鈦與合金元素的相互作用

-.z."無(wú)機(jī)精細(xì)化工工藝學(xué)"鈦與合金與素的相互作用專(zhuān)業(yè)班級(jí)：化工1301班**：宇龍**：130803057任課教師：董緣薛娟琴建筑科技大學(xué)2016年10月-.z.鈦與合金與素的相互作用宇龍**：130803057摘要：先進(jìn)材料鈦及鈦合金的應(yīng)用與前沿技術(shù)的開(kāi)展一直是當(dāng)前材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題之一。鈦、鈦合金及鈦化合物的優(yōu)良性能促使人類(lèi)迫切需要它們。隨著鈦的冶煉技術(shù)不斷改良和提高，鈦、鈦合金及鈦的化合物的應(yīng)用得了到更大的開(kāi)展。本文介紹了鈦合金的開(kāi)展、特性、鑄造工藝性能及其熱處理，闡述了鈦與合金與素的相互作用，分析其優(yōu)勢(shì)與局限性，并展望開(kāi)展趨勢(shì)。關(guān)鍵字：金屬鈦鈦合金性質(zhì)鑄造加工性能熱處理生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用性能合金化原理相互作用鈦及鈦合金概述1、新型的構(gòu)造材料鈦及鈦合金根本上是一類(lèi)新型的構(gòu)造材料，在當(dāng)代的尖端科學(xué)技術(shù)工業(yè)領(lǐng)域中，如航空、宇航、海洋等中得到廣泛的應(yīng)用，主要原因：1〕比強(qiáng)度高；2〕耐腐蝕性；3〕良好的低溫性能。2、新型的功能材料它們具有*些特殊的物理、化學(xué)、生物特性：形狀記憶合金，TiNi人造骨頭；超導(dǎo)材料等。3、我國(guó)鈦資源十分豐富，儲(chǔ)量居世界首位，這是我國(guó)開(kāi)展鈦工業(yè)的優(yōu)勢(shì)。工業(yè)純鈦一、鈦的根本性質(zhì)1、物理性質(zhì)1〕兩種同素異晶體：α-Ti;β-Tiα-Tiβ-Ti2)T熔=1668℃3〕ρ=7.8×57%=4.4g/cm3,較輕；4〕導(dǎo)電、導(dǎo)熱性均較低，線(xiàn)膨脹系數(shù)較低；5〕無(wú)磁性，在很強(qiáng)的磁場(chǎng)下也不會(huì)磁化，因此植入人體的鈦制人造骨架不會(huì)受雷雨天氣的影響。2、化學(xué)性質(zhì)鈦在室溫下比擬穩(wěn)定，但在高溫下卻很活潑：在熔化狀態(tài)下，能與絕大多數(shù)坩堝材料發(fā)生作用；高溫下，與鹵素、氧、硫、碳、氮等元素進(jìn)展強(qiáng)烈的反響，而使鈦受到污染。因此，鈦要在真空或惰性氣氛下熔煉。3、耐蝕性質(zhì)1〕在介質(zhì)中，鈦的標(biāo)準(zhǔn)電極電位很低：TiTi2++2e,E=-1.63v但鈦的致鈍電位亦低，故鈦容易鈍化2〕不同溫度下的耐蝕性：在常溫下，金屬外表極易形成由氧化物和氮化物組成的鈍化膜，它在大氣及許多浸蝕性介質(zhì)中非常穩(wěn)定，有很好的抗蝕性。550℃以下，能與氧形成致密的氧化膜，具有良好的保護(hù)作用；800℃以上，氧化膜會(huì)分解，氧原子會(huì)以氧化膜為轉(zhuǎn)換層，進(jìn)入金屬晶格，此時(shí)氧化膜已失去保護(hù)作用。4、鈦的機(jī)械性能和工藝性能1〕純鈦機(jī)械性能：強(qiáng)度不太高，塑性好。雖是構(gòu)造，但不象Zn、Mg等，鈦的滑移系較多：Ti:,而Zn、Mg僅僅在基面上。2〕鈦的T熔點(diǎn)比Fe與Ni高，但Ti的耐熱性較差，主要是鈦有較大的自擴(kuò)散系數(shù)以及同素異晶轉(zhuǎn)變；3〕切削性能不好，導(dǎo)熱性差，摩擦系數(shù)大。二、雜質(zhì)元素對(duì)鈦性能的影響1、主要雜質(zhì)元素間隙型元素：O、N、H、C；置換〔代位〕型元素：Fe、Si。2、影響：鈦的硬度對(duì)間隙型雜質(zhì)元素很敏感，雜質(zhì)含量愈多，鈦的硬度就愈高。據(jù)此，生產(chǎn)上可以根據(jù)鈦的硬度來(lái)估計(jì)其純度：引入氧當(dāng)量O當(dāng)=O%+2N%+0.67C%HV=65+310O、N、C使鈦的強(qiáng)度提高、塑性降低，主要原因是與鈦形成固溶體后晶格發(fā)生畸變，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)；O、N、C提高α-Ti/β-Ti轉(zhuǎn)變溫度，使α穩(wěn)定元素；H元素降低α/β轉(zhuǎn)變溫度，是β穩(wěn)定元素H：1〕在室溫時(shí)氫引起各種氫脆〔釘軋位錯(cuò)線(xiàn)、析出氫化物等〕降低措施：原料控制純度、真空冶煉、加熱時(shí)采用中性或弱氧化性氣氛、在惰性氣氛焊接、酸洗時(shí)防止增氫措施、真空退火去氫；2〕高溫時(shí)有增塑作用：先用氫作為合金元素增塑，然后再擴(kuò)散退火。增塑的原因是氫降低形變激活能，即降低原子擴(kuò)散遷移所必須克制的能壘。鈦的合金化原理純鈦塑性和韌性雖好，但強(qiáng)度低，參加適當(dāng)合金元素可以明顯改善組織和性能，以滿(mǎn)足工程上不同性能的要求。一、鈦與其他元素之間的作用這些相互作用取決于它們的原子構(gòu)造、晶體類(lèi)型與原子尺寸等因素。1、與鈦形成連續(xù)固溶體元素〔合金化〕這類(lèi)元素〔10個(gè)〕，同族元素、近鄰元素，性質(zhì)相似、原子尺寸相差小于8%。其中Zr、Hf與Ti同族，具有一樣的晶體構(gòu)造和同素異晶轉(zhuǎn)變，因此，與α-Ti與β-Ti形成連續(xù)固溶體；V、Nb、Ta與Mo具有體心立方構(gòu)造，即與β-Ti同晶，因此與β-Ti形成連續(xù)固溶體；而與α-Ti形成有限固溶體。2、與鈦形成有限固溶體元素〔合金化〕由于原子外層電子構(gòu)造、晶體類(lèi)型和原子尺寸與鈦都有較大差異，故只能與鈦形成有限固溶體。代位固溶體：Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Al、Ga、Sn、Si間隙固溶體：B、C、O、N、H在鈦中完全不溶解，而只形成共價(jià)鍵或離子鍵化合物;生產(chǎn)Ti時(shí)用到的鹵素，它們位于周期表的最右端：TiCl4、TiI4。4、與鈦不發(fā)生作用：堿金屬、堿土金屬用鹵素復(fù)原TiO2得到TiCl4(TiI4)，再用Na(Mg、Ca〕與氯結(jié)合，使鈦游離出來(lái)。二、鈦合金的二元相圖及常用合金元素的作用大致可以分為四類(lèi)：1、合金元素與α-Ti和β-Ti形成連續(xù)固溶體2、與β-Ti無(wú)限互溶，與α-Ti有限溶解的相圖β同晶元素V與Ti組成的相圖3、3、與β-Ti和α-Ti都形成有限固溶體，β相會(huì)發(fā)生共析分解Ti與Cr(共析型β穩(wěn)定元素)組成的相圖Ti與Mn(共析型β穩(wěn)定元素)組成的相圖非活性共析元素〔慢共析元素〕鈦與這類(lèi)過(guò)渡族元素形成的共析反響，進(jìn)展的速度極慢，在通常的冷卻速度下來(lái)不及進(jìn)展，故它們?cè)阝伜辖鹬械淖饔茫c前述β同晶元素有相似之處?；钚驭鹿参鲈亍部旃参鲈亍斥伵c銅、硅等非過(guò)渡元素形成的共析反響進(jìn)展極快，在一般的冷卻速度下，不能阻止其進(jìn)展。因此，這類(lèi)合金的β相實(shí)際很難固定到室溫。共析型β穩(wěn)定元素中最常用的是鐵、錳、鉻，它們穩(wěn)定β相的能力比同晶型的V、Mo等強(qiáng)烈的多，但不能在高溫下長(zhǎng)期工作。4、合金元素與α-Ti、β-Ti都形成有限固溶體，但α相由包析反響生成Ti-Al(α穩(wěn)定元素〕組成的相圖三、主要合金元素與相的形成1、主要合金元素：β同晶元素：V、Mo、Nb、Ta；共析型β相穩(wěn)定元素：Cr、Mn〔慢共析元素〕Cu〔快共析元素〕α穩(wěn)定元素：Al；中性元素：Zr、Sn；2、分三類(lèi)〔1〕α相穩(wěn)定元素，能提高α→β相轉(zhuǎn)變溫度；鋁為什么是鈦合金的一個(gè)根本合金元素？1〕Al是最有效的α強(qiáng)化元素，起固溶強(qiáng)化作用；2〕提高鈦合金的比強(qiáng)度，因?yàn)锳l的比重輕；3〕有效提上下溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度〔550℃以下〕；4〕顯著提高鈦合金的再結(jié)晶溫度；5〕增加氫在鈦合金中的溶解度，減輕氫的危害?！?〕中性元素合金元素(Sn、Zr〕等能有效強(qiáng)化α相，它們?cè)讦?Ti與β-Ti中有較大的固溶度，但對(duì)α/β相變溫度影響較小，故有中性強(qiáng)化元素。β相穩(wěn)定元素，一般是降低β相轉(zhuǎn)變溫度，分二類(lèi)：1〕產(chǎn)生β相共析分解的元素，如Cr、Mn、Fe、Cu、Ni、Co、W，隨溫度T降低，β→α+金屬間化合物。共析反響的速率隨元素而異：Cu、Si等合金化時(shí)，共析轉(zhuǎn)變快，析出TiCu2、Ti5Si3;Fe、Mn、Cr、Co、Ni等合金化時(shí)：共析轉(zhuǎn)變速率較慢，即使連續(xù)緩慢冷卻，也可能轉(zhuǎn)變不完全，保存一些剩余的β相；快冷時(shí)，共析反響可以完全被抑制，過(guò)冷β相可以保存到室溫；這個(gè)過(guò)程還與合金含量有關(guān)，含量增加，β相可完全過(guò)冷到室溫。Mo、V、Nb、Ta等，二元相圖上不產(chǎn)生β相共析分解，但慢冷時(shí)析出α相，快冷時(shí)有α’馬氏體相變高溫β相淬火快冷時(shí)，可以發(fā)生馬氏體相變，合金元素對(duì)β相快冷時(shí)相變有影響，含量不同時(shí)可能獲得不同的快冷組織〔馬氏體強(qiáng)化效果不明顯，為什么？〕：①合金含量較低〔小于c1)時(shí)，β相在快冷淬火時(shí)發(fā)生完全的馬氏體相變，形成α’相〔α’馬氏體為構(gòu)造，是合金元素在α相中的過(guò)飽和固溶體，非擴(kuò)散性產(chǎn)物，分板狀馬氏體和針狀馬氏體〕；②合金含量較高〔C1≤M%≤C2)時(shí)，可能有局部β相殘留下來(lái)，得到α’+剩余β組織，有時(shí)淬火溫度高時(shí)，會(huì)形成一種ω相〔亞穩(wěn)相，六方晶格〕：見(jiàn)下列圖所示；③合金含量達(dá)C2≤M%≤C3時(shí)，馬氏體轉(zhuǎn)變被完全抑β轉(zhuǎn)變?chǔ)叵嘁彩且环N無(wú)擴(kuò)散性轉(zhuǎn)變,它形核容易,長(zhǎng)大困難,因此尺寸細(xì)小!1〕ω相為鈦合金淬火形成的ω相，尺寸小〔5—10nm〕，它的形態(tài)、尺寸與穩(wěn)定性決定于ω/β界面的錯(cuò)配度；2〕ω相是一種硬而脆的相，ω相的出現(xiàn)，強(qiáng)烈提高合金的硬度和彈性模量，降低塑性；3〕為防止ω相的形成，a.應(yīng)控制淬火時(shí)效工藝，防止低溫時(shí)效;b.加鋁、鋯、錫等制，只有殘留β相存在。但這種殘留β相在機(jī)械外力作用下，不穩(wěn)定的，分解為ω相；④當(dāng)合金含量≥C3時(shí)，應(yīng)力不起作用，殘留β相穩(wěn)定，不再分解。四、β相共析轉(zhuǎn)變及等溫轉(zhuǎn)變1、共析轉(zhuǎn)變鈦與*些β共析元素組成的合金系，在一定的成分圍和溫度條件下，發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：β→α+Ti*My共析轉(zhuǎn)變速度與共析溫度〔合金元素〕有關(guān)溫度較高，共析轉(zhuǎn)變?nèi)菀兹鏣i-Si、Ti-Cu、Ti-Au等②溫度較低，共析轉(zhuǎn)變不容易，極慢如Ti-Mn(Fe、Cr〕，在共析溫度〔550℃〕，保溫長(zhǎng)達(dá)三個(gè)星期，還沒(méi)有開(kāi)場(chǎng)轉(zhuǎn)變。由于共析轉(zhuǎn)變產(chǎn)物對(duì)合金的塑性及韌性十分不利，并降低合金熱穩(wěn)定性，因此這些合金元素受到限制，特別是不宜參加耐熱鈦合金中。2、等溫轉(zhuǎn)變高溫β相和亞穩(wěn)定β相都可以等溫分解，其分解動(dòng)力學(xué)可用C曲線(xiàn)表達(dá)，如下列圖所示。等溫轉(zhuǎn)變分高溫局部和低溫局部。高溫區(qū)域保溫時(shí)，β相直接析出α相；隨溫度下降，分解產(chǎn)物愈細(xì)，α相彌散度愈大，合金強(qiáng)度和硬度愈高。低溫區(qū)保溫時(shí)，由于原子擴(kuò)散比擬困難，β相不能直接析出α相，而先形成ω過(guò)渡相，隨時(shí)間增加，ω相轉(zhuǎn)變成α相。影響β相等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)C曲線(xiàn)的主要因素：合金成分、固溶溫度及應(yīng)力狀態(tài)等：1〕β穩(wěn)定化元素含量的增加，C曲線(xiàn)向右下方移動(dòng)等；2〕α穩(wěn)定化元素含量增加，加速β相分解，C曲線(xiàn)左移。合金元素不僅影響C曲線(xiàn)的位置,而且改變C曲線(xiàn)的形狀。3、用C曲線(xiàn)近似判斷連續(xù)冷卻時(shí)合金的組織轉(zhuǎn)變過(guò)程如下列圖所示，不同的冷卻曲線(xiàn)將得到不同的室溫組織：1〕水淬〔冷卻曲線(xiàn)1〕可以得到α’+β；2〕油淬〔冷卻曲線(xiàn)2〕得到α’+ω+β；3〕冷卻曲線(xiàn)3得到ω+β；4〕冷卻曲線(xiàn)4，則得到α+β兩相組織。五、時(shí)效過(guò)程中亞穩(wěn)定相的分解鈦合金淬火形成的α’、α’’、ω和βm的亞穩(wěn)定相，在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，加熱時(shí)將要發(fā)生分解；分解過(guò)程復(fù)雜：不同的亞穩(wěn)相分解不一樣；同一種亞穩(wěn)相，因成分與時(shí)效工藝不同，也不一樣。最終分解產(chǎn)物：α+β或α+Ti*My;在時(shí)效分解過(guò)程的一定階段,可以獲得彌散的α+β相,使合金產(chǎn)生彌散強(qiáng)化,這就是鈦合金淬火強(qiáng)化的根本原理.(1)六方馬氏體α’的分解α’→β+αα’→過(guò)渡相→α+Ti*Myα’→β→β+Ti*My〔2〕斜方馬氏體α’’的分解根據(jù)鈦合金Ms點(diǎn)上下，α’’相可出現(xiàn)兩種不同分解方式：α’’→β+αα’’→β→β相再分解3、亞穩(wěn)定β的分解：βm→α+β〔如下列圖a所示〕βm→β+ωa→β+ωa+α→β+αβm→β+β’→β+β’+α→β+α(β’顆粒極小，晶體構(gòu)造與βm一樣〕〔如下列圖b所示〕4、ω分解：ω相是β穩(wěn)定元素在α-Ti中過(guò)飽和固溶體,與α’’相的分解根本一樣：α’’→β+α六、鈦合金分類(lèi)可以根據(jù)成分和室溫根本組織〔退火組織〕特點(diǎn)分類(lèi)：1、α-Ti合金顯微組織是α相組織:含有α相穩(wěn)定合金元素(如鋁)及一些中性強(qiáng)化元素(Zr、Sn、Hf〕；當(dāng)參加少量β相穩(wěn)定元素時(shí)，可以得到近α-Ti合金，顯微組織上除α相基體外，還有少量β相，如Ti-8Al-1Mo-1V。2、α+β鈦合金含有較多的α相穩(wěn)定元素和β相穩(wěn)定元素，具有α+β相混合組織構(gòu)造；這些相的形貌與數(shù)量依成分、熱加工變形與熱處理方式而變；這類(lèi)合金強(qiáng)度可以到達(dá)很高的水平，如Ti-6Al-4V。3、β-鈦合金和近β-鈦合金〔1〕這類(lèi)合金含有大量的β相穩(wěn)定元素，多數(shù)還有Al、Zr、Sn等，在室溫，強(qiáng)度可以到達(dá)α+β鈦合金水平；但工藝性能更好；但高溫強(qiáng)度不如α+β；〔2〕近β鈦合金顯微組織為α+β，但α〔少量〕作為強(qiáng)化相分布于β相之間；相的形態(tài)、分布、尺寸、數(shù)量等與熱加工、熱處理有關(guān)。七、鈦合金熱處理為了改善鈦合金的性能，除了合金化外，還要進(jìn)展適當(dāng)熱處理；常見(jiàn)熱處理：1〕退火處理：應(yīng)用于各種鈦合金，是工業(yè)純鈦與α型鈦合金唯一的熱處理方式；2〕淬火時(shí)效：可用于α+β、α+化合物和亞穩(wěn)定型β型鈦合金。1、退火目的為了消除應(yīng)力、提高塑性以及穩(wěn)定組織；有應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火、等溫退火以及真空去氫退火。舉例：1〕消除冷變形、鑄造以及焊接等工藝過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，可以采取去應(yīng)力退火，退火過(guò)程主要是發(fā)生回復(fù)；2〕為了消除加工硬化、穩(wěn)定組織和提高塑性?？蛇x用完全退火。這一過(guò)程主要發(fā)生再結(jié)晶，也稱(chēng)再結(jié)晶退火；當(dāng)再結(jié)晶發(fā)生時(shí)，α相、β相在組成、形態(tài)和數(shù)量上產(chǎn)生變化，性能就改變。大局部α和α+β鈦合金都是在完全退火狀態(tài)下使用；退火溫度介于再結(jié)晶溫度與相變溫度之間。2、強(qiáng)化熱處理〔淬火時(shí)效處理〕鈦合金的強(qiáng)化熱處理兼有鋼和鋁合金的特點(diǎn)，但又與它們有區(qū)別，其主要異同點(diǎn)有：〔1〕鋼與鈦合金淬火都可以得到馬氏體：但鋼的馬氏體硬度