taihejin
钛合金
titanium alloys
以钛为基加入其他元素组成的合金。钛的工业化生产是1948年开始的。航空工业发展的需要,使钛工业以平均每年约 8%的增长速度发展。目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨,钛合金牌号近30种。使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛(TA1、TA2和TA3)。
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。
特点 钛合金与其他金属材料相比,有下列优点:①比强度(抗拉强度/密度)高(见图[几种金属比强度随温度的变化]),抗拉强度可达100~140kgf/mm,而密度仅为钢的60%②中温强度好,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450~500的温度下长期工作。③耐蚀性好,在大气中钛表面立即形成一层均匀致密的氧化膜,有抵抗多种介质侵蚀的能力。通常钛在氧化性和中性介质中具有良好的耐蚀性,在海水、湿氯气和氯化物溶液中的耐蚀性能更为优异。但在还原性介质,如盐酸等溶液中,钛的耐蚀性能较差④低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253下还能保持一定的塑性。⑤弹性模量低,热导率小,无铁磁性。
合金元素 钛有两种同质异晶体:882以下为密排六方结构[kg1][kg1]钛,882以上为体心立方的钛。合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类:①稳定相、提高相转变温度的元素为稳定元素,有铝、碳、氧和氮等。其中铝是钛合金主要合金元素,它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。②稳定相、降低相变温度的元素为稳定元素,又可分同晶型和共析型二种。前者有钼、铌、钒等;后者有铬、锰、铜、铁、硅等。③对相变温度影响不大的元素为中性元素,有锆、锡等。
氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质氧和氮在相中有较大的溶解度,对钛合金有显著强化效果,但却使塑性下降通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.15~0.2%和0.04~0.05%以下。氢在相中溶解度很小,钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物,使合金变脆。通常钛合金中氢含量控制在 0.015%以下。氢在钛中的溶解是可逆的,可以用真空退火除去。
类别 钛合金根据相的组成可分为三类:合金,(+)合金和合金,中国分别以TA、TC、TB表示。
① 合金含一定量的稳定相的元素,平衡状态下主要由相组成。合金比重小,热强性好、具有良好的焊接性和优异的耐蚀性,缺点是室温强度低,通常用作耐热材料和耐蚀材料合金通常又可分为全合金(TA7)、近合金 (Ti-8Al-1Mo-1V)和有少量化合物的合金(Ti-2.5Cu)。
② (+)合金含一定量的稳定相和相的元素,平衡状态下合金的组织为[kg1][kg1]相和[kg1][kg1]相。(+)合金有中等强度并可热处理强化,但焊接性能较差。(+)[kg2]合金应用广泛,其中Ti-6Al-4V合金的产量在全部钛材中占一半以上。
③ 合金含大量稳定[kg1][kg1]相的元素,可将高温相全部保留到室温。合金通常又可分为可热处理合金(亚稳定[kg2][kg2]合金和近亚稳定[kg2][kg2]合金)和热稳定[kg1][kg1]合金。可热处理[kg2][kg2]合金在淬火状态下有优异的塑性,并能通过时效处理使抗拉强度达到130~140kgf/mm。合金通常作高强度高韧性材料使用。缺点是比重大,成本高,焊接性能差,切削加工困难。
钛合金按用途可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金(钛-钼,钛-钯合金等)、低温合金以及特殊功能合金(钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金)等。典型合金的成分和性能见表[典型钛合金的成分和性能]。
热处理 钛合金通过调整热处理工艺可以获得不同的相组成和组织。一般认为细小等轴组织具有较好的塑性、热稳定性和疲劳强度;针状组织具有较高的持久强度、蠕变强度和断裂韧性;等轴和针状混合组织具有较好的综合性能。
常用的热处理方法有退火、固溶和时效处理。退火是为了消除内应力、提高塑性和组织稳定性,以获得较好的综合性能。通常[kg1][kg1]合金和(+)合金退火温度选在(+)─→[kg1]相转变点以下120~200;固溶和时效处理是从高温区快冷,以得到马氏体′相和亚稳定的相,然后在中温区保温使这些亚稳定相分解,得到[kg1][kg1]相或化合物等细小弥散的第二相质点,达到使合金强化的目的。通常[kg1](+)合金的淬火在(+)─→相转变点以下40~100进行,亚稳定合金淬火在(+)─→相转变点以上40~80进行时效处理温度一般为450~550。此外,为了满足工件的特殊要求,工业上还采用双重退火等温退火、热处理、形变热处理等金属热处理工艺。
参考书目
A.D.McQuillan & M.K.McQuillan,Titanium,Butter-worths,London, 1956.
..,.., -, ,-,,1976.
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