钛合金及其应用ppt课件.ppt

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1、张 弛电话：62782361,钛合金及其应用,引言：钛合金的发现和命名,1791年，英国矿物学家和化学家William Gregor首次发现了钛元素的存在。四年以后，德国柏林化学家Martin Klaproth独立地分解出了氧化钛。希腊神话中Uranos和Gaia的孩子们Titan兄弟的故事赋予了Martin Klaproth灵感，将其命名为钛（Titanium, Ti) . Titan兄弟遭到他们父亲的极端憎恨，被监禁在地壳中，Martin Klaproth以此来形容提炼钛矿石的困难程度。后人花了一百多年的时间才分解出纯金属钛。目前使用最广泛的Ti-6Al-4V合金，是在20世纪40年代晚期

2、由美国开发出来的。现在，人们已经开发出了大量的钛合金，从而开辟了轻合金在许多工业领域中得以广泛应用的新局面。,目录,1 钛资源及钛产品的冶炼生产2 工业纯钛3 钛合金及合金化原理4 钛合金的相变及热处理5 钛合金的高温性能6 钛及钛合金的加工和制品生产7 粉末冶金钛及钛合金复合材料8 钛及钛合金的腐蚀性能9 钛合金的应用,1 钛资源及钛产品的冶炼生产,1.1 钛资源的分布及特点 金属元素钛在地壳里的分布广泛，其含量是地壳质量的4还要多一点，世界储量约34亿吨，在所有元素中含量居10位。 钛在自然界中主要以氧化物的形式存在，目前已发现含钛矿物有100多种，除金红石外，还有白钛矿、铁钛矿、钙钛矿等

3、。金红石含TiO2在95%以上，是提炼钛的重要矿物原料，但在地壳中储量较少。白钛矿含TiO2为70%92%。钛铁矿、钙钛矿含TiO2一般为35% 52%，但是其储量非常大，是生产金属钛和钛白粉的主要原料来源。,提取金属钛的主要原料含钛矿石，根据其形成的过程，主要分为岩矿和砂矿两大类：岩矿：原生矿，结构比较致密，储量较大，但多复合共生物，所以钛矿物的品味较低，提取难度较大。主要出现在北半球，如：中国，美国，加拿大，俄罗斯等国家。砂矿：次生矿，结构比较疏松，由于多年的风化和水流的冲刷，矿物相对富集，品味较高。主要出现在南半球，如：澳大利亚，新西兰，肯尼亚，莫桑比亚，印度等国家。 需要特别指出的是，

4、我国攀枝花-西昌地区蕴藏着极为丰富的钒钛磁铁矿，开发和合理利用它，对于发展我国的钛工业意义重大。,1.2 富钛料的生产,富钛料：是指铁钛矿等钛精矿（选矿后获得）经过富集处理后获得的含钛品位较高的物料，其TiO2含量一般大于85%（质量分数）。主要包括人造金红石和高钛渣。背景：钛产品主要分为两类：海绵钛和钛白粉。随着金红石和高品味钛铁矿的大量开采和使用，其资源已逐渐枯竭，而社会对钛产品的需求量有增无减，这迫使人们去利用中、低品位含钛矿物。这些矿物TiO2含量低，含大量杂质，无法适应现行的海绵钛和钛白粉生产工艺，因此，生产中需要将含钛矿物作进一步富集处理，成为富钛料。,原理：钛铁矿成分复杂，理论分

5、子式为FeTiO3，它实际上是FeO-TiO2组成的固溶体，属于一般的刚玉结构。在与某种试剂作用时，由于铁的氧化物比钛的氧化物更活泼，更容易与试剂反应而被去除，而钛的氧化物比较稳定，往往被富集在残渣中。 基于此，在生产富钛料的工艺中一般都需对钛铁矿进行预氧化处理，即利用氧气或空气预先将钛铁矿中的Fe2+氧化成Fe3+，这样有利于提高钛铁矿的还原性。（见下页，图1-1）,以火法为主：多见于岩矿，比较成熟，包括电炉熔炼法、选择氯化法、等离子法等；以湿法为主：多见于砂矿，包括各种各样的酸、碱浸出法。,工艺,电炉熔炼法,特点：工艺成熟，简单，三废少，但能耗大。主要工艺：以无烟煤或石油焦作还原剂，与钛铁

6、矿粉经过混捏、造球，然后在矿热式电弧炉内16001800高温下进行还原熔炼。产物：凝聚态的金属钛和钛渣（TiO2含量90%）。主要副产品为金属铁和电炉煤气。,酸浸法,特点：有效除杂，但三废量大，副流程复杂。主要工艺：先对钛铁矿进行不同程度的还原，然后用酸作浸出剂，浸出钛铁矿中的还原产物，制取人造金红石。典型发法有石原法、Benilite法、Murso法。产物：TiO2含量为90%96% 的高品位人造金红石。,选择氯化法,特点：生产过程实现了氯气的再生利用，对废气也进行了再氧化，这样减轻了环境污染，并降低了成本。主要工艺：利用钛铁矿中铁的氧化物更易于与氯气反应，通过条件的控制来实现铁与钛的分离制

7、取TiCl4，以生产人造金红石。产物：人造金红石,1.3 钛白粉的生产,钛白粉：化学式TiO2，晶型有锐钛型（A-TiO2）和金红石型（R-TiO2）两种工业产品。它是最好的白色颜料，还是塑料、造纸业的重要原料。生产方法：硫酸法：既能生产金红石型钛白粉也能生产锐钛型钛白粉，为传统工艺，废料（硫酸亚铁）处理问题尚未很好解决。氯化法：只能生产金红石型钛白粉，目前世界上60% 以上的钛白粉由此种发法生产，正在不断取代。,1.4 海绵钛的生产镁热还原法 TiCl4和Mg在800-900度真空反应TiCl4 电解法TiO2电解还原 阴极还原驱赶TiO2中的氧,2 工业纯钛（纯度约为99.5%）,2.1

8、基本性质物理性质：纯钛是银白色金属，位于周期表B族。,表2-1 钛的基本物理性能数据,力学性能：兼有钢（强度高）和铝（质地轻）的优点。高纯钛具有良好的塑性，但杂质含量超过一定时，变得硬而脆。工业纯钛(99.5%)与高纯钛（99.9%）相比强度明显提高，而塑性显著降低。 工业纯钛在冷变形过程中，具有极高的冷加工硬化效应，没有明显的屈服点，其屈服强度与强度极限接近。由于钛的屈强比较高，弹性模量小（约为铁的54%），成形时回弹量大，冷成形困难。这使得钛合金能作为弹性材料使用。但是高弹钛合金多属（或近 ）合金，具有六方结构，其物理性能呈现强的各向异性，如弹性模量绕轴呈对称分布，轴方向的弹性模量为143

9、13GPa，底面各取向的弹性模量为10414GPa，这对合金的设计和使用有影响。,化学性能：钛的耐腐蚀性很好，虽然钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大，但是因为钛和氧的亲和力大，在空气或含氧介质中，钛表面生成一层致密、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不受腐蚀，即使受到机械磨损，也会很快自愈或再生，这表明钛是具有强烈钝化倾向的金属。对海水的抗腐蚀性很强。,2.2杂质元素对钛性能的影响O, N, C ：提高 转变温度，扩大相区，是稳定的元素。占据钛原子间隙位置形成间隙固溶体，钛晶格畸变阻碍位错运动，产生固溶强化；同时，钛晶格的c轴增加多，a轴增加少，致使长短轴比

10、c/a增大，当其接近理论值1.633时，钛的滑移系减少，从而塑性降低。因而需限制它们的含量。：是稳定相的元素,钛在400以上大量吸氢，会引起氢脆。,Fe, Si：与钛形成置换固溶体，过量时形成脆性化合物。,2.3 钛的组织与结构特征,纯钛的组织,500:(a)等轴晶粒组织 ;(b)条状的组织;(c)呈锯齿状晶界,等轴晶粒组织 :铸锭经加工变形后,在相变点以下退火,再结晶后得到条状的组织:缓冷时得到呈锯齿状晶界:缓慢冷却退火后或者快冷,2.4 钛的加工变形特性,纯钛的变形特点 变形模式:滑移+孪生. 滑移面:10-10,10-11,0001;滑移方向:11-20. 低温变形和循环变形过程中,孪生

11、显著并对变形起到重要作用,纯钛多晶材料的孪晶系:10-12,11-21和11-2-2.,2.5 工业纯钛的牌号及性能,牌号:我国采用的是新国家标准,TA为型钛合金,数字表示合金的序号,序号增大钛的纯度降低.,性能:工业纯钛实质上是一种低杂质含量的钛合金,其强度不高,塑性好,耐腐蚀性好,抗氧化性优,但耐热性较差.,3 钛合金及合金化原理,3.1 钛合金相图类型及合金元素分类钛合金二元相图(归纳为4类),钛的二元系相图,:和钛形成连续互溶的相图.这种二元系只有两个,即Ti-Zr和Ti-Hf系. Ti,Zr,Hf在周期表中是同周期元素,其外层电子构造一样,点阵类型相同,原子半径相近,故而这两个元素在

12、和钛中的溶解能力相同,对和钛的稳定性影响不大. Zr常作为热强钛合金的组元,另外Zr的加入可强化相,目前应用较多.而Hf十分稀缺,尚未应用.,:与和均有限溶解,并且有包析反应的相图.这样的二元系有4个:Ti-V,Ti-Nb,Ti-Ta和Ti-Mo系. 由于V,Nb,Ta,Mo四种金属只有一种体心立方点阵,所以它们只与具有相同晶型的-Ti形成连续固溶体,而与密排六方点阵的-Ti形成有限固溶体. V:属于稳定相的元素,在Ti-V系中无共析反应和金属化合物相,这样,在与加热有关的工艺过程有误时,不致产生脆性. Nb:属于稳定相的元素,但作为稳定剂的效应比V低很多. Mo:稳定化效果最大,其添加有效提

13、高了室温和高温强度,同时还使含铬和铁的合金的热稳定性提高.但是Mo熔点高,与钛不易形成均匀合金.,钛的二元系相图,:与,均有限溶解,并且有包析反应的相图.形成这类的二元系有:Ti-Al,Ti-Sn,Ti-Ca,Ti-B,Ti-C,Ti-N,Ti-O等.,钛的二元系相图,:与,均有限溶解,并且有共析分解的相图.形成这类相图的二元系有:Ti-H,Ti-Cr,Ti-W,Ti-Fe等.,钛的二元系相图,合金元素分类稳定元素:能提高相变温度的元素,它们在周期表中的位置离Ti较远,与钛形成包析反应.这些元素的电子结构,化学性质与钛的差别较大.如:Al.,(2) 中性元素:对Ti的元素转变温度影响不明显的元

14、素,如Zr和Sn,(3) 稳定元素:降低Ti 转变温度的元素,又可分为, 同晶元素:如V,Mo等,在周期表上的位置靠近Ti,具有与-Ti相同的晶格类型,能与-Ti无限互溶,而在-Ti中溶解度有限., 共析元素:如Mn,Fe,Si,Cu等,在和钛中具有有限溶解度,但在钛中的溶解度大于在钛中的,以存在共析反应为特征.,3.2 合金元素对钛合金组织结构和性能的影响起固溶强化作用.提高室温抗拉强度最显著的是Fe,Mn,Cr,Si.升高或降低相变点,起稳定相或相的作用.添加稳定元素,增加合金的淬透性,从而增强热处理强化效果.Al,Sn,Zr有防止脆性相形成的作用;稀土可抑制2相析出; 同晶元素有组织相共

15、析分解的作用.Al,Si,Zr,稀土元素等可改善合金的耐热性.Ru,Pd,Pt等提高合金的耐蚀性和扩大钝化范围.,3.3 钛合金的分类及牌号,分类按退火组织分为：钛合金：退火组织以钛为基体的单相固溶体的合金。高温性能好，组织稳定，焊接性能好，是耐热Ti合金的主要组成成分，但常温强度低，塑性不够高。钛合金：含稳定元素较多的合金。目前工业上应用的合金在平衡状态均为（ + ）两相组织，但空冷时，可将高温的相保持到室温，得到全组织。其塑性加工性能好，是发展高强度合金的基础，但组织不够稳定，冶炼复杂。 + 钛合金：退火组织为+ 相的合金。常温强度高，中等温度的耐热性也不错，但组织不稳定，焊接性能良好。是

16、当前应用最多的钛合金。按性能特点分类：可分为低强，中强，高强，低温，铸造及粉末冶金钛合金等。,牌号,4 钛合金的相变及热处理,引言：钛合金中可以发生多种固态相变，不同的相变导致形成不同的组织，而组织决定性能。故而了解和掌握合金中的相变规律意义重大。4.1 同素异晶转变其是钛合金中各种相变的基础。纯钛的转变过程容易进行，相变是以扩散方式完成的。当冷却速度大于200/S时，以无扩散发生马氏体转变，试样表面出现浮凸，显微组织中出现针状。,具体相变过程可用图4-1说明。,与铁的同素异晶相比，钛和钛合金的同素异晶转变具有下列特点。新相和母相存在严格的取向关系，如在冷却过程中，相以片状或针状有规则的析出，

17、形成魏氏组织。由于相中原子扩散系数大，钛合金的加热温度超过相变点后， 相的长大倾向特别大，极易形成粗大晶粒。钛及钛合金在相区加热造成的粗大晶粒，不能像铁那样，利用同素异晶转变进行重结晶使晶粒细化。这是因为钛的两个同素异晶体的比容差小，仅为0.17%，而铁的同素异晶体的比容差为4.7%，同时钛的弹性模量小，在相变过程中不能产生足够的形变硬化，不能使基体相发生再结晶。另外，钛进行同素异构转变时，各相之间具有严格的晶体学取向关系和强烈的组织遗传性。,4.2 相在冷却的转变,钛合金加热到相区后，自高温冷却时，根据合金成分和冷却条件不同，可能发生下列转变：+； +TixM y；或， , 相在快冷过程中的

18、转变,马氏体相变：产物：和。：具有六方过渡晶格的过饱和固溶体，称六方马氏体。马氏体的硬度只略高于固溶体。（相稳定元素少，相变阻力小）：具有斜方晶格的马氏体，称斜方马氏体，当合金中出现时，合金的强度、硬度、特别是屈服强度明显下降。（ 相稳定元素含量高，相变阻力大）过程：在快速冷却过程中，由于析出相的过程来不及进行，但是相的晶体结构，不易为冷却所抑制，仍然发生了改变。这种原始相的成分未发生变化，但晶体结构发生了变化的过饱和固溶体是马氏体。,，相的晶体结构之间的关系如下图所示。,相变产物:相,具有六方结构，尺寸很小，在电镜下才能看见，高度弥散。相硬度很高，脆性极大，位错不能在其中移动，能显著提高合金

19、的强度，硬度，弹性模量，但使塑性急剧下降。,过程：主要受合金成分和热处理工艺的影响.当合金中元素的含量在临界浓度附近时,快速冷却,将形成相. 稳定元素超过临界浓度的合金,淬火时不形成相,但可得到亚稳定相,亚稳定相在500以下回火转变为相,称为回火相.回火过程中,亚稳定的相内部发生溶质原子偏聚,使许多显微区域溶质原子富集,相邻的区域则贫化.继续加热时,贫化区的浓度接近临界浓度时即转变为相. 的转变是无扩散型相变,极快的冷速也不能抑制其进行.,过冷亚稳相 当稳定元素含量较高时，淬火後保留结构，称为相，实际上是过冷相。即固溶处理。, 相在慢冷时的转变,对钛合金相变影响最大的是稳定元素。右图示意地表示

20、了Ti - 同晶元素相图。相图中的t0点为纯钛的同素异构转变温度。若相图原点不是纯钛而是钛合金，则t0扩展为一个温区。 相的析出过程是一个形核和核长大的过程,形核的位置,晶核数量,长大速率与合金的成分及过冷条件有关.,图4-13, 钛合金的亚稳相图,退火温度及合金成分决定淬火后的组织.,图4-9,图中,成分为x的合金,分别在tp, tq, tr温度下退火,然后经淬火得到的室温组织各不相同.,将不同成分的合金自不同温度淬火所得的组织类型如下如图4-14所示,根据此图可以预测任何成分的合金自任何温度淬火所得的组织.,图4-14,不同的组织对应了不同的性能. 右图中第一个峰显示合金中有马氏体生成,第

21、二峰显示合金中有相生成.,图4-15,4.3 相的共析转变和等温转变,共析转变,反应形式: 钛与共析元素(如:Cr,Mn,Fe,Ni,Cu,Si,Co等)组成的合金系,在一定成分和温度范围内发生共析反应,即 +TixMy产物组织:类似于钢种的珠光体片层状组织.共析反应速度:合金元素的影响:Ti与Si,Cu,Ag等活性共析元素组成的合金系,共析反应容易进行 且反应极快,淬火都不能抑制其发生;而Ti与Mn,Fe,Cr等非活性共 析元素组成的合金系,共析反应极慢.杂质元素的影响:与-Ti形成间隙固溶体的元素O,N,C降低相的稳定性,加快过冷 相的分解过程;与-Ti形成间隙固溶体的元素H,阻碍过冷相分

22、 解.共析转变对合金性能的影响: 对塑性和韧性十分不利,并降低合金热稳性.,等温转变,C曲线类型:分为高温和低温(450)两部分,产物不同,图4-16,作用:近似的判断连续冷却时合金的组织转变过程和最终得到的组织,图4-17,图4-18,影响C曲线形状和位置的因素:合金元素:随着加入的稳定元素含量的增加,C曲线向右下方移动;若加入稳定元 素(Al,O,N)则促使相形核,加速相的分解,C曲线左移.塑性变形:有利于相在滑移带上析出,加速相分解,C曲线左移.,4.4 时效过程中亚稳定相的分解 钛合金淬火形成的亚稳相、和过冷相，在热力学上是不稳定的，加热时会发生分解，最终的分解产物均为平衡组织+ 。若

23、合金有共析反应，则最终产物为+TixMy，即,在时效分解的一定阶段，可以获得弥散的+ 相，使得合金产生弥散强化，这就是钛合金淬火时效强化的基本原理。,马氏体的分解过程六方马氏体的分解（3种方式）+：含同晶元素的钛合金。 过渡相 +TixMy：含活性共析元素的钛合金，分解过程与铝合金时 效分解类似，整个过程中发生明显的沉淀硬化效应。(3) +TixMy：含非活性共析元素的钛合金，分解过程十分缓慢。斜方马氏体的分解（43种方式）不同成分及状态的合金，其分解的具体过程不同。 亚+ 贫 亚+ + + 富 亚+ + 富+ 贫 亚+ 贫 +,相的分解 相实际上是稳定元素在-Ti 中一种过饱和固溶体，其在回

24、火时发生的 分解 过程与上述的分解过程基本相同。相在原来晶界和/ 相界上不均匀形核，长大并吞食相。 相先溶解，然后从相中析出相。 延长实效时间或提高实效温度， 相逐渐失去稳定性而直接转变为相或相。,亚稳相的分解亚 +：合金浓度较低的合金在高温（500）时效。亚+ + + +：合金浓度较高的合金在低温（300 400）时效。(3) 亚 + + + +：对合金浓度高或添加抑制形成元素 的合金。,由于平衡的相是在相的溶质原子贫化区的位置上形核析出，而溶质原子贫 化区均匀的分布在整个基体上，所以利用低温回火细化或控制合金的组织，改善合金的力学性能。 时效过程中形成的过渡相，结构与性能与淬火形成的相相似

25、，但是其转变伴随着成分的变化，属于扩散型相变。,4.5 钛合金的热处理及其对性能的影响,4.5.1 钛合金的热处理基础 大多数钛合金只是通过热处理控制相变,合金成分,特别是相稳定元素含量以及冷却速度,对相变有重要影响.转变温度和冷却速度对相变产物的影响: TTT曲线 如右图所示,不同的转变温度T1,T2,T3对应的转变过程不同;不同的冷却速度对应的相变过程和产物也有差别.慢冷: + ,相变产物为片层状魏氏组织;快冷:逐步由 + + +过渡到 +;含有较高稳定元素的合金易得到网篮状组织.再增加冷却速度: 亚稳 相或 马氏体相变,图4-19,4.5.2 钛合金热处理的特点概括如下:马氏体相变不引起

26、合金的显著强化.这个特点与钢的马氏体相变不同.钛合金的热处理强化只能依赖淬火形成的亚稳相的时效分解. 应尽量避免生成相.形成相会使合金变脆,正确选择失时效工艺(如采用高一些的时效温度),即可使相平衡分解. 同素异构转变难于细化晶粒. 导热性差. 化学性活泼.钛合金易与氧和水蒸汽反应,在工件表面形成具有一定深度的富氧层或氧化皮,使合金性能破坏.钛合金热处理时容易吸氢,引起氢脆. 相变点差异大.即使是同一成分,但是冶炼炉次不同的合金,其相变点有时差异很大(一般差570).这是制定工件加热温度时要特别注意的. 在相区加热时晶粒长大倾向大. 晶粒粗化可使塑性急剧下降,故应严格控制加热温度与时间,并慎用

27、在相区加热的热处理.以上特点,在钛合金热处理工艺的制定与实施过程中必须给与充分的注意.,在不同的加热,冷却条件下,钛合金中出现各种相变,得到不同的组织.,图4-22,图4-23,图4-25,4.5.3 钛合金的热处理种类理论基础:钛合金的相变强化热处理机理:固溶相的弥散分布种类:退火,时效,化学热处理,形变热处理等,退火 目的是消除内应力,提高塑性及稳定组织.常见的退火方式有去应力退火,再结晶退火,双重退火,真空去应力退火等.,图4-26,表4-2,表4-3,淬火时效利用相变产生强化效果,又称强化热处理.影响热处理强化效果的因素主要有合金成分,热处理工艺和原始组织.,图4-27,图4-28,表

28、4-4,表4-5,形变热处理对工件进行形变使合金强化,将变形和热处理结合起来的工艺.,图4-29,表4-6,表4-7,图4-32,化学热处理 为了改善钛合金的那腐蚀性能,可采用电镀,喷涂和化学处理的方法.化学处理 包括渗N,渗C,渗B,渗金属等 钛合金的化学热处理与钢的化学热处理类似.即采用一定的方法,将待渗元素转变成活性原子或离子状态,在热能或电场的作用下,相工件表面渗透,并扩散至一定的深度,形成一定厚度的渗层,提高合金表面的硬度,耐磨性和耐蚀性.钛合金在热处理过程中的污染问题 钛合金在热处理过程中,当温度高于550600以后,H,O,N,C等间隙元素极易渗入金属表层.O,N渗入后可形成渗层

29、,提高金属的耐磨性,但使材料的塑性和疲劳强度下降,多用作耐磨零件使用.其他用途的零件,表面渗入H,O,N等元素后形成污染层.,5 钛合金的高温性能,5.1 金属高温蠕变现象蠕变和蠕变断裂蠕变：金属在长时间的恒温，恒应力（即使应力小于该温度下的屈服强 度）作用下缓慢的产生塑性变形的现象。蠕变断裂：由蠕变导致的断裂高温材料的力学性能约比温度：T/Tm（T为实验温度，Tm为金属熔点，均采用热力学温度）。当 T/Tm0.5时，为”高“温，反之为”低“温。力学性能：在高温金属力学行为的一个重要特点就是发生蠕变。对于不同的 材料，在相同的约比温度下，其蠕变行为相似，因而力学性能的 变化也是相同的。,蠕变曲

30、线 金属的蠕变过程可用蠕变曲线来描述，典型的蠕变曲线如下图所示。曲线可分为3段：ab段：过渡蠕变阶段，这一阶段开始的蠕变速率很大，随着时间的延长，蠕变速 率逐渐减小，到b点蠕变速率达最小值。bc段：稳定蠕变阶段，这一阶段蠕变速率几乎保持不变，通常所值的蠕变速率， 就是以这一阶段的变形速率（=d /dt）表示。cd段：加速蠕变阶段，随时间的延长，蠕变速率逐渐增大。至d点发生断裂。,图5-2,同一种材料在不同条件下的蠕变曲线是不同的，随应力大小和温度的高低而异。,图5-3,应力松弛 对于在高温下工作并依靠原始弹性变形获得工作应力的机件，如高温管道法兰接头的紧固螺栓，用压紧配合固定于轴上的汽轮机叶轮

31、等，可能随着时间的延长，在总变形量不变的情况下，弹性变形不断的转变为塑性变形，从而使工作应力逐渐降低，以致失效，此种现象称为应力松弛。可以将应力松弛现象视为应力不断减小条件下的一种蠕变过程，这两者的本质是一样的，只是由于外界条件不同而有不同的表现。,5.2 钛合金高温变形时的微结构演变高温钛合金热处理主要方式处理：在转变点以上进行，所得组织为粗大原始晶粒内部析出 一定取向 的片。称为魏氏组织。+处理：在+两相区进行，所得组织为细等轴初生相，分布在 转变相 基体中，也称等轴组织。近锻造：在相变点以下1015加热，变形。变形后快淬的锻件经 两次高温加一次低温的强韧化处理，其组织由一定数量的 等轴初

32、生，条 状构成的网篮和转变基体组成，称为三 态组织。,高温条件下钛合金的组织对于变形行为有重要影响。,表5-1,图5-4,图5-5,图5-6,图5-8,图5-9,5.3 钛合金的高温性能及影响因素,晶粒尺寸的大小以及相的体积分数对高温变形的影响显著,表5-3,图5-12,图5-13,变形温度及变形速度对钛合金显微组织的影响。,图5-16,图5-17,不同蠕变条件下的显微组织观察,图5-21,图5-18,5.4 我国高温钛合金的研究进展,国内研制高温钛合金与国外有较大差距，尤其是在应用方面。国内500以上高温钛合金品种虽多，但目前得到实际应用的只有Ti53311S合金，多数是实验室或半工业试制性

33、的结果。,6 钛及钛合金的加工和制品生产,6.1 钛合金铸锭的制备,钛及钛合金铸锭熔炼方法,图6-1,表6-1,钛及钛合金铸锭制备过程中的问题铸锭的均匀性：易发生宏观和微观偏析。外在夹杂：高密度夹杂和低熔点夹杂。残料的回收熔化：采用消耗电极渣壳熔化方法，可 使使用返回料大100%。,6.2 钛及钛合金的铸造 钛合金难熔且化学性质活泼，在熔融状态下能与几乎所有的耐火材料和气体反应，大大增加了铸造的困难。铸钛的造型材料应具有：高的化学惰性，高的耐火度和抗热冲击性能，材料均匀细致，对水分和气体的吸附能力小，导热性能低，价格低廉和无毒等特点。,表6-2,熔炼铸造方法：主要有自耗电极真空凝壳熔炼和感应加

34、 热熔炼。,图6-2,6.3 钛及钛合金的锻造锻造温度对组织性能的影响 锻造温度以相变点以上50150的区域内进行粗缎，在低于相变点50 150的+区域进行精椴。,表6-9,锻造温度对+钛合金的室温性能和晶粒尺寸的影响见右图。,图6-10,锻造温度对钛合金的室温塑性和晶粒尺寸有类似的影响。,图6-11,钛合金的锻造工艺特点变形抗力大导热性差黏性大，流动性差,钛合金锻造的分类 钛合金的锻造可分为开坯锻造，自由锻造，模锻，旋锻，等温模锻，冷模锻等。,图6-15,7 粉末冶金钛及钛合金复合材料,7.1 粉末冶金钛 钛材加工生产工艺复杂，成材率较低，成产过程中产生 大量残钛。而粉末冶金钛工艺流程短，可

35、直接制取成品或接近成品尺寸的零件，能大幅降低钛制件成本。此外，有些钛制品，如难溶氧化物弥散钛合金，高镁含量的钛合金，高难溶粗粉的钛合金，储氢钛合金和快速冷凝钛合金等，只能用粉末冶金工艺制造。,表7-1,钛粉末冶金制品的应用,钛粉末冶金制品应用广泛，涉及许多领域以及国民经济的各个部门。,钛多孔过滤材料：由于既具有一般金属过滤材料的强度高，过滤精度高，耐高温，体积小，易再生等优点，又具有优异的耐蚀性，因而在化工，冶金，电力，食品，饮料，医疗和环保等部门得到了广泛应用,钛多孔过滤器,7.2 钛基复合材料 钛基复合材料（TMC）具有比钛合金更高的比强度和比模量，极佳的疲劳和蠕变性能，以及优异的高温性能

36、和耐蚀性能。它克服了原钛合金耐磨性及耐燃性差，弹性模量低等缺点；它可成形形状复杂的零部件，减少了废料和机械加工损耗；TMC可用作高温，高压，酸，碱，盐等条件下的结构材料，并大幅度的降低了成本，故被认为是能够改变钛性能和扩展材料应用的一代新材料。,图7-2,表7-2,分类：按照增强剂特征，分为纤维增强钛基复合材料和 颗粒增强钛基复合材料。,表7-3,钛基复合材料的制备,表7-4,表7-5,图7-5,8 钛及钛合金的腐蚀性能,8.1 工业纯钛腐蚀原理8.1.1 工业纯钛耐蚀原理 在大气和水溶液中，钛表面会形成一层保护很好的氧化膜，使之处于钝态，为防止其他元素进入钛基体提供了有效的保护。8.1.2

37、钛的耐腐蚀性能钛在氯化物及有机介质中的耐腐蚀性能 钛材在中性或酸性的氯化物溶液中有高度的稳定性。钛在湿氯气中的耐蚀性超过其他常用金属。,表8-1,钛在酸溶液中的耐腐蚀性能 在稀盐酸、硫酸、和磷酸中，钛溶解的比铁缓慢得多。随着浓度的增加，特别是在温度升高时，钛溶解的速度显著加快。钛在碱中的耐腐蚀性能 在稀碱溶液（浓度低于20% ）中，钛是稳定的；在较浓的碱溶液中，特别当加热时，它缓慢地作用放出氢并生成钛酸盐。,表8-2,8.1.3 影响钛耐腐蚀的因素杂质的影响：Fe，O，C，N，Si等杂质对钛的耐腐蚀性能有 影响，其中Fe的影响尤为显著。热处理的影响：热处理工艺不同对钛的耐蚀性也有很大影响加工工

38、艺的影响：多数情况，加工制造工艺对钛的均匀腐蚀 不发生明显的影响，但是某些加工使金属 的内应力增加或导致组织变化，在一定的 环境中会引起钛腐蚀速率提高。合金元素的影响：在还原性的酸中（如：盐酸，硫酸）， Al、V、Mn、Sn等合金元素使钛的耐蚀性 降低。而在硝酸这类氧化性酸中，合金元 素的影响较小。,8.2 钛及钛合金的腐蚀形态缝隙腐蚀：在构件缝隙处，由于电介质的滞流形成某种 电化学电池引起的局部腐蚀现象。点蚀：金属表面上个别有限部位迅速溶解并向深处发 展，而表面其他部位仍处于钝化状态。易发生在 有缝隙的部位。应力腐蚀：金属在应力和腐蚀介质的同时作用下，往往 在明显低于材料屈服强度和表现很小延

39、性时突 然断裂。,电偶腐蚀：异种金属在电解液中接触时，由于稳定电位 不同引起的腐蚀现象。吸氢和氢脆：钛合金容易吸氢，少量吸氢即可导致材料 脆化。高温腐蚀：高温降低钛的耐腐蚀性能。磨损腐蚀：由于腐蚀流体和金属表面间的相对运动引起 金属的加速破坏或腐蚀现象。,9 钛合金的应用,航空部门的应用,荷兰公司为F-16开发的钛合金起落架,飞机活动腹鳍前接头,飞机发动机,中国第一座原子反应堆回旋加速器,飞机钛合金接头,化工部门的应用,化工泵,钛螺旋管,钛合金石油测井仪器,钛合金的料架和料盘,医药领域,医疗器械心脏瓣膜牙科整形外科骨折手术,医疗器械,矩形钛质颈椎椎间融合器 旋转镍钛器械 体外取结石钛镍记忆合金

40、医疗器械 钛镍记忆合金医用缝合线钛镍记忆合金肠道吻合器,心脏瓣膜,薄型超轻钛碳心脏瓣膜钛制作心脏起搏器镍钛合金人工心脏瓣膜、心室,牙科,Ni-Cr-Ti合金烤瓷牙 锤造超薄钛支架基托纯钛人工牙种植体人造牙根、牙列矫正丝及牙套 可摘局部义齿,车辆工程,在汽车底板上的应用在动力系统上的应用,在汽车中使用钛可减轻质量,降低燃料消耗,提高汽车的性能。据资料介绍,每降低10%的车体质量就可以减少10%废气排放量及节省7%的燃料消耗,因此,汽车的轻量化将会起到节能、环保的双重功效。,常用汽车零件材料在性能上的比较,显然，当零件基于最佳刚性设计，则钛因弹性模量较低而不合适；如果基于轻质考虑，则选用铝或镁更加

41、合适 。由于车身是基于最大可能的扭曲和弯曲刚性设计的，从而钛主要在底板和动力系统中具有潜在的应用前景。,汽车底板,底板除了单纯减重外还直接影响驾驶舒适性。许多底板零件特别适合用钛。但价格依旧是它们应用的主要障碍,黑色STI钛纤维护底板,动力系统,动力阀是轻质结构材料在动力系统上一引人注目的应用。采用轻质阀可以减重，这对降低能耗和提高发动机性能具有积极作用，同时可以实现二次减重例如采用更轻的阀簧。,体育器材,用Ti-3Al-2.5V合金无缝管制作的高尔夫球棒、棒头，在美国和日本深受体育爱好者的欢迎。此外，钛体育用品还有网球拍、滑雪杖、雪铲、登山冰杖、登山钉、雪橇、击剑防护面罩、钓鱼杆、鱼线以及用作田径赛跑鞋用的注射成型Ti-Fe系鞋底钉等。,钛合金网球排,钛制Big Bertha：Callaway全新发球木和球道木,谢 谢 大 家,