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钛合金分类

19-05-20 14:55  

    钛合金按组织可分三类:钛中加入铝和锡元素、钛中加入铝铬钼钒等合金元素和钛中加入铝和钒等元素。钛合金具有强度高而密度又小,机械性能好,韧性和抗蚀性能很好。此外,钛合金的工艺性能差,切削加工困难,在热加工中,非常容易吸收氢氧氮碳等杂质,还有抗磨性差,生产工艺复杂。


 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。 
  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,抗拉强度可达100~140kgf/mm2,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α钛,882℃以上为体心立方的β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α相、提高相转变温度的元素为α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β相、降低相变温度的元素为β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α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α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。 


   钛合金根据相的组成可分为三类:α合金,(α+β)合金和β合金,中国分别以TA、TC、TB表示。 
  ① α合金含一定量的稳定α相的元素,平衡状态下主要由α相组成。α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。α合金通常又可分为全α合金(TA7)、近α合金 (Ti-8Al-1Mo-1V)和有少量化合物的α合金(Ti-2.5Cu)。   ② (α+β)合金含一定量的稳定α相和β相的元素,平衡状态下合金的组织为α相和β相。(α+β)合金有中等强度、并可热处理强化,但焊接性能较差。(α+β)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 β合金含大量稳定β相的元素,可将高温β相全部保留到室温。β合金通常又可分为可热处理β合金(亚稳定β合金和近亚稳定β合金)和热稳定β合金。可热处理β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/mm2。β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。
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α合金和(α+β)合金退火温度选在(α+β)─→β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α′相和亚稳定的β相,然后在中温区保温使这些亚稳定相分解,得到α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(α+β)合金的淬火在(α+β)─→β相转变点以下40~100℃进行,亚稳定β合金淬火在(α+β)─→β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、β热处理、形变热处理等金属热处理工艺。

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