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1、目录1 前言11.1 课题背景11.2 课题的目的和意义22 文献综述32.1 纯钛的性能及特点32.2 钛合金的概念及分类52.3 钛合金的特点及应用62.3.1 钛合金的特点62.3.2 钛合金的应用72.4 TC4合金的组织及性能92.4.1 TC4合金的组织92.4.2 TC4合金的基本性能112.4.3 TC4 合金基本相的组成122.5 国内外钛合金研究进展122.6 钛合金的热处理152.6.1 钛合金热处理的分类152.6.2 钛合金固溶时的相变162.6.3 钛合金时效时的相变172.6.4 钛合金固溶时效条件选择192.6.5 TC4钛合金的固溶时效工艺203 研究内容及研
2、究方案213.1 研究目标213.2 研究内容213.3 研究方案及技术路线213.3.1 固溶时效实验213.3.2 拉伸实验223.3.3 金相实验223.3.4 显微硬度233.4 技术路线233.5 课题难点234 研究工作计划及时间安排24参 考 文 献251 前言1.1 课题背景钛是一种具有优异物理机械性能和耐化学介质腐蚀的金属。与其它金属相比，它有许多可贵的优点，这些优点使其在国民经济各部门中具有特殊用途。钛的熔点高，比重小，仅为钢的57%，强度高，超过高强度钢和铝合金，具有良好的热强稳定性、低温韧性、高耐蚀性和优良的工艺性能。这种少有的综合性能使钛成为现代技术最有前途的结构材料
3、之一。此外，钛在地壳中的蕴藏量极为丰富，其含量占地壳重量的0.61%，在所有元素中占第十位，在金属中仅次于铝、铁、镁占第四位，比常见的铜、锌、铅、锡和镍的蕴藏量总和还多。这些特点，使钛深得世界各国的普遍重视，因而发展也很快。虽然钛的价格目前仍较高，但基于它的特性，在很多场合下，采用钛在经济上是有利的。对于某些特殊生产，钛是可以用来制造设备的最理想的金属材料1。钛合金具有比强度高、高温性能好、防腐蚀能力强的优点，在航空航天等领域得到了广泛的应用。目前钛合金开发和应用的重点仍然是航空航天工业的结构件。钛合金具有强度接近中强度钢而且密度小的特点，代替结构钢和高温合金，能大幅度减轻结构重量，还具有耐热
4、性能好的特点，因此在飞机的高温部位(如后机身等)，可取代因高温使用性能不能满足要求的铝合金。在400-500范围内，钛合金比持久强度、比蠕变强度和比疲劳强度都明显优于耐热不锈钢。钛合金和飞机上大量使用的复合材料的强度、刚度匹配较好，同时由于两者电位比较接近，不易产生电偶腐蚀，相应部位的结构件和紧固件宜采用钛合金作为结构件，因此钛合金是当代飞机和发动机的主要结构材料之一，其应用水平是衡量武器装备先进程度，影响武器装备战备性能的重要方面。由于这些优点，从50年代开始，在较短的时间内，钛工业得到了迅速的发展，钛及钛合金已广泛应用于航空、航天、化工、石油、冶金、电力、舰船及医疗器械等行业，被誉为“现代
5、金属”、“第三金属”、“战略金属” 2-3。随着我国钛工业生产规模的不断扩大，产量逐年增加，冶炼和加工技术的改进，在满足国防军事工业需要的同时，从1972年起，钛在石油化工、冶金、轻工、机械、仪表、医疗卫生等方面也得到了越来越多的应用，并取得了良好的使用效果，在这些民用工业中享有很高的声誉，钛材在我国民用工业生产中的应用已经有了良好的开端。我国钛资源极为丰富，居世界前列，发展钛工业有着雄厚的物质基础。建国以来，我国的钛工业从无到有，从小到大，发展迅速，现在已形成初具规模的体系。钛加工材也有较大幅度的增长，品种不断增加，质量不断提高，这为钛合金材在国防工业、尖端技术以及国民经济各部门中更广泛的应
6、用开拓了广阔的前景4。1.2 课题的目的和意义钛合金材料是航空航天工业的“脊柱”之一，钛合金由于具有比强度高、耐腐蚀性好、耐高温等优点，可进行各种方式的零件成形、焊接和机械加工，被用于制造飞机上各种零件，小至螺钉、螺母等紧固件，大至机身骨架、隔框等结构件。其质量直接决定了其所装备的机械设备可靠性的高低、精度的大小、性能的好坏以及使用寿命的长短。钛合金的广泛应用及其要面对的不同工作环境要求其必须有良好的物理化学性能以满足其服役的要求，而热处理工艺决定了钛合金的性能，因此，钛合金热处理工艺的研究显得尤为重要。传统的TC4钛合金冶金工艺周期长、能耗大，阻碍其广泛的应用。锻造方法制得的钛合金零部件虽力
7、学性能较好，但零部件加工成本高，难以制成形状复杂的零件，铸造虽可以减少材料浪费，获得形状相对复杂的零件，但是在铸造过程中，零部件容易产生成分偏析、缩孔、缩松等铸造缺陷，从而导致铸造制得的零件力学性能不好。（热处理的作用、好处）钛合金的性能与它的微观组织形貌有着密不可分的关系，而微观组织形貌取决于合金的热处理工艺，而TC4钛合金对热处理的条件比较敏感，因此研究TC4钛合金的热处理工艺对其组织和性能的影响可以优化TC4钛合金的热处理工艺，得到改善TC4合金性能的方法。通过对钛合金在不同热处理工艺条件下组织和性能的研究，为质量控制的部分关键问题的分析与研究提供理论依据及实验数据，对其热处理工艺进行优
8、化，据此提出合理的生产方案和控制措施。用理论指导生产实践，用生产实践来检验和修正理论，不断提高钛合金的使用性能。2 文献综述2.1 纯钛的性能及特点钛的矿物在自然界中分布很广，处于分散状态，主要形成矿物钛铁矿Fe-TiO、金红石TiO2及钒钛铁矿等，约占地壳质量的0.6%，在金属界里排行第七。含钛的矿物多达70多种，在海水中含量是1g/L，在海底结核中也含有大量的钛。钛的基本性质主要包括以下几个方面。1）物理性能钛在周期表中属B族元素，原子序数为22，相对原子量为47.9。钛有两种同素异构晶体，在转变温度882.5以下为密排六方晶格的-Ti，点阵常数为：a=0.295nm,c=0.468nm,
9、 c/a=1.587。882.5以上为体心立方的-Ti，点阵常数为：a=0.332nm。相属于低温相，相属于高温相。钛在淬火时相能够发生马氏体相变，即使非常大的过冷度也不能抑制5。表2-1 钛的基本物理性能名称数值相对原子质量47.9原子半径/nm0.415-Ti-Ti相变潜热（kJ/mol）3.47熔化温度/oC16685热导率/W/（mk）22.08线膨胀系数/K-17.3510-6电阴率/4.210-8超导率转变温度/K-10.5比密度4.5059（20），4.35（870），4.31（900）钛的密度为4.51g/cm3，只相当于钢的57%，介于铁、铝之间，属于轻金属。弹性模量低，熔点
10、较高，导电系数和线膨胀系数均较低。钛在室温下比较稳定，但在高温下却很活泼，因此需在真空或惰性气体中熔炼。钛在550以下能与氧形成致密的氧化膜，具良好的保护作用，但在800以上氧化膜会很快分解，使钛很快被氧化。钛与多种非金属元素都能形成稳定的化合物，例如氧化物，氢化物，氮化物等，以及与其它金属元素形成金属间化合物；气体例如氮、氧、氢还可以固溶于钛中6。2）力学性能室温下纯钛的晶体结构为密排六方结构。其点阵长短轴比c/a1.633，室温变形时主要以1010柱面滑移为主，并常诱发孪生；钛同时兼有钢（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。工业纯钛在冷变形
11、过程中，没有明显的屈服点，其屈服强度与强度极限接近，在冷变形加工过程中有产生裂纹的倾向。工业纯钛具有极高的冷加工硬化效应，因此可利用加工变形工艺进行强化。当变形度大于20%30%时，强度增加速度减慢，塑性几乎不降低。钛的另一个特点是在高温能保持比较高的比强度。作为难熔金属，钛熔点高，随着温度的升高，其强度逐渐下降，但是，其高的比强度可保持到550600。同时在低温下，钛仍具有良好的力学性能：强度高，保持良好的塑性和韧性。工业纯钛在-196下的拉伸和低周循环疲劳实验结果表明，变形后的强度较之室温拉伸变形有了明显提高，同时塑性也有明显增加，但其循环变形具有循环硬化特性并伴随有大量的孪晶生成，从而显
12、示出低温循环疲劳在微观结构演化上可能与室温的情况不同，室温循环疲劳中位错的行为起了关键性的影响。表2-2列出了工业纯钛的低温力学性能。 表2-2 工业纯钛的低温力学性能温度/oC/MPa/MPa/%/%205204002459-1969907504468-25312809002964-269121087035583）化学性能 工业上大量应用的工业纯钛纯度约为99.5%，钛在淡水和海水中有极高的抗蚀性，在海水中的抗蚀性比铝合金、不锈钢和镍其合金都好。钛与氧形成高化学稳定性的致密的氧化物保护膜，因而在低温和高温气体中具有极高的抗蚀性。在室温条件下，钛不与氯气、稀硫酸、稀盐酸、硝酸和铬酸作用，在碱溶
13、液和大多数的有机酸和化合物中抗蚀性也是很高，但能被氢氟酸、磷酸、熔融碱侵蚀。2.2 钛合金的概念及分类钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金，钛是同素异构体，钛的相变温度为882，低温稳定的相被称为钛（-Ti），晶体结构为密排六方；将相变点以上的高温稳定相称为相或钛（-Ti），其晶体结构为体心立方晶格。钛的塑性变形与钢铁等具有立方晶格的金属相比，有很多共同点，比钛的成形性要好。但是对于纯钛来说，在室温附近是得不到相的。通过选择稳定型合金元素，并对合金含量进行控制与调整，可以得到在室温下也很稳定的相，或通过热处理得到残留的相。这种型钛合金不仅加工性能好，而且具有一定的强化效果。近年来为了提高钛合
14、金制品的生产效率、降低成本，型钛合金引起人们的重视。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。室温下，钛合金有三种基本组织，钛合金也就分为以下三类：合金，合金和(+)合金。中国分别以TA、TB、TC表示。 （1）钛合金它是相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500600的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温下强度不高。 （2）钛合金它是相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，固溶、时效后合金得到进一步强化，室温下强
15、度可达13721666MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。 （3）+钛合金它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行固溶、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50%100%；高温强度高，可在400500的温度下长期工作，其热稳定性次于钛合金。钛合金的类型及其材质的特点见表2-37-8。表2-3 钛合金的类型及其材质的特点型近型+型型工业纯钛Ti-5Al-2.5SnTi-8Al-Mo-VTi-6Al-2Sn-4Zr-2MoTi-5Al-5Sn-2Zr-2Mo-SiTi-6Al-4VTi-6Al-2Sn-4Zr-
16、6MoTi-4Al-4V-2SnTi-3Al-8V-6Cr4Mo-4ZrTi-11.5Mo-6Cr-4.5SnTi-15Mo-5Zr-3AlTi-13V-11Cr-3Al焊接性好，拉伸塑性高，热稳定性好，耐蚀，强度低具有最高的蠕变抗力，焊接性及热塑性良好，耐热性好，拉伸塑性较低高温强度高，耐热，焊接性不如近型钛合金，室温强度中等，淬透性差最高的室温强度，冷成形性好，良好的断裂韧性，淬透性好，耐热性差2.3 钛合金的特点及应用2.3.1 钛合金的特点（1）比强度高钛合金的密度仅为钢60%左右，而一些高强度钛合金的强度超过了许多合金结构钢。因此钛合金的比强度远大于其他金属结构材料，目前飞机的发动机
17、构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。（2）热强度高钛合金的使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度，可在450500的温度下长期工作，钛合金在150500温度范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150时比强度明显下降，钛合金的工作温度可达500，铝合金则在200以下。（3）抗蚀性好钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗腐蚀性远优于不锈钢，对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强，对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛合金对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。（4）低温性能好钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好，间隙元素极低的钛
18、合金,如TA7，在-253下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。（5）化学活性大钛的化学活性大，与大气中氧气、氮气、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2%时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；在600以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。（6）导热系数小，弹性模量小钛的导热系数约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%。钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为
19、不锈钢的23倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损9。2.3.2 钛合金的应用人们把钛及其合金的优点概括起来，把它称为“太空金属”、“海洋金属”。又因其在20世纪50年代初才开始工业化，人们又把它称作“21世纪的金属”、“新金属”10。它在国民经济的各个领域，特别是高技术领域得到越来越广泛的应用。钛和钛合金的主要消费领域首先是航空工业。20世纪80年代，美国航空工业用钛占钛材料总用量的74.8%，俄罗斯、英国等也主要用于航空工业，日本作为战败国，90%的钛材用于民用工业。近年来，钛材在非航空航天工业中的应用不断增加，甚至美国也超过了30%。军事应用较之冷战年代虽有下降（见表2-4、表2-
20、5）但仍然保持极高的水平。从美国的消费格局来看，航空航天仍居“主打”地位。按目前钛加工材料的世界消费水平为每年大约6万吨计，美国几乎独占世界总需求的1/2。鉴于锻造过程既降低锻件的材料用量又能减少其后的机加工量，故美国的钛材多为锻造产品。从1952年钛在道格拉斯DC-7班机上用作发动机短舱和融火壁开始，至今许多飞机的结构件均已使用钛合金制造。钛的第二项应用领域与其抗蚀能力相关。其中用量最大的是作氯碱生产的电极材料。钛阳极使用寿命为石墨阳极的10倍，使产能提高近一倍，节电15%。年产1万吨苛性钠，约需5吨钛。其次，在船舶制造中，钛也曾有过昔日的辉煌。前苏联制造的几艘3000吨级核潜艇中，艘用钛量
21、最高达560吨。近年来，在海洋油气勘探与开发方面，钛则显示了巨大的威力，仅19971999年期间，欧洲要北海油气开发方面就投入了150亿美元，用于建造21个悬浮式生产作业船和64个平台。表2-4 世界钛材消费量 单位：吨消费领域1992年2005年民用航空航天20,00018,00027,000工业部门25,00032,00041,000军事部门6,0007,0009,000新应用6,00014,00027,000共计57,00071,000104,000表2-5 美国钛锻造产品的出厂量 单位：吨市场1996年1997年1998年1999年军用航空航天3,7003,6004,2004,500民
22、用航空航天10,70014.60014,40013,400与耐腐蚀相关的工业7,8006,8006,8007,000新兴产业4,1002,5003,8004,000总计26,30027,50029,20029,600在能源工业中，常常用钛作发电装置的冷凝器和热交换器，如我国台州电厂、上海金山热电厂和镇海发电厂的发电机组都选用了钛管冷凝器。近年来在地热开发方面，钛合金也大展风采，充分显示了自身的抗蚀能力。估计今后十年世界稳中有降的地热开发用钛量可能达到2400吨。可见钛合金在抗腐蚀和能源开采两方面的用量也是不可忽视的。在21世纪，钛合金将在高尔夫球、生物材料和汽车制造三个新的领域得到更为广泛的应
23、用。同时，钛材还应用在如滑雪板、雪橇、冰斧、冰爪等爬山设施方面。钛有极佳的相容性和较低的膨胀系数、高度耐用及无磁性，是极佳的骨骼支撑材料，作为植入髋关节。其重量约为不锈钢的一半，并且骨组织在生长时还可直接粘牢在钛植入体上。据统计，全世界每年医学植入的钛用量在6001000吨之间。所用的钛材为Ti-6Al-4VELi、Ti-6Al-7Nb等钛合金。低成本钛的生产及钛粉末加工技术的发展，已有可能将钛的应用延伸到汽车行业。用钛制造的弹簧已开始在一级方程式赛车、竞赛用摩托车以及最高级的法拉利赛车上应用。估计不久将在轻型汽车的发动机、阀门、连杆、悬簧、排放系统及紧固件上获得应用11。2.4 TC4合金的
24、组织及性能2.4.1 TC4合金的组织TC4合金一般在退火或空冷状态下使用。退火态的TC4合金中相的体积分数约为710%左右. TC4合金(+)/ 相变温度约为9401000，如将此状态合金加热，当加热温度低于900时，的转变量较少，加热至两相区较高温度范围时则转变量增大，空冷时转变为条状a十，称为转变组织，记为C。随着加热温度的提高，初生相(记为0)的数量不断减少，故其晶粒长大不显著。在接近相变点时，的晶粒还要减小。同时，相的晶粒不断长大，温度超过相变点时，晶粒将迅速长大。从相变点以上空冷得到粗大的魏氏组织。在a十两相区加热空冷得到初生和转变组织。加热至两相区炉冷，所得组织与空冷不同。炉冷时
25、由于冷速慢，原子扩散可以充分进行，从相中沿其与初生的的交界面不断析出二次，并与初生连成一片，成为合金的基体，故初生与次生不能分辨。剩余以岛状或网状分布在相晶界上。这种组织称为等轴+。从相区炉冷的组织与空冷组织也不相同。炉冷时片和片都比空冷时粗大的多。合金从相区淬火，得粗大的针状马氏体 组织。从两相区800以上水冷，得初生马氏体，只是淬火温度越低，所得马氏体针越细小.淬火温度低时，相中的钒含量增加，使得马氏体转变终了点降到室温以下，不能全部转变为马氏体，因而有相残留12-15。钛合金快冷时形成的亚稳相在热力学上是不稳定的，时效时要发生分解。分解过程比较复杂，但最终产物均为平衡状态的+。晶内和晶界
26、的相的宽度，随着时效温度的升高呈直线增大16。在分解过程的一定阶段可以获得弥散的+相，使合金得到强化。这是钛合金淬火时效强化的基本原理。钛合金的组织不但取决于相变过程，更与热加工过程有关，仅靠热处理不能显著改变其组织形态。因而，分析钛合金的组织变化，除根据相图外，还必须考虑合金的原始组织。图2-1为钛合金各类组织形貌图，常见组织有下面几种：1）魏氏组织 魏氏组织的特征是具有粗大的原始晶粒，在原始晶界上有连续的相，晶粒内为片状的束域，片间为相。当两相钛合金变形开始温度和终了温度都在相区，变形量又不大时，或将合金加热到相区较慢冷却时，都将得到魏氏组织。冷却速度慢，得到的片状较宽，冷却速度快时，得到
27、窄的片，当工件较薄时可能得到针状马氏体。魏氏组织在原始晶粒不十分粗大的情况下，室温拉伸强度较高，但其塑性较低，尤其是断面收缩率远低于其它组织。魏氏组织突出优点是断裂韧性较高，另外在较快冷却速度状态下，其蠕变抗力及持久强度较高。魏氏组织由于塑性太低，其应用远不如其它类型组织。2）网篮组织 网篮组织的特征是原始晶粒在变形过程中被破坏，仅出现少量的分散颗粒状晶界，原始晶粒内的片较短，片丛尺寸也较小，各片丛交错排列，形成网状结构。两相钛合金在转变点附近经过较大的变形，都可得到这种网篮组织。网篮组织的塑性高于魏氏组织，可满足使用要求，疲劳性能也高于魏氏组织，但断裂韧性却低于魏氏组织。一般大型锻件往往采用
28、网篮组织，因为它的塑性、蠕变抗力和高温持久强度等综合性能较好。3) 双态组织 两相钛合金在两相区上部温度变形，或在两相区变形后，再加热到两相区上部温度而空冷，可得到双态组织。双态组织的特征是在转变基体上分布着不连续的初生颗粒，其数量小于50%。组织中的相有两种形态，一种为等轴的初生，另一种为转变组织中的片状。双态组织的塑性有所改善，具有较高的疲劳强度，缺点是断裂韧性及高温性能不如魏氏或网篮组织，由于在两相区变形，其抗力大，加工困难。图 2-1 钛合金的组织形态4) 等轴组织 两相钛合金在两相区下部变形，可得到等轴组织，其特点是含有较多的初生颗粒，存在一定数量的转变组织，这种组织具有最大的室温塑
29、性和疲劳极限，但其强度及断裂韧性均较低。钛合金淬火形成的亚稳定相、 、及过冷相，在热力学上是不稳定的，加热时要发生分解。分解过程比较复杂，但最终的分解产物均为平衡态的+。在分解过程的一定阶段可以获得弥散的（+）相，使合金强化（弥散强化）。这是钛合金淬火时效强化的基本原理17。2.4.2 TC4合金的基本性能TC4钛合金是应用最广泛的钛合金，此合金具有中等强度和良好的塑性，还具有良好的机械性能和工艺性能（包括热变形性、焊接性、切削加工性和抗蚀性）；当合金中氧、氮控制到低含量时，还能在很低温度下保持良好的塑性。高纯钛的延性和韧性虽好，但强度低，加入适当的合金元素，可明显改善其组织和性能，以满足工程
30、上不同性能的要求。加入钛中的合金元素可分为三类：即稳定元素、中性元素和稳定元素。稳定元素能显著提高合金的转变温度，稳定相。属于该类元素的有铝、氧、氮等。对转变温度影响不明显的元素为中性元素，主要为锆、锡。稳定元素能降低转变温度，稳定相，一类为同晶元素，如钒、妮等；另类为共析元素，如锰、铬、铁、硅等。Ti-6Al-4V是典型的+双相钛合金，Al和V元素都是作为置换式溶质原子溶解于Ti-6A1-4V中形成置换式固溶体。其中Al是相稳定元素，能够提高转变温度，V是相稳定元素，能够降低转变温度，加热或者冷却过程中两相发生相互转变，成份上也会发生变化。钛合金按K 值及退火后组织，可粗略地分为、+ 及型钛
31、合金。钛合金K 值接近零，退火组织基本为等轴相，属于稳定相，其组织变化主要是晶粒大小的变化，因而此类合金不能热处理强化。合金主要含铝等稳定元素，这些元素通过在相变温度下抑制转变或提高相变温度而实现稳定作用。合金具有较好的强度、韧性及焊接性能，具有较好的抗蠕变性能，是高温下使用的首选合金，由于不像 合金存在冷脆性，因而也可在低温下使用。其缺点是可锻性差，容易产生锻造缺陷。+钛合金K 介于0.231.0 之间，退火组织同时具有相及相。相可占10%50%，通过热处理可改变 相的形态和数目，因而合金的性能可在较大范围内进行调节。合金经固溶后在470650时效可在相中析出次生相，即形成转变组织，使相得到
32、析出强化。通过合适的热处理手段，在两相钛合金中就可得到一系列性能不同的材料，两相合金较合金对时效更具敏感性，这是因为时效前合金几乎处于平衡状态，时效不会引起性能的改变；而两相合金中有非平衡组织存在，可通过时效提高强度。两相钛合金具有较高的强度和良好的韧性，尤其是高铝当量的两相钛合金，其高温拉伸强度居所有类型钛合金之首，蠕变抗力及热稳定性也较好，但焊接性不如钛合金。钛合金中含有较多的稳定元素，其K 大于1，因而组织以相为主。该合金可锻温度范围宽，在固溶处理条件下冷成型性好；而且淬透性和热处理响应也好。通过水冷或空冷可得到等轴亚稳相组织，经过时效后分解为弥散分布的相、稳定相或其它第二相，使合金强度
33、大幅度提高，这种合金有最高的室温强度。钛合金的主要缺点是含有较多的共析元素，在长时间加热条件下易析出脆性化合物，加之相具有较高的自扩散系数，固热稳定性较差。钛合金目前主要用于250以下长时间工作，要求成型性好的飞机结构件或紧固件18。2.4.3 TC4 合金基本相的组成在（+）合金中，TC4钛合金应用最广泛。目前使用的钛合金中有50%以上为TC4合金19。TC4化学成分见表2-6。铝是稳定元素。加入的铝主要存在于钛中，形成固溶体，而少量溶于钛形成固溶体。和是TC4合金中的两个基本相组成物。相具有密排六方晶格，相是体心立方晶格。铝对相具有显著的固溶强化效果，提高合金的强度，而不明显降低塑性。因此
34、，铝的加入使合金具有良好的冷、热加工性能。铝比钛轻，加入后不但可增强合金的比强度。同时可以提高氢的溶解度，从而减少合金的氢脆敏感性。此外，铝增加固溶体中原子间的结合力。故提高合金的热强性和弹性模量。但是，铝含量大于7%时，由于合金中出现脆性化合物，而使合金的力学性显著降低，故钛合金中铝含量一般不大于7%。钒是钛的同晶元素，在钛中能无限固溶，而在钛中也有一定的溶解度，因此，钒能起有效的固溶强化作用。在提高合金强度的同时还能保持良好的塑性。表2-6 TC4合金的化学成分 (Wt%)合金元素含量杂质元素含量TiAlVFeSiCNHOBal5.55.83.54.50.300.100.100.050.0
35、150.0152.5 国内外钛合金研究进展（1）BT37合金宇航用钛合金由于大型航空发动机压气机对工作在300350用材的需要，俄罗斯的全俄轻金属研究院研究了同时添加锡和锆来改善BT22铁合金的强度和高温蠕变性能，研制出了性能优于BT22的一种新的航空用钛合金。新合金的名义化学成分为：Ti-5A1-5Mo-5V-1Fe-1Cr-1.7Sn-2.5Zr，被赋予正式牌号BT37。截面尺寸为150200mm的BT37合金模锻件和自由锻造的静强度和疲劳强度比BT3-1合金高25%；固溶强化的BT37合金的静强度和疲劳强度比金属间化合物强化的高温铁合金高2025%以上。用BT37合金来取代传统的BT3-
36、1、 BT6等热强钛合金来制造在300350工作的压气机大尺寸盘和叶片，可使重量减轻20%25%。（2）Timetal 5111船用钛合金美国Timet公司与美国海军联合开发了一种具有强度适中、韧性高、焊接性能好的钛合金，命名为Timetal 5111，其名义化学成分为:Ti-5AI-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si。该合金的突出特点是具有良好的断裂韧性及抗应力腐蚀性能，同时又具有良好的室温蠕变性能。其冲击韧性约为Ti-6AI-4V的3倍，并且易焊接，可以进行大规格型材的焊接，主要用于舰船制造和海洋工程。（3）生物用钛合金最新开发的生物钛合金主要有：Ti-5Al-3Mo-4Zr、T
37、i-6Al-7Nb、Ti-13Nb-13Zr、Ti-35Zr-10Nb、Ti-16Nb-10Hf、Ti-35.3Nb-5.1Ta-7.1Zr、Ti-12Mo-6Zr-2Fe、Ti-15Mo-3Nb、Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr、Ti-15Mo-3Nb-3Al等。为了减少或消除Al、V元素的不利影响，开发了一系列生物用新型钛合金，其中Ti-12Mo-6Zr-2Fe是一种亚稳态合金，与Ti-6AI-4V合金相比，该合金具有较高的强度、断裂韧性，较好的耐磨性，优秀的耐蚀性和较低的弹性模量，适合用于矫形器件。而另一种代表合金Ti-13Nb-13Zr经时效处理后，与退火态Ti-6A1-4V合金相
38、比，有较高的强度、较低的弹性模量及较高的断裂韧性。（4）汽车用钛铝合金日本大同钢铁公司研制成一种新型钛铝合金，将它应用于制造汽车发动机的排气阀，可大大改善发动机的性能。这种新型钛铝合金的成分为Ti-33.5Al-1Nb-0.5Cr-0.5Si，其中加入Nb和Si是为了提高抗氧化性能及抗蠕变性能。该合金与排气阀常用的马氏体耐热钢和镍基合金相比，其突出特点是比重小（只有马氏体耐热钢的一半），而且具有良好的导热性。此外，新合金在较高温度条件下的强度要高用常用合金，而且其蠕变强度也高于镍基合金，同时还具有很好的耐磨性能。（5）高强钛合金俄罗斯研制的VST5553（Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr）作
39、为高强近钛合金可替代BT22和Ti-1023钛合金大量使用在飞机的起落架上，该合金的淬透性更好，其强度和加工性能均优于Ti-6Al-4V。在承压管路系统研制成功一种新的钛合金VST331（Ti-3A1-3V-3Mo-1Zr）其强度比Ti-3Al-2.5V高30%左右。（6）阻燃钛合金Alloy（Ti-35V-15Cr）是美国研制的一种高稳定化的阻燃钛合金该合金具有良好的阻燃性能和力学性能，已在F22飞机的F119发动机中得到实际应用。（7）橡胶钛合金日本丰田中央研究所研发出一种具有超级多功能的钛合金“Gum Metal”（橡胶金属），合金具有超高强（时效处理后强度高达2000MPa）、超低模量
40、（40GPa），室温具有超塑性的特点，合金的弹性变形能力比常规金属高出1个数量级，可达2.5 ，合金在室温下具有极优的冷加工性能，可进行断面收缩率达99.9%的冷加工。（8）低成本钛合金针对钛合金成本比较高，国外研制了成本相对来说较低的钛合金，如采用廉价合金元素设计成功的Ti62S、Ti-LCB、Ti-0.05Pd-0.3Co等，这三个合金均得到实际应用。为改善合金加工特性设计成功的合金有超塑性钛合金SP700、具有较高切削加工性能的DAT52F合金及具有优异冷加工性能的21S等。SP700和21S获得巨大成功和实际应用20-21。国内近15年在高温钛合金、高强钛合金、损伤容限钛合金、阻燃钛合
41、金、船用钛合金、低成本钛合金等方面开展了卓有成效的研究工作，创新研制出较多的新合金，如高温钛合金Ti600、Ti60等，阻燃钛合金Ti40等，高强钛合金TB6、TB8、Ti-B20、Ti-1300等，损伤容限钛合金TC21、TC4-DT等，船用钛合金Ti75、Ti31、Ti-B19、Ti91等，低成本钛合金Ti8LC、Ti12LC等，但与国外相比较，差距主要体现在以下方面：（1）国内钛合金研究水平与国外相当，在某些方面甚至比国外还要强，如在新型钛合金研究方面，国内近10年非常活跃，而国外很少开展新型钛合金研究。（2）国内在钛合金挖潜方面远远落后于国外，如针对典型的TC4合金国外开展了深层次的加
42、工工艺与组织性能关系的研究，改善了TC4合金的性能，扩大了合金的应用，而国内较少开展钛合金的挖潜研究工作。（3）钛的应用技术远落后于国外，军事用钛比例低，民用钛领域相对较窄。（4）基础研究薄弱，原创性和革命性的材料设计、工艺技术少22。2.6 钛合金的热处理2.6.1 钛合金热处理的分类为了改善钛合金的材料特性，需要采用热处理及形变热处理方法对钛合金的组织进行调整。从实用角度来看，通常采用如下的热处理方法。（1）不完全退火不完全退火方法主要用来消除变形加工产生的残余应力，提高加工性能，但合金组织基本不发生变化。退火时间与毛坯尺寸有关系，一般在30分钟至2小时不等，退火后空冷。（2）完全退火完全
43、退火方法的目的是恢复韧性，改善加工性能，稳定产品组织及尺寸形状。退火时间与毛坯截面尺寸大小有关，视具体情况而定。退火后空冷。（3）等温退火等温退火的目的是稳定合金的组织和性能。不仅可以消除变形过程中产生的残余应力，还可以调整钛合金的组织。主要适用于+两相合金。分为两个阶段：（a）将合金加热到低于同素异晶转变温度20160，并在此温度下保温一定时间；（b）将经高温处理的合金，移入温度低于同素异晶转变温度300450炉中，在该温度下后空冷。与简单退火相比，等温退火具有更高的热稳定性、持久强度和塑性。（4）双重退火双重退火的作用与等温退火相同，过程也基本相似，只是经高温处理的坯料，要置于空气中冷到室
44、温，再放入低温处理炉中处理。变形合金进行双重退火时，在第一阶段温度下所进行的过程与等温退火第一阶段一样，即产生多边化与再结晶。由于再结晶的结果，使合金的冷作硬化减小，性能与组织的均一性提高。在空气中冷却时，部分的进行由相到相的转变，但相不具有平衡成分，并在随后的第二阶段温度加热时相内产生分解过程。这样，于促使合金软化的简单退火和等温退火不同，双重退火反而使合金在塑性有某种降低的情况下使强度特性提高。TC4钛合金的双重退火工艺是：940空冷，然后700空冷。（5）再结晶退火在这一退火过程中主要发生再结晶，使加工硬化消除，组织稳定，塑性提高。退火温度介于再结晶温度和相变温度之间。再结晶退火温度应该
45、高于再结晶开始温度，但又不能过高，以免出现晶粒长大。TC4钛合金的+/转变温度为9801010，再结晶温度850950，其再结晶退火工艺采用940后炉冷至480空冷23-25。（6）固溶时效钛合金时效处理是以合金的强化为目的的，经固溶处理后，在适当的温度和时间内进行时效处理，通过强化粒子的析出，提高合金的强度。固溶时效又称强化热处理，是提高钛合金强度指标的重要途径。TC4钛合金固溶时效后，其疲劳寿命和蠕变性能都高于退火，其原因是固溶加热温度较高，容易获得比较均匀的组织，有足于改善塑性和疲劳性能，时效又产生了弥散强化，提高了常温和400以下的热强度。TC4钛合金进行固溶时效，强度可提高20%30
46、%。TC4钛合金的淬透性较差，采用固溶时效的零件截面一般不大于40mm。TC4钛合金属于+钛合金，在850900固溶温度以前，其瞬间断裂强度变化不大，而继续升温时则迅速增大。时效温度和时效时间的选择应以最好的综合性能为准则。为了使钛合金具有较好的热稳定性，可以在使用温度以上进行时效处理，使组织稳定26。2.6.2 钛合金固溶时的相变钛合金自相区较缓慢冷却，视成分不同可分别得到、（+）或组织。但若快冷，则可发生马氏体转变、相变，或将相固定至室温，这也取决于合金的成分。（1）马氏体相变当相中的稳定元素含量较少时，相快冷（固溶）可发生如下转变：与一样具有密排六方结构，但它是相通过共格切变形成的过饱和固溶体。称
