1、钛合金热处理综述姓名 学号材料制备：钛合金热处理综述i 目录引言 .1一、 钛合金在航空航天的应用 .2二、 钛合金综述 .31. 钛合金的分类及特点 .3A. 分类 .3B. 各类钛合金的特点 .42. 合金元素 .5A. 合金元素分类 .5B. 合金元素作用 .63. 钛的相变 .6A. 同素异构转变 .6B. 相转变 .6C. 时效过程中亚稳定相的分解 .8D. 钛合金二元相图 .9三、 热处理引言 .9四、 热处理基本原理 .94. 退火 .10A. 回复 .10B. 再结晶 .10C. 去应力退火 .10D. 简单退火 .11E. 完全退火 .11F. 等温退火和双重退火 .11G.
2、 真空退火 .115. 固溶与时效处理（强化热处理） .12A. 固溶处理 .13B. 时效处理 .13C. 固溶-时效处理 .146. 形变热处理（热机械处理） .147. 化学热处理 .15五、 热处理缺陷和防治 .15六、 钛合金组织与性能 .161. 钛合金相组成 .162. 钛合金组织类型 .16A. 魏氏体组织 .16B. 网篮组织 .16C. 等轴组织 .17D. 双态组织 .173. 钛合金的热处理与组织、性能的关系 .17A. 常规拉伸性能 .17B. 疲劳性能 .17C. 断裂韧性 .18材料制备：钛合金热处理综述ii D. 应力腐蚀断裂 .18七、 钛的表面热处理 .18
3、1. 渗无机元素表面热处理 .18A. 渗碳 .18B. 渗氮 .19C. 渗硼 .192. 渗金属元素表面热处理 .19参考文献 .21材料制备：钛合金热处理综述1 引言钛是 20 世纪 50 年代发展起来的一种重要的结构金属，因其具有质轻、高强、耐蚀、耐热、无磁等一系列优良性能，以及形状记忆、超导、储氢、生物相容性四大独特功能，被广泛应用在航空航天、舰船、军工、冶金、化工、海水淡化、轻工、环境保护、医疗器械等领域，并创造了巨大的经济和社会效益，在国民经济发展和国防中占有重要的地位和作用。钛是金属材料王国中“全能的金属” 、 “海洋金属” 、 “太空的金属” ，从工业价值、资源寿命和发展前景
4、来看，钛被视为继铁、铝之后处于发展中的“第三金属”和“战略金属” 。根据在钛中加入 稳定元素的多少及退火后的组织，钛合金可分为 、近 、+、近 和 钛合金。美、日、俄罗斯以及中国等许多国家都高度重视钛合金的发展，各国根据不同国情和需求进行了各自的研发，现已得到了广泛的应用。第一个实用的钛合金是 1954 年美国研制成功的 Ti-6Al-4V 合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的 75%85%。其他许多钛合金都可以看作是 Ti-6Al-4V 合金的改型。随后，美国在高强钛合金、钛铝金属间化合物
5、、钛基和钛铝基复合材料及其相关的高新技术研究和应用方面都遥遥领先。除航空外领域，美国也将钛用在海洋开发、地热发电以及制作放射性废物处理的容器等方面，其发展的趋势是由军工到民品，由飞机发动机到机体，由航空航天到一般产业。重点放在基础研究、合金设计、熔炼技术、加工工艺方面。目前美国在航空航天等军工领域的用钛量最大，自上世纪 80 年代后，各种先进战机和轰炸机中，钛及其合金的用量已稳定在 20%以上。近年来，日本除了继续开拓钛在航空工业的应用外，仍以民用为主，而俄罗斯则以提高结构钛合金材料强度、改善加工性能、提高使用温度及改善熔炼技术为重点。我国钛产品 80%以上用于石油、化工等民用工业，近期发展的
6、主要目标是国内市场。目前，钛工业发展中呈现出许多技术上的创新，其中工艺性创新较成分创新多，体现在阻燃钛合金、钛基复合材料、纤维/钛层板等研发方面。20 世纪 5060 年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70 年代开发出一批耐蚀钛合金，80 年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从 50 年代的 400提高到 90 年代的 600650。A2(Ti3Al)和r（TiAl）基合金的出现，使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端（风扇和压气机）向发动机的热端（涡轮）方向推进。结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。另外，
7、20 世纪 70 年代以来，还出现了 Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb 等形状记忆合金，并在工程上获得日益广泛的应用。世界上已研制出的钛合金有数百种，最著名的合金有 2030 种，如 Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni、Ti-Pd、SP-700、Ti-6242、Ti-10-5-3、Ti-1023、BT9、BT20、IMI829、IMI834 等2,4。据相关统计数据，2012 年我国化工行业用钛量达 2.5 万吨，比 2011 年有所减少。这是自 2009 年以来，我国化工用钛市场首次出现负增长。近些年来，化工
8、行业一直是钛加工材最大的用户，其用量在钛材总用量的占比一直保持在 50%以上，2011 年占比高达 55%。但随着经济陷入低迷期，化工行业不但新建项目明显减少，同时还将面临产业结构调整，部分产品新建产能受到控制，落后产能也将逐步淘汰的境地。受此影响，其对钛加工材用量的萎缩也变得顺理成章。在此之前，便有业内人士预测化工行业用钛量在 20132015 年材料制备：钛合金热处理综述2 间达到峰值。以当前市场表现看来，2012 年整体经济的疲软有可能使得化工用钛的衰退期提前。一、 钛合金在航空航天的应用钛的熔点 16684，熔化潜热 3.7-5.0 千卡/克原子，沸点 326020，汽化潜热102.5
9、-112.5 千卡/克原子，临界温度 4350，临界压力 1130 大气压。钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢，钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为 0.38-0.4K。在25时，钛的热容为 0.126 卡/克原子度，热焓 1149 卡/克原子，熵为 7.33 卡/克原子度，金属钛是顺磁性物质，导磁率为 1.00004。 钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%，断面收缩率可达 70-80%，但强度低，不宜作结构材料。钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低、无毒无磁、可焊接、生物相容性好、表面可装饰性强等特性，是一种轻质高强度耐蚀结构材料，在武器装备中具有广泛应用前景，并已
10、经广泛应用于航空、航天、化工、石油、电力、医疗、建筑、体育用品等领域。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。60 年代中期，钛及其合金已在一般工业中应用，用于制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金等。中国于 1956 年开始钛和钛合金研究；60 年代中期开始钛材的工业化生产并研制成 TB2 合金。钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料，比重、强度和使用温度介于铝和钢之间，但比强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。1950
11、年美国首次在 F-84 战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60 年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。钛合金在军用飞机中的用量迅速增加，达到飞机结构重量的 20%25%。70 年代起，民用机开始大量使用钛合金，如波音 747 客机用钛量达 3640 公斤以上。马赫数小于 2.5 的飞机用钛主要是为了代替钢，以减轻结构重量。又如，美国 SR-71 高空高速侦察机(飞行马赫数为 3，飞行高度 26212 米)，钛占飞机结构重量的 93%，号称“全钛”飞机。当航空发动机的推重比从 46 提高到 810，压气机出口温度
12、相应地从 200300C 增加到 500600C 时，原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金，或用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片，以减轻结构重量。70 年代，钛合金在航空发动机中的用量一般占结构总重量的 20%30%，主要用于制造压气机部件，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机机匣、中介机匣、轴承壳体等。航天器主要利用钛合金的高比强度，耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机 也都使用钛合金板材焊接件。作为飞机机体结构和飞机发动机的主要结构材料之一，钛合金的应用水平是衡量飞机选材先进程度的重
13、要标志之一，是影响飞机战术性能的一个重要方面。在国外第三代战斗机上，钛合金用量占机体结构重量比为 20%25%，在第四代战斗机 F-22（EMD）上已高达41%，其应用呈大幅度上升趋势。航空发动机的用钛量也在逐步增加，国外先进航空发动机的钛用量已达 30%左右，例如 V2500 发动机的钛用量就高达 31%，第四代发动机 F119 的钛合金用量为 40%。在民用飞机方面，钛合金用量也在逐步增长，A380 用钛占总重量的材料制备：钛合金热处理综述3 10%，单机用钛材约 60 吨。空中客车的钛用量已从第三代 A320 的 4.5%增至第四代 A340 的6%，而即将问世的 A350 客机的钛用量
14、进一步提高至 15%。世界各国国防系统和民航系统日新月异的发展，要求飞机及其发动机通过减轻结构重量等有效途径不断改善使用性能，提高安全可靠性和降低全寿命成本。60 年来，钛合金通过持续的合金创新、工艺创新和工程应用，永不止步地一再挖掘出钛潜在的能力，其比强度、耐热性、抗蚀性等方面的优越性日益充分地发挥出来，成本较高的问题则逐渐得到不同程度的解决，使用可靠性也随设计应用经验的日积月累而不断提高。钛合金的发展态势恰恰适应了航空工业不断提升的需求，甚至在某些方面以超前的姿态促进了飞机及其发动机的发展。飞机结构钛合金按抗拉强度这一特征要素可分为低强度钛合金、中强度钛合金、高强度钛合金、超高强度钛合金。
15、低强度结构钛合金 抗拉强度700MPa【如 TA1（370MPa）、TA2（440MPa）、TA3（540MPa）、TA16（480667MPa）、TA17（638882MPa）、TA18（620MPa）、TA21、TC1（590MPa）、TC2、Ti31（637MPa）、ZTA5（480MPa）、TA5（TA5-A）（585MPa）、Ti70（700MPa）、ZTi60（590MPa）等合金】其共同的特点是低合金化、高塑性和高韧性，并具有高可焊性、可成型性和优良的耐海水腐蚀性等，主要用来制造各种钣金件、蒙皮、管材零件等。根据低强度结构钛合金在各应用领域的应用情况分析【确定低强度结构钛合金主干
16、牌号有 TA17（板材）、TC2（板材）、TA18（管材）、Ti31（板材、锻件、钛管）、Ti70（板材）、ZTi60（铸件）等】。中强度结构钛合金 700MPa抗拉强度1000MPa【主要有 TC4、TC4-DT、TC6、TA15、Ti75（730MPa）、Ti80（880MPa）等】其主要特点是具有良好的综合性能，既有较高的强度，又有足够的塑性以及优良的焊接性能，多用于制造承力构件与厚板。经分析，中强度结构钛合金主干牌号有 TA7（板材、锻件）、TC4（钛板、锻件、丝材）、TA15（厚板、锻件）、Ti75（锻件）、Ti80（板材、锻件）。高强度结构钛合金 1000MPa抗拉强度1250MP
17、a，主要有TB5、TB6、TB8、TC16、TC18、TC21 等，主要用于制造强度要求高、代替钢可达到高减重效果的承力结构件、钣金零件和紧固件等。经综合分析，高强度结构钛合金主干牌号确定为 TC21（锻件）、TC16（丝材）、TB6（锻件）。二、 钛合金综述1. 钛合金的分类及特点A. 分类按照退火后组织特点可以分为如下三大类：（1） 型钛合金此合金是指其退火组织以 钛为基体的单相固溶体的合金。我国 型钛合金的牌号为TA 后加一个代表合金序号的数字，如 TA1、TA2、TA3 等。 型钛合金又可细分为全 型合金，近 型合金，+ 化合物型合金。（2） 型钛合金材料制备：钛合金热处理综述4 这种
18、合金是指其退火组织为 相的钛合金，也称 为两相 钛合金。我国这类合金的牌号为 TC，后跟合金序号，如 TC4、TC5、TC6 等。（3） 型钛合金此类合金含 稳 定元素较多。我国这类合金的牌号为 TB，后跟合金序号，如 TB1、TB2等。 型 钛合金可 进一步分为热稳定 型合金、亚稳定 型合金、近 型合金。B. 各类钛合金的特点分类 成分特点 组织特点 性能特点 典型合金全型合金含有 6%以下的铝和少量中性元素退火后，除杂质元素造成少量 相外，几乎全是 相密度小，热性能好，焊接性能好，低间隙元素含量有好的超低温韧性TA1TA7、TA7ELI近型合金除铝和中性元素外，还含有少量（不超过4%）的
19、稳定元素退火后，除有大量的 相外，还有少量的（10%体积左右） 相可热处理强化，有很好的热强性和热稳定性，焊接性能良好Ti75、TA12 型钛合金+化合物型合金在全 合金基础上添加少量的活性共析元素退火后，除有大量的 相外，还有少量的 相以及金属间化合物有沉淀硬化效应，提高了室温及高温抗拉强度和蠕变强度，焊接性能良好TA8+ 型钛合金含一定量的铝和不同含量的 稳定元素和中性元素退火后，有不同比例的 相和 相可热处理强化，强度及淬透性随 稳定元素的增加而提高，可焊性较好，一般冷成型及冷加工能力差，TC4ELI合金有良好的超低温韧性， 加工的TC4ELI 合金有较好的损伤容限性能TC3TC12、T
20、C4ELI（续表）材料制备：钛合金热处理综述5 分类 成分特点 组织特点 性能特点 典型合 金热稳定型合金含大量的 稳定元素，有时还有少量的其他元素退火后，全部为 相室温强度较低，冷成型和冷加工能力强，在还原性介质中耐蚀性较好，热稳定性、可焊性好TB7亚稳定型合金含有临界浓度以上的 稳定元素，少量的铝（一般不大于 3%）和中性元素固溶处理（水淬或空冷）后，几乎全部为亚稳定 相。时效时，相中析出 相，时效后为 相和 相固溶处理后，室温强度低，冷成形和冷加工能力强，可焊性好；经过时效后，室温强度高，在高屈服强度下具有高的断裂韧性，在 350以上热稳定性差，此类合金淬透性好TB1TB5、TB8TB9
21、 型钛合金近型合金含有临界浓度左右的 稳定元素和一定的中性元素从 相相区固溶处理后有大量的亚稳定 相，还有少量的其他亚稳定相（或 相），时效后为 何 相除具有亚稳定 型合金的特点外，相区固溶处理后，屈服强度低，均匀伸长率高。+相区固溶处理、WQ或 AC，时效后再高强度状态下断裂韧性以及塑性较高，而 + 相区固溶处理、FC 后再中强度状态下，可获得高的断裂韧性及塑性TB6、TB102. 合金元素A. 合金元素分类周期表中各元素按与钛作用性质可归纳如下：在周期表上与钛同族的元素锆和铪具有与钛相同的外层电子结构和晶格类型，原子半径也相近，故它们与 和 钛均能无限互溶，形成连续固溶体；在周期表上靠近钛
22、的元素，如钒、 钼、铌、 钽等与 钛具有相同的晶格类型，能与 钛无限互溶，在 钛中有限溶解；在外 层电子 结构、晶体类型和原子尺寸上都与 Ti 有较大的差异，如锰、铁、钴、 镍等元素与钛只能形成有限的固溶体，超 过溶解极限则形成化合物。材料制备：钛合金热处理综述6 B. 合金元素作用工业钛合金中常用的合金元素有：铝、锆、 锡、钒、 钼、锰、铬、铁、铜、硅等。铝主要起固溶强化作用，每增加 1Al，可使室温抗拉 强度增加 50MPa。铝在钛中的极限溶解度为 7.5,一般加铝量不超过 7。锡和锆为常用的中性元素，在 钛和 钛中均有较大的溶解度，常和其他元素同时加入，有补充强化作用，对塑性的不利影响比
23、 铝小，使合金具有良好的压力加工性能和焊接性能。钒和钼是 稳定元素中 应用最广的两种元素，对 相起固溶 强化作用，降低相变点，增加合金的淬透性，从而强化热处 理强化效果。锰、铁、铬等元素强化效果高，稳定 的能力强，比 钨、钼、铌轻，故 应用较广。硅的共析转变温度较高（860），加硅可改善合金的耐 热性能。加入少量的硼可以细化宏观组织。稀土元素可显著地提高合金的瞬 时强度和蠕变强 度。3. 钛的相变A. 同素异构转变纯钛在固态有两种同素异构体，即体心立方晶格的 相和密排六方晶格的 相，在882.5发生下列同素异构 转变 （从左到右为升温）：B. 相转变i) 相在快冷过程中的转变当钛合金自高温快速
24、冷却（淬火）时，根据合金成分的不同， 相可以转变为马氏体、 相或过冷 等亚稳 定相。(1)形成马氏体定义： 稳定元素过饱和的固溶体为钛合金的马氏体。材料制备：钛合金热处理综述7 类型： 稳定元素含量不大，六方马氏体 (板条状和针状)； 稳定元素含量 较大，斜方马氏体 ( 细针状马氏体)。(2) 相变形成条件：a) 当合金成分在临界浓度 Ck 附近时，高温淬火由 相形成。b) 淬火后亚稳定 相在 550以下等温( 回火)。 相的特点：硬脆相，位错不能在其中移动。合金中出现时，强度、硬度升高，塑性、韧性降低。(3)淬火钛合金的亚稳定相图归纳起来，不同成分合金自 相区淬火，可以得到六种组织，即 、 m、 ( )、 ( )、 m。
