)度、高塑性和高韌性鈦合金的鈦合金的必要條件。必要條件。29工業(yè)純鈦按雜質(zhì)含量不同，在我國(guó)現(xiàn)行冶標(biāo)中有三個(gè)牌號(hào)：工業(yè)純鈦按雜質(zhì)含量不同，在我國(guó)現(xiàn)行冶標(biāo)中有三個(gè)牌號(hào)：中國(guó)中國(guó)俄羅斯俄羅斯美國(guó)美國(guó)英國(guó)英國(guó)日本日本bMPa%TA1BT1-0Ti-35IMI115KS503502550TA2BT1-1Ti-55IMI125KS604502045TA3BT1-2Ti-65IMI135KS855501540KS85

24、0.150.05KS500.030.0150.150.100.10.05KS600.150.050.050.0150.300.15中國(guó)中國(guó)俄羅斯俄羅斯美國(guó)美國(guó)英國(guó)英國(guó)日本日本ONCHFeSiTA1BT1-0Ti-35IMI115TA2BT1-1Ti-55IMI125TA3BT1-2Ti-65IMI1350.100.0150.300.1530工業(yè)純鈦的特點(diǎn)：工業(yè)純鈦的特點(diǎn)： 從上表可以看到：隨著從上表可以看到：隨著純度降低純度降低，或者說(shuō)，或者說(shuō)雜質(zhì)雜質(zhì) 含含量增加量增加，工業(yè)純鈦，工業(yè)純鈦強(qiáng)度提高強(qiáng)度提高，塑性下降塑性下降。 工業(yè)純鈦在退火狀態(tài)下為單相的工業(yè)純鈦在退火狀態(tài)下為單相的組織（一片組

25、織（一片 白白色），工業(yè)純鈦屬色），工業(yè)純鈦屬型合金型合金，我國(guó)用，我國(guó)用TA表示表示。 工業(yè)純鈦工業(yè)純鈦不能不能采用采用熱處理強(qiáng)化熱處理強(qiáng)化（退火是軟化，（退火是軟化， 不不是強(qiáng)化）。要想提高工業(yè)純鈦的強(qiáng)度，只能采用冷變形是強(qiáng)化）。要想提高工業(yè)純鈦的強(qiáng)度，只能采用冷變形的所謂的所謂冷作硬化冷作硬化。用鈑金成形的飛機(jī)蒙皮，其強(qiáng)度可達(dá)。用鈑金成形的飛機(jī)蒙皮，其強(qiáng)度可達(dá)600MPa。 上面主要以純鈦來(lái)介紹其力學(xué)性能特點(diǎn)的，其實(shí)，對(duì)于鈦合金來(lái)講，同樣存在同素異晶轉(zhuǎn)變、化學(xué)性活潑、摩擦系數(shù)大、導(dǎo)熱性差、線膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，以后就不再重復(fù)介紹了。31 下面對(duì)從事切削加工的聽(tīng)眾，介紹一點(diǎn)切削加工方下面對(duì)從

26、事切削加工的聽(tīng)眾，介紹一點(diǎn)切削加工方面的知識(shí)。面的知識(shí)。 鈦的化學(xué)性質(zhì)活潑極易氧化，其結(jié)果在工件表面形鈦的化學(xué)性質(zhì)活潑極易氧化，其結(jié)果在工件表面形成成富氧層富氧層，實(shí)際上應(yīng)叫做，實(shí)際上應(yīng)叫做硬化脆性層硬化脆性層。其厚度取決。其厚度取決于加熱條件和合金牌號(hào)，對(duì)于于加熱條件和合金牌號(hào)，對(duì)于型和近型和近型合金來(lái)講，型合金來(lái)講，最厚可達(dá)最厚可達(dá)0.7mm，如果，如果不經(jīng)退火處理不經(jīng)退火處理，一般的切削刀，一般的切削刀具是具是加工不動(dòng)的加工不動(dòng)的。特別是刨削加工更困難，一般采用。特別是刨削加工更困難，一般采用硬質(zhì)合金刀具，切削速度硬質(zhì)合金刀具，切削速度 為為15米米/分左右。當(dāng)富氧層去分左右。當(dāng)富氧層去

27、掉后，還是很好加工的。掉后，還是很好加工的。32 鈦的導(dǎo)熱性差鈦的導(dǎo)熱性差，加工時(shí)應(yīng)，加工時(shí)應(yīng)不斷冷卻不斷冷卻刀刃，一般刀刃，一般 用乳用乳化液，也可用機(jī)油冷卻，否則刀具壽命很低?；?，也可用機(jī)油冷卻，否則刀具壽命很低。 加工鈦比鋼加工鈦比鋼需要更大的切削力需要更大的切削力，應(yīng)采用剛度好的，應(yīng)采用剛度好的 機(jī)機(jī)床進(jìn)行車(chē)削加工，否則因彈性變形而影響精度。床進(jìn)行車(chē)削加工，否則因彈性變形而影響精度。 磨削加工，磨削加工，除了除了降低磨削速度降低磨削速度，還需不斷冷卻（乳化，還需不斷冷卻（乳化液）。液）。 砂輪切割，盡可能少用砂輪切割，盡可能少用，如用冷卻；余量大，如用冷卻；余量大 一一點(diǎn)，點(diǎn)，至少至

28、少35毫米毫米燒傷區(qū)，做金相試樣或性能燒傷區(qū)，做金相試樣或性能 試樣時(shí)，試樣時(shí)，必須車(chē)或銑掉，否則容易出現(xiàn)假象。必須車(chē)或銑掉，否則容易出現(xiàn)假象。332 2、鈦合金、鈦合金 所謂鈦合金，人為地在所謂鈦合金，人為地在Ti中中加入某些合金元素加入某些合金元素，其目的為，其目的為了提高或滿(mǎn)足某種機(jī)械性能。了提高或滿(mǎn)足某種機(jī)械性能。鈦與合金元素的相互作用鈦與合金元素的相互作用34影響鈦與合金元素相互作用的基本因素影響鈦與合金元素相互作用的基本因素 研制一個(gè)合金時(shí)，研制一個(gè)合金時(shí)，先考慮的問(wèn)題先考慮的問(wèn)題是加入的元素：是加入的元素： 與鈦形成固溶體還是化合物與鈦形成固溶體還是化合物 ； 與與-Ti-Ti還

29、是還是-Ti-Ti形成固溶；形成固溶； 溶解度有多大。溶解度有多大。 上述問(wèn)題主要取決于加入元素的：上述問(wèn)題主要取決于加入元素的： 晶格類(lèi)型；晶格類(lèi)型； 電子層結(jié)構(gòu)；電子層結(jié)構(gòu)； 原子半徑大??；原子半徑大??； 電子濃度等。電子濃度等。 35鈦與合金元素的相互作用鈦與合金元素的相互作用眾所周知眾所周知，鈦是，鈦是過(guò)渡族過(guò)渡族金屬元素，它最外層的電子結(jié)金屬元素，它最外層的電子結(jié)構(gòu)構(gòu)3d24s2。 在元素周期表上有很多元素都能與在元素周期表上有很多元素都能與Ti形成置換式固溶形成置換式固溶體體。但是只有外層電子結(jié)構(gòu)與。但是只有外層電子結(jié)構(gòu)與Ti相近的元素才能有相近的元素才能有較較大的溶解度大的溶解度

30、。那么那么，哪些元素與，哪些元素與Ti是是同一過(guò)渡族同一過(guò)渡族，而且晶格類(lèi)型，而且晶格類(lèi)型相相同同，外層電子結(jié)構(gòu)和原子半徑，外層電子結(jié)構(gòu)和原子半徑相近相近呢？呢？36元素元素外層電子結(jié)構(gòu)外層電子結(jié)構(gòu)原子半徑原子半徑R，原子半徑差原子半徑差（RT-Rx），），晶格類(lèi)型晶格類(lèi)型Ti（鈦）（鈦）Zr（鋯）（鋯）Hf（鉿）（鉿）3d24s2（d2s2）4d25s2（d2s2）5d26s2（d2s2）1.471.601.59-0.13-0.12 從上表可知，從上表可知，Zr與與 Hf元素與元素與Ti屬于同一類(lèi)，在固態(tài)都屬于同一類(lèi)，在固態(tài)都有相同的同素異晶轉(zhuǎn)變，即在有相同的同素異晶轉(zhuǎn)變，即在低溫低溫時(shí)為時(shí)

31、為密排六方晶格密排六方晶格，高高溫溫時(shí)為時(shí)為體心立方晶格體心立方晶格。體心立方體心立方密排六方密排六方37因此，因此，Zr、Hf既可在低溫時(shí)既可在低溫時(shí)溶解于溶解于-Ti ，又可在高溫，又可在高溫時(shí)時(shí)溶解于溶解于-Ti中。中。 又因外層電子結(jié)構(gòu)和原子半徑相近，所以，兩者在又因外層電子結(jié)構(gòu)和原子半徑相近，所以，兩者在-Ti和和-Ti中均能中均能無(wú)限互溶無(wú)限互溶，就是說(shuō)加入多少可以溶解，就是說(shuō)加入多少可以溶解多少；而且是多少；而且是置換式的固溶置換式的固溶。由于在。由于在-Ti和和-Ti中的溶中的溶解能力相同，所以又稱(chēng)為解能力相同，所以又稱(chēng)為中性元素。中性元素。與與Zr、Hf元素具有元素具有類(lèi)似類(lèi)

32、似特性的還有特性的還有Sn（錫），但（錫），但Sn在在高溫高溫-Ti中不是無(wú)限的，而是中不是無(wú)限的，而是有限的溶解有限的溶解。 Zr、Hf、Sn中，中，Hf是是稀貴稀貴和和稀缺稀缺元素，一般不用。元素，一般不用。Zr、Sn常用。常用。38 那么，到底用那么，到底用Zr還是還是Sn，很有講究。，很有講究。這里用這里用TC11TC11合金來(lái)舉例：合金來(lái)舉例： TC11合金是我國(guó)于合金是我國(guó)于70年代末年代末80年代初仿制原蘇聯(lián)年代初仿制原蘇聯(lián)用于用于500的的BT9熱強(qiáng)鈦合金，其名義成分為熱強(qiáng)鈦合金，其名義成分為 Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si。 而原蘇聯(lián)于而原蘇聯(lián)于1958

33、年研制這個(gè)合金時(shí)，最初用的是年研制這個(gè)合金時(shí)，最初用的是2.5Sn。后來(lái)發(fā)現(xiàn)加。后來(lái)發(fā)現(xiàn)加Sn的熱強(qiáng)性不太好。于的熱強(qiáng)性不太好。于1966年以年以1.5Zr替代了替代了2.5Sn，其目的在于，其目的在于提高持久和蠕變強(qiáng)度提高持久和蠕變強(qiáng)度。 為什么以為什么以Zr代替代替Sn可提高熱強(qiáng)性呢？可提高熱強(qiáng)性呢？39 原因：原因：Zr的的熔點(diǎn)熔點(diǎn)為為1750，比錫的，比錫的熔點(diǎn)熔點(diǎn)231.9高得多。高得多。 一個(gè)鈦合金的熱強(qiáng)性（高溫性能）取決于：一個(gè)鈦合金的熱強(qiáng)性（高溫性能）取決于： 合金的熔化溫度合金的熔化溫度 再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度 相變溫度相變溫度 加加Zr意味著提高了合金的熔化溫度。意味著提高了

34、合金的熔化溫度。 這里再引入一個(gè)科學(xué)這里再引入一個(gè)科學(xué)概念：熔化溫度高的合金，其概念：熔化溫度高的合金，其再結(jié)晶溫度必然是高的。再結(jié)晶溫度必然是高的。 道理很簡(jiǎn)單，高熔點(diǎn)元素加入到合金中，在提道理很簡(jiǎn)單，高熔點(diǎn)元素加入到合金中，在提高合金熔化溫度的同時(shí)，高合金熔化溫度的同時(shí)，阻礙阻礙了合金再結(jié)晶過(guò)程的完了合金再結(jié)晶過(guò)程的完成，也就是說(shuō)成，也就是說(shuō)提高提高了再結(jié)晶溫度。了再結(jié)晶溫度。40 同樣道理同樣道理，再結(jié)晶溫度高的合金，其相變溫度也，再結(jié)晶溫度高的合金，其相變溫度也是高的。是高的。為什么？為什么？ 因?yàn)橐驗(yàn)橹挥性俳Y(jié)晶過(guò)程結(jié)束后相變才開(kāi)始。只有再結(jié)晶過(guò)程結(jié)束后相變才開(kāi)始。所以所以，合金的相變

35、溫度在很大程度上決定了這個(gè)合金的工作合金的相變溫度在很大程度上決定了這個(gè)合金的工作溫度。溫度。 例如例如TC4的相變點(diǎn)正常情況下為的相變點(diǎn)正常情況下為1000，而，而TC11有時(shí)高達(dá)有時(shí)高達(dá)10201030。因此，。因此，TC4的使用溫度低于的使用溫度低于400，而，而TC11可在可在500使用。使用。 可見(jiàn)可見(jiàn)，發(fā)展熱強(qiáng)鈦合金一般選擇，發(fā)展熱強(qiáng)鈦合金一般選擇不是降低而是提不是降低而是提高相變點(diǎn)的合金元素是有道理的。高相變點(diǎn)的合金元素是有道理的。如美國(guó)的如美國(guó)的 Ti-1100合金，英國(guó)的合金，英國(guó)的IMI834合金，兩者的相變點(diǎn)為合金，兩者的相變點(diǎn)為1015左左右，可在右，可在600溫度下使

36、用。溫度下使用。41同晶元素的加入量越多，合金組織中的同晶元素的加入量越多，合金組織中的相越穩(wěn)定。相越穩(wěn)定。當(dāng)當(dāng)Mo、V含量達(dá)到某一臨界值時(shí)，即使空冷也能將合含量達(dá)到某一臨界值時(shí)，即使空冷也能將合金中的金中的相保留到室溫。這一臨界值稱(chēng)為相保留到室溫。這一臨界值稱(chēng)為“臨界濃度臨界濃度”。一個(gè)合金元素的臨界濃度反映其穩(wěn)定一個(gè)合金元素的臨界濃度反映其穩(wěn)定相的能力，臨界相的能力，臨界濃度越小的元素，穩(wěn)定濃度越小的元素，穩(wěn)定相的能力越大，如相的能力越大，如Mo的臨界濃的臨界濃度為度為11.0%（重量），而（重量），而V為為19.3%，Mo穩(wěn)定穩(wěn)定相的能相的能力幾乎是力幾乎是V的一倍。的一倍。Mo和和V是

37、開(kāi)發(fā)高強(qiáng)合金的主要合金是開(kāi)發(fā)高強(qiáng)合金的主要合金元素，但常用的是元素，但常用的是Mo，如，如21S中有中有15Mo，中僅有中僅有11.5Mo，稱(chēng)為，稱(chēng)為合金（又稱(chēng)亞穩(wěn)定合金（又稱(chēng)亞穩(wěn)定合金）合金），而，而Ti-1023中，有中，有10V，只能稱(chēng)為，只能稱(chēng)為貧貧（近（近）合金。）合金。42在在Ti中加入中加入Mo、V、Nb、Ta來(lái)穩(wěn)定來(lái)穩(wěn)定相的一個(gè)特點(diǎn)，相的一個(gè)特點(diǎn)，所得組織的所得組織的穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好，且，且不會(huì)發(fā)生共析反應(yīng)不會(huì)發(fā)生共析反應(yīng)而使合金而使合金在一定條件下變脆。在一定條件下變脆。換句話(huà)講換句話(huà)講，在合金中除了加入，在合金中除了加入Mo、V、Nb、Ta以外，加入其他以外，加入其他穩(wěn)定元

38、素，如常用的元穩(wěn)定元素，如常用的元素素Cr、Mn、Fe、Co、W、Cu、Ni、Si等等都會(huì)發(fā)生共都會(huì)發(fā)生共析反應(yīng)析反應(yīng)，只是反應(yīng)速度快慢而已。，只是反應(yīng)速度快慢而已。43共析元素的特點(diǎn)：共析元素的特點(diǎn)： 它們?cè)谒鼈冊(cè)?Ti和和-Ti中均為中均為有限溶解有限溶解，但在，但在-Ti中的溶中的溶解度比解度比-Ti中大得多。因?yàn)楫吘故侵写蟮枚唷Ｒ驗(yàn)楫吘故欠€(wěn)定元素，當(dāng)然主穩(wěn)定元素，當(dāng)然主要溶解于要溶解于相中來(lái)穩(wěn)定相中來(lái)穩(wěn)定相和固溶強(qiáng)化相和固溶強(qiáng)化相。相。 這類(lèi)元素與這類(lèi)元素與相形成的固溶體，在一定條件下要發(fā)相形成的固溶體，在一定條件下要發(fā)生生共析反應(yīng)共析反應(yīng)，其結(jié)果將，其結(jié)果將相分解為固溶體和相分解為固

39、溶體和相。而相。而相相通常是以金屬間化合物為基的固溶體。眾所周知，通常是以金屬間化合物為基的固溶體。眾所周知，在在鈦合金中凡是出現(xiàn)金屬間化合物，一般都會(huì)使金屬變鈦合金中凡是出現(xiàn)金屬間化合物，一般都會(huì)使金屬變脆。脆。44 Ti與與Cu、Ni、Si等等非過(guò)度族元素非過(guò)度族元素形成的形成的共析反應(yīng)共析反應(yīng)進(jìn)行極快，進(jìn)行極快，在一般冷卻條件下，不能阻止其共析反應(yīng)。在一般冷卻條件下，不能阻止其共析反應(yīng)。換句話(huà)講，換句話(huà)講，很難將加入這類(lèi)元素的合金中的很難將加入這類(lèi)元素的合金中的相固定相固定（保留）到室溫。我們把這類(lèi)元素稱(chēng)為（保留）到室溫。我們把這類(lèi)元素稱(chēng)為活性活性共析元共析元素素，有時(shí)干脆稱(chēng)之為，有時(shí)干

40、脆稱(chēng)之為快共析元素。快共析元素。 Ti與與Fe、Mn、Cr等元素形成的共析反應(yīng)進(jìn)行極慢，在通常冷卻情況下等元素形成的共析反應(yīng)進(jìn)行極慢，在通常冷卻情況下根本來(lái)不及進(jìn)行。所以把這類(lèi)元素稱(chēng)為根本來(lái)不及進(jìn)行。所以把這類(lèi)元素稱(chēng)為非活性非活性共析共析元素元素，也稱(chēng)，也稱(chēng)慢共析元素。慢共析元素。45 Fe、Mn、Cr是研制合金中最常采用的是研制合金中最常采用的共析元素共析元素，F(xiàn)e（5.25.7%wt）、）、Mn（5.7%wt）、）、Cr（9.0%wt）穩(wěn)定穩(wěn)定相的能力比相的能力比Mo（11.0%wt）、）、V（19.3%wt）等）等大得多。但大得多。但Fe、Mn、Cr畢竟是畢竟是共析型元素，盡管在共析型元

41、素，盡管在通常條件下共析反應(yīng)來(lái)不及進(jìn)行，可是通常條件下共析反應(yīng)來(lái)不及進(jìn)行，可是來(lái)不及進(jìn)行不來(lái)不及進(jìn)行不等于不會(huì)進(jìn)行等于不會(huì)進(jìn)行，在一定溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)作用下，共析，在一定溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)作用下，共析反應(yīng)還是要發(fā)生的反應(yīng)還是要發(fā)生的（共析反應(yīng)的結(jié)果會(huì)使合金脆化）（共析反應(yīng)的結(jié)果會(huì)使合金脆化）。所以，研制高溫下工作的合金時(shí)，一般所以，研制高溫下工作的合金時(shí)，一般不宜不宜將將Fe、Mn、Cr作為主元素加入到合金中去。作為主元素加入到合金中去。46 眾所周知，真空自耗電弧熔煉的特點(diǎn)：眾所周知，真空自耗電弧熔煉的特點(diǎn)：邊熔化邊邊熔化邊凝固。凝固。 鈦合金化學(xué)成分的均勻性取決于：鈦合金化學(xué)成分的均勻性取決于：

42、（1）電極中的合金料（海綿鈦，加入的元素或中間合）電極中的合金料（海綿鈦，加入的元素或中間合金）的均勻性；金）的均勻性；（2）熔煉過(guò)程中在有限的熔池中的攪拌。）熔煉過(guò)程中在有限的熔池中的攪拌。 如果壓制電極用海綿鈦，加入的元素、合金、中間如果壓制電極用海綿鈦，加入的元素、合金、中間合金顆粒大小不合適；或布料不均；或因電極壓制時(shí)焊合金顆粒大小不合適；或布料不均；或因電極壓制時(shí)焊接得不好，在熔化過(guò)程中有大塊合金料掉入熔池又來(lái)不接得不好，在熔化過(guò)程中有大塊合金料掉入熔池又來(lái)不及熔化和攪拌均勻就凝固了。及熔化和攪拌均勻就凝固了。 從凝固條件來(lái)分析，可能產(chǎn)生從凝固條件來(lái)分析，可能產(chǎn)生斑點(diǎn)的原因：斑點(diǎn)的原

43、因： 合金元素的分配率；凝固速度；液相移動(dòng)和擴(kuò)合金元素的分配率；凝固速度；液相移動(dòng)和擴(kuò)散速度等等。散速度等等。其中影響最大的是合金元素的分配率。其中影響最大的是合金元素的分配率。 上述諸多因素都有可能造成化學(xué)成分不均勻而形成上述諸多因素都有可能造成化學(xué)成分不均勻而形成偏析。偏析。47說(shuō)明：說(shuō)明： 講的是基本組織，實(shí)際上，工業(yè)用的鈦合金，講的是基本組織，實(shí)際上，工業(yè)用的鈦合金， 即使在退火狀態(tài)下，其組織還即使在退火狀態(tài)下，其組織還存在存在某些某些金屬金屬 間化合物間化合物，如硅化物（顆粒）、，如硅化物（顆粒）、Ti3Al等，等， 但在分類(lèi)時(shí)可以不考慮。但在分類(lèi)時(shí)可以不考慮。 用用加工的方法（加工

44、的方法（ 鍛造、鍛造、處理）將高溫處理）將高溫 相保留下來(lái)得到全相保留下來(lái)得到全相，也算相，也算合金，稱(chēng)亞合金，稱(chēng)亞 穩(wěn)定的穩(wěn)定的合金。合金。48 已經(jīng)知道，已經(jīng)知道，-Ti是是密排六方晶體密排六方晶體，而，而Al的加入，使的加入，使-Ti的晶格發(fā)生彎扭，從而阻礙了原子再結(jié)晶過(guò)程中的定向的晶格發(fā)生彎扭，從而阻礙了原子再結(jié)晶過(guò)程中的定向移動(dòng)，因而延遲了晶粒的聚集長(zhǎng)大過(guò)程，那么要實(shí)現(xiàn)和完移動(dòng)，因而延遲了晶粒的聚集長(zhǎng)大過(guò)程，那么要實(shí)現(xiàn)和完成再結(jié)晶，必須要更大的能量成再結(jié)晶，必須要更大的能量提高溫度。所以，提高溫度。所以，Al的的加入提高了再結(jié)晶溫度。加入提高了再結(jié)晶溫度。 可見(jiàn)，再結(jié)晶溫度是與相變溫

45、度有密切關(guān)系的。可見(jiàn)，再結(jié)晶溫度是與相變溫度有密切關(guān)系的。 再結(jié)晶溫度高，合金的熔化溫度就高。眾所周知，決再結(jié)晶溫度高，合金的熔化溫度就高。眾所周知，決定金屬熱強(qiáng)性的基本因素是熔化溫度。所以，提高金屬熔定金屬熱強(qiáng)性的基本因素是熔化溫度。所以，提高金屬熔化溫度意味著提高工作溫度。因此，近化溫度意味著提高工作溫度。因此，近 合金是發(fā)展熱強(qiáng)合金是發(fā)展熱強(qiáng)鈦合金的方向。鈦合金的方向。 這里，先提個(gè)問(wèn)題：這里，先提個(gè)問(wèn)題：型鈦合金（如型鈦合金（如TA7）鍛造溫度）鍛造溫度比（比（）型高還是低？）型高還是低？49TA1TA2TA3除了除了Ti只有雜質(zhì)只有雜質(zhì) 工業(yè)純鈦工業(yè)純鈦TA4 (Ti-3Al)TA5

46、 (Ti-4Al)TA6 (Ti-5Al)TA7 (Ti-5Al-2.5Sn)TA8 (Ti-5Al-2.5Sn-1.5Zr-3Cu）型鈦合金型鈦合金 如果合金中沒(méi)有如果合金中沒(méi)有穩(wěn)定元素穩(wěn)定元素，或者很少或者很少，稱(chēng)為，稱(chēng)為型合型合金。金。50 如果合金中如果合金中穩(wěn)定元素含量穩(wěn)定元素含量2，稱(chēng)為，稱(chēng)為近近合金。合金。TC2: Ti-3Al-1.5Mn 中國(guó)Ti-1100: Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mn-0.45Si 美國(guó)IMI834: Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si 英國(guó)IMI685: Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.25

47、Si 英國(guó)Ti-679 (IMI679): Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si 英國(guó)Ti-55: Ti-5.3Al-4.1Sn-2Zr-1Mo-0.25Si-1Nd (釹-稀土) 中國(guó)BT18: Ti-(7.88.3)Al-(0.40.8)Mo-(7.88.5)Zr-(0.81.2)Nb 蘇1963年研制 Ti-(7.28.2)Al-(0.21.0)Mo-(1012)Zr-(0.71.4)Nb 蘇1986年研制BT20: Ti-(5.57.5)Al-(0.52.0)Mo-(0.81.8)V-(1.52.5)Zr 蘇1964年研制TA15 (BT20): Ti-(5.57

48、.0)Al-(0.52.0)Mo-(0.82.5)V- (1.5-2.5)Zr 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)51 如果合金中如果合金中穩(wěn)定元素含量在穩(wěn)定元素含量在26， 8，稱(chēng)為稱(chēng)為(+)型兩相鈦合金。型兩相鈦合金。TC4: Ti-6Al-4VTC11: Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3SiTC6: Ti-(4.05.2)Al-(1.02.0)Mo-(1.5Zr2.5)Cr 蘇1957年研制 Ti-(4.06.2)Al-(1.02.5)Mo-(1.5Zr2.5)Cr 蘇1958年研制 Ti-(5.26.8)Al-(2.03.0)Mo-(1.5Zr2.5)Cr-(0.10.7)Fe 蘇1965年研制

49、BT3-1: Ti-(4.56.2)Al-(1.02.5)Mo-(1.5Zr2.5)Cr-(0.51.5)FeTi6242S: Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si 中國(guó)研制52(+)型（TC4、TC6、TC11、Ti6242）+型（TA4、TA5、TA6、TA7、TA8）近型（Ti-55、IMI679、IMI685、IMI834、Ti-1100、BT18、BT20 ） 近型（Ti-1023、Ti-17、21S）型（TB1、TB2、Ti-40、 Alloy C）型型()型型型型T穩(wěn)定元素含量（）53由上圖可以看到：由上圖可以看到： 型鈦合金型鈦合金 相變點(diǎn)很高，幾乎任何溫度下都是

50、單一的相變點(diǎn)很高，幾乎任何溫度下都是單一的相。因此，相。因此，要改善工藝塑性要改善工藝塑性，需提高加熱鍛造溫需提高加熱鍛造溫度度。TA7就是這樣，只有在就是這樣，只有在相變點(diǎn)附近鍛造相變點(diǎn)附近鍛造，否則很容易鍛裂。否則很容易鍛裂。原因：原因： 密排六方晶體，滑移數(shù)目只有三個(gè)，工藝塑密排六方晶體，滑移數(shù)目只有三個(gè)，工藝塑性很差。性很差。543 3、不同組織的力學(xué)性能、不同組織的力學(xué)性能組織決定性能組織決定性能組織類(lèi)型室溫拉伸熱穩(wěn)定高溫性能斷裂韌性疲勞性能強(qiáng)度塑性強(qiáng)度塑性拉伸持久蠕變K1CDa/dN低周高周等軸好最好好好一般差差最差快較差好雙態(tài)與等軸同一水平高于等軸較好較快較好高于等軸三態(tài)高于等軸

51、與等軸同一水平高于雙態(tài)高于雙態(tài)慢高于雙態(tài)好網(wǎng)籃高于等軸差好差高于雙態(tài)好慢高于等軸差魏氏較差最差差最差較差差最快差差55 從時(shí)效曲線、高低強(qiáng)度條件下的力學(xué)性能，可以看出幾點(diǎn)重從時(shí)效曲線、高低強(qiáng)度條件下的力學(xué)性能，可以看出幾點(diǎn)重要結(jié)論：要結(jié)論：在一定的時(shí)效溫度下，在一定的時(shí)效溫度下，()區(qū)的變形量對(duì)強(qiáng)度區(qū)的變形量對(duì)強(qiáng)度(高或低強(qiáng)度高或低強(qiáng)度條件下條件下)影響均不大影響均不大增加增加()區(qū)變形量，將使塑性提高，斷裂韌性降低區(qū)變形量，將使塑性提高，斷裂韌性降低 原因：原因：增加增加()區(qū)的變形量會(huì)將以?xún)煞N方式影響顯區(qū)的變形量會(huì)將以?xún)煞N方式影響顯微組織微組織 減少針減少針( (或片或片) )狀狀的同時(shí)增

52、加等軸的同時(shí)增加等軸含量含量 減少晶界減少晶界，也有利于提高塑性，也有利于提高塑性56在低強(qiáng)水平下，在低強(qiáng)水平下，塑性和斷裂韌性塑性和斷裂韌性(與高強(qiáng)度相比與高強(qiáng)度相比)提高提高的原因：的原因：提高時(shí)效溫度，使次生提高時(shí)效溫度，使次生相粗化（減少界面相，降低強(qiáng)度，相粗化（減少界面相，降低強(qiáng)度，而塑性、韌性提高）而塑性、韌性提高）提高時(shí)效溫度，增加了提高時(shí)效溫度，增加了顆粒之間的間距顆粒之間的間距(顆粒長(zhǎng)粗顆粒長(zhǎng)粗) )，從，從而能降低轉(zhuǎn)變而能降低轉(zhuǎn)變基體中次生基體中次生相的缺口敏銳度（提高了塑性相的缺口敏銳度（提高了塑性和韌性）和韌性）57關(guān)于缺口疲勞性能問(wèn)題關(guān)于缺口疲勞性能問(wèn)題 ()區(qū)變形量

53、越小，針狀區(qū)變形量越小，針狀越多，缺口疲勞壽命越高越多，缺口疲勞壽命越高 ()區(qū)變形量越大，等軸區(qū)變形量越大，等軸越多，缺口疲勞壽命越低越多，缺口疲勞壽命越低 原因：原因： 缺口疲勞壽命是受裂紋擴(kuò)展控制的，而無(wú)論在哪，針狀缺口疲勞壽命是受裂紋擴(kuò)展控制的，而無(wú)論在哪，針狀相均使相均使材料的抗裂紋擴(kuò)展性能提高，所以針狀材料的抗裂紋擴(kuò)展性能提高，所以針狀多，缺口疲勞壽命高。多，缺口疲勞壽命高。58關(guān)于光滑疲勞性能問(wèn)題關(guān)于光滑疲勞性能問(wèn)題 ()區(qū)變形量增大，等軸區(qū)變形量增大，等軸量增加，從而有利于改善光滑疲勞量增加，從而有利于改善光滑疲勞壽命，原因：壽命，原因： 光滑疲勞性能是受裂紋起始控制的，等軸光

54、滑疲勞性能是受裂紋起始控制的，等軸多塑性好，塑性多塑性好，塑性好裂紋起始延遲。好裂紋起始延遲。 所以，所以，顯微組織與加工過(guò)程的依賴(lài)關(guān)系顯微組織與加工過(guò)程的依賴(lài)關(guān)系是：是： 等軸等軸多，塑性高，裂紋起始延遲多，塑性高，裂紋起始延遲( (形核壽命長(zhǎng)形核壽命長(zhǎng)) )，光滑壽命，光滑壽命高。高。 片狀片狀多，光滑疲勞壽命短，因裂紋擴(kuò)展開(kāi)始早。多，光滑疲勞壽命短，因裂紋擴(kuò)展開(kāi)始早。591 1、型鈦合金的熱處理型鈦合金的熱處理+型型近近型型(+)型型近近型型型型T穩(wěn)定元素含量（）穩(wěn)定元素含量（）TA7: Ti-5Al-2.5Sn其中：Al元素元素溶于溶于相，相，起穩(wěn)定起穩(wěn)定相和提高強(qiáng)度、耐熱相和提高強(qiáng)度

55、、耐熱 性和減小比重的作用性和減小比重的作用。Sn元素元素溶于溶于相，相，起輔助強(qiáng)化的作用起輔助強(qiáng)化的作用，又不明顯，又不明顯 降低塑性，并可減少吸氧防污的優(yōu)點(diǎn)。降低塑性，并可減少吸氧防污的優(yōu)點(diǎn)。穩(wěn)定穩(wěn)定元素元素0，一般采用，一般采用退火處理退火處理，其組織為單，其組織為單 相相-固溶體，故固溶體，故不能熱處理強(qiáng)化。不能熱處理強(qiáng)化。 602 2、近、近型鈦合金的熱處理型鈦合金的熱處理 以以Ti-679合金、合金、BT20合金為例介紹：合金為例介紹：+型型近近型型(+)型型近近型型型型T穩(wěn)定元素含量（）Ti-679: Ti-2.5Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.25Si其中：其中： Al為為

56、穩(wěn)定元素，穩(wěn)定元素，強(qiáng)化強(qiáng)化相相 Mo為為穩(wěn)定元素，穩(wěn)定元素，強(qiáng)化強(qiáng)化相相 Sn、Zr為中性元素，為中性元素，強(qiáng)化強(qiáng)化、相相 Si形成形成Si化物顆粒，化物顆粒，提高蠕變性能提高蠕變性能BT20：Ti-(5.5-7.5)Al-(0.5-2.0)Mo-(0.8-1.8)V-(1.5-2.5)Zr61 近近型合金由于等軸型合金由于等軸相比例多，相比例多，熱處理強(qiáng)化效果不熱處理強(qiáng)化效果不明顯明顯，對(duì)于對(duì)于Ti-679合金采用合金采用標(biāo)準(zhǔn)熱處理標(biāo)準(zhǔn)熱處理。 900固溶固溶1小時(shí)空冷小時(shí)空冷500時(shí)效時(shí)效24小時(shí)空冷時(shí)效小時(shí)空冷時(shí)效處理（又稱(chēng)雙重退火處理）處理（又稱(chēng)雙重退火處理）固溶的作用：固溶的作用：

57、 初生初生等軸化等軸化 在在900高溫下保溫高溫下保溫1小時(shí)，初生小時(shí)，初生聚聚集、合并、球化以提高塑性。集、合并、球化以提高塑性。 相濃度均勻化相濃度均勻化 在在900 高溫下保溫高溫下保溫1小時(shí)，由于原小時(shí)，由于原子的擴(kuò)散作用，促使子的擴(kuò)散作用，促使、晶粒中化學(xué)成分均勻化，即晶粒中化學(xué)成分均勻化，即使使、穩(wěn)定元素均勻化。穩(wěn)定元素均勻化。62 相比例均勻化相比例均勻化 由于變形程度、終鍛溫度不一樣和由于變形程度、終鍛溫度不一樣和變形不均勻，在未經(jīng)熱處理的鍛件中的相比例是不一變形不均勻，在未經(jīng)熱處理的鍛件中的相比例是不一樣的，經(jīng)相同的樣的，經(jīng)相同的900/1h固溶處理，相比例基本一致。固溶處理，相比例基本一致。組織均勻，性能均勻。組織均勻，性能均勻。 可見(jiàn)，可見(jiàn)，固溶溫度的高低，可以調(diào)節(jié)組織中固溶溫度的高低，可以調(diào)節(jié)組織中等軸等軸和和魏魏的比例。的比例。 SiSi固溶的結(jié)果避免了硅化顆粒聚集長(zhǎng)大和出現(xiàn)固溶的結(jié)果避免了硅化顆粒聚集長(zhǎng)大和出現(xiàn) 偏析。偏析。63 從相圖上還可以看到，從相圖上還可以看到，初初量完全取決于：量完全取決于： 加熱溫