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钛合金合金化原理 强韧化机制及其应用 前言 钛发现于18世纪末，但由于化学活性高，提取困难，直到1910年金属钛才被美国科学家用钠还原法(亨特法)提炼出来。1936年卢森堡科学家克劳尔用镁还原法(克劳尔法)还原TiCl4，制得海绵钛，奠定了金属钛生产的工业基础。其技术转让到美国，1948年在美国首先开始海绵钛的工业生产。中国继美、日、前苏联之后，于1958年开始钛的生产。 一 钛合金的合金化原理 1 将钛的合金元素分成三类： α相稳定元素，能提高α→β相的转变温度，扩大α相区，如铝和氧、氮等； 中性元素，在α相和β相中均有较大固溶度，对α ? β相变温度影响不大，如锡、锆等。 β相稳定元素，一般是降低β相的转变温度，扩大β相区，它又可分两小类。 产生β相共析分解的元素，如Cr、Mn、Fe、Cu、Ni、Co、W等。随温度降低，β相发生共析分解，析出α相及金属间化合物（图c）。二元相图上不产生β相共析分解，但慢冷时析出α相，快冷时有α’马氏体相变，包括Mo、V、Nb、Ta等。稳定β相的能力是Mo＞V＞Nb＞Ta。 2 β相稳定元素含量与淬火快冷组织关系 当β相稳定元素含量较低时，β发生马氏体相变，形成α’相。 当含量达到C1之前，β相发生完全的马氏体相变； 在C1到C2区间，可以有部分β相残留，得到α’＋ 残余β相组织。 当含量达到C2时，马氏体转变完全被抑制，只有残留β相（机械不稳定，在应力作用下分解）存在。 当含量≥C3时，为机械稳定β相（非热力学稳定，回火时分解）。 当元素含量超过C4时才得到室温热力学稳定的β相。 3 气体杂质元素的分类与作用 氧 稳定α相元素，提高α→β相转变温度。占据八面体间隙位置，产生点阵畸变，提高强度、降低塑性。 氮 与氧类似，是强稳定α相元素，提高α→β相转变温度，强烈提高强度而降低塑性。 氢 稳定β相，降低塑性和韧性。 钛中的氢很容易引起“氢脆”。335℃时氢在α-Ti中的溶解度为0.18%，并随温度降低而迅速下降，从钛固溶体中析出氢化钛而引起的脆性。 4 钛合金的分类 α-钛合金 ：显微组织是α相，含有α相稳定元素及一些中性强化元素。主要元素是铝、锆、锡等。典型合金有Ti-8Al-1Mo-1V。 α+β钛合金 ：显微组织是α+β相，含有较多的α相稳定元素和β相稳定元素。 β钛合金和近β钛合金 ：含有大量的β相稳定元素，多数还含有铝、锆、锡等。 室温强度可达到α+β钛合金水平，但具有更佳的工艺性能，高温强度比不上α+β合金。 近β钛合金的显微组织是α+β相，α强化相分布在β相基体上。 二钛合金的强韧化机制 1钛合金热处理基础 少数钛合金系，如Ti-Cu，可进行时效析出金属间化合物来强化。 大多数钛合金只是通过热处理控制β→α相变以得到预期的组织、性能和工艺特性。合金成分，特别是β相稳定元素含量以及冷却速度，对β相变有重要影响。 β相发生分解的TTT曲线如图所示 当温度为T3时，转变终了得β+α； 当温度为T2时，先是β→β＋ω（介稳相），再进一步转变为β＋ω→β＋α＋ω→β＋α。 当温度为T1时，发生β→β＋ω。 连续冷却时 慢冷时，β→β＋α； 冷速增加时， 由β→β＋α→β＋α＋ω变为β→β＋ω； 进一步增加冷速，不发生相变，得到室温介稳的β相，或得到马氏体相变β→α的产物α马氏体。 α钛合金和近α钛合金 一般室温组织全是α相，只是随从单相β相区冷却下来的冷速不同，可得到不同金相形态及不同晶粒尺寸的α相。 通过热机械处理，可得到等轴α相； 近α钛合金可通过控制冷速得到细的网篮状组织 α＋β钛合金 通过淬火时效可得到细晶粒α+β结构，一次α相的比例相对较高，这样可得到很好的热疲劳性能。 提高固溶温度时，得到较多大晶粒β相转变产物，则断裂韧性较高。 合理的热处理是综合上述两方面的优点，得到细的等轴α相和转变后的β相，得到好的综合性能。 如Ti-6Al-4V合金采用960℃/1h + 700℃/2h空冷热处理 2钛合金的强韧化 (1)近α和α钛合金 这类合金的机械性能对热处理不敏感，因为总是α相没有相变。通过冷加工和随后退火控制α相形态和大小，通过固溶强化强化α相。 经β相热加工冷却得到片状魏氏组织α结构；α相热加工冷却得到等轴组织；经α+β相热加工也得到等轴组织。 魏氏组织α片的断裂韧性和抗疲劳裂纹扩展性能很好，而等轴α相的低周疲劳性能和拉伸强度较高。 典型合金Ti-5Al-2.5Sn，在300℃以下使用，可以焊接，但冷加工困难。 发展方向：加入更多的α稳定元素，提高蠕变性能，但制备困难，在制备和使用过程中易产生脆性。由于Al当量的限制，该合金的发展受到限制。 进一步发展方向：时效硬化α合金，Ti-25Cu，可