1、2022-5-511.1概述 鈦及其合金是上世紀40年代發展起來的一類新型結構材料o Ti的物理性能 純Ti熔點1668。 強度高，強度高，是是Al的的6倍，塑性好，便于冷倍，塑性好，便于冷熱加工。熱加工。 還具有超導、記憶、儲氫等特殊性能。o 熱處理熱處理 純純Ti不能熱處理強化，只能進不能熱處理強化，只能進行冷變形強化，行冷變形強化，型鈦合金可熱處理。美美F-22戰機約戰機約36%重量的零件用鈦合金制重量的零件用鈦合金制造造11鈦合金titaniumalloy2022-5-5o 純鈦主要用于純鈦主要用于 350以以下工作、強度要求不高下工作、強度要求不高的零件，如石油化工用的零件，如石油化

2、工用熱交換器、反應器，海熱交換器、反應器，海水凈化裝置及艦船零部水凈化裝置及艦船零部件。件。 鈦鋼復合反應釜鈦鋼復合反應釜鈦管換熱器鈦管換熱器鈦制蒸餾塔鈦制蒸餾塔2022-5-511.1.1鈦的基本性質與合金化鈦的基本性質與合金化有同素異構轉變。有同素異構轉變。 ，bcc| 882| ，hcp 比強度高。比強度高。=4.51g/cm3，可保持到，可保持到550600耐蝕性好。形成保護膜耐蝕性好。形成保護膜, 耐海水腐蝕性是最好的耐海水腐蝕性是最好的低溫性能好。在低溫性能好。在77K下仍有良好的力學性能下仍有良好的力學性能導熱系數低。比鐵低導熱系數低。比鐵低4.5倍，易產生熱應力倍，易產生熱應力

3、主要合金元素有主要合金元素有A1、Zr、V 、Mo、Mn、Cr等等2022-5-5一、鈦的合金化及分類（一）合金元素與鈦的作用o 1）穩定型相圖，擴大相區的元素有Al、Sn、O、N、C等。o 2）穩定型相圖，擴大相區的元素有V、Mo 等。o 3）+共析型相圖，使共析的元素有Mn、Fe、Cr、Cu、Si、 Ni、 Ag等。o 4） 和全溶型相圖，如Zr、Ha等。圖11.1鈦與合金元素的典型二元線圖a）穩定型, Al、Sn；b)穩定型V、Mo,c) +共析型, Mn、Cr；d)和全溶型， Ha、ZrTi-Sn相圖2022-5-5穩定型(包析)穩定型（共析）和全溶型共析型2022-5-5o （二）鈦

4、合金的分類（GB/T362194）o 在退火狀態下，按組織分型鈦合金、型鈦合金和型鈦合金，以TA、TB、TC表示。符號后面的數字表示順序號。符號后面的數字表示順序號。o TA7：Ti-5Al-2.5Sno TB2：Ti-3Al-8Cr-5Mo-5Vo TC4：Ti-6Al-4V2022-5-5各各類類合合金金特特點點 鈦合金鈦合金高溫性能好高溫性能好，組織穩定，焊接性好，組織穩定，焊接性好，是常用耐熱鈦合金，但常溫強度低，塑性不高是常用耐熱鈦合金，但常溫強度低，塑性不高 +鈦合金鈦合金可熱處理強化可熱處理強化，常溫強度高，中溫，常溫強度高，中溫的耐熱性也不錯，但組織不夠穩定，焊接性差的耐熱性也

5、不錯，但組織不夠穩定，焊接性差 合金塑性加工性好，合金濃度適當時，通過合金塑性加工性好，合金濃度適當時，通過熱處理可獲得高的常溫力學性能，是發展熱處理可獲得高的常溫力學性能，是發展高強度高強度鈦鈦合金的基礎，但組織不夠穩定，冶煉工藝復雜合金的基礎，但組織不夠穩定，冶煉工藝復雜 應用程度應用程度: +合金合金 合金合金 鈦合金鈦合金二、鈦合金特點2022-5-5 1 1、鈦合金鈦合金(Al/Sn)(Al/Sn)主要主要Me是是Al和和Sn，固溶強化，固溶強化:+1%Me，強度，強度3570MPaAl作作用用特特點點 A1在在相中固溶度很大相中固溶度很大,耐熱性耐熱性(500)但但Al6后后與與共

6、格有序相共格有序相2（Ti3Al）2是硬而脆中間相，對合金塑韌性不利。是硬而脆中間相，對合金塑韌性不利。 Al大于大于25%后，則出現后，則出現相（相（TiAl）應應用用特特點點 一般工業用鈦合金一般工業用鈦合金Al含量很少超過含量很少超過6。 鈦合金使用溫度鈦合金使用溫度500。 鈦合金不能熱處理強化，退火或熱軋態鈦合金不能熱處理強化，退火或熱軋態下使用。下使用。TA7是應用最多的一種。是應用最多的一種。 TA4TA6是是Ti-Al系二元合金系二元合金2022-5-52 2、+鈦合金鈦合金(Al/V、Mo)合合金金化化特特點點 含含46%的的穩定元素穩定元素和和同時強化。同時強化。 +合金性

7、能主要由合金性能主要由相元素來決定。相元素來決定。 相元素主要是鋁相元素主要是鋁， 67%以免生成以免生成2而而韌性。另補加少量中性元素韌性。另補加少量中性元素錫和鋯錫和鋯。 元素選擇較復雜。元素選擇較復雜。+Mo和和V等，再適當等，再適當+少少量量Mn和和Cr或微量或微量Si。 性性能能特特點點 +鈦合金力學性能變化范圍較寬，可適鈦合金力學性能變化范圍較寬，可適應各種用途，約占航空工業使用的鈦合金應各種用途，約占航空工業使用的鈦合金70以上。目前國內外應用最廣泛的以上。目前國內外應用最廣泛的+鈦合金鈦合金是是Ti-A1-V系的系的Ti-6A1-4V，即，即TC4合金。合金。 2022-5-5

8、3 3、鈦合金鈦合金(Mo(Mo、V/Cr)V/Cr) 鈦合金是發展高強度鈦合金潛力最大的合金。鈦合金是發展高強度鈦合金潛力最大的合金。熱處理熱處理特點特點 合金化特點：加入大量合金化特點：加入大量穩定元素。穩定元素。 熱處理特點熱處理特點:室溫為單相室溫為單相組織，經時效可組織，經時效可強度。淬火態下能冷成型強度。淬火態下能冷成型進行時效處理。進行時效處理。性能性能特點特點與應與應用用 強韌性優于強韌性優于+合金，具有良好的焊接性和合金，具有良好的焊接性和壓力加工性。缺點是壓力加工性。缺點是元素濃度高，密度元素濃度高，密度，易，易偏析，性能波動大。偏析，性能波動大。相元素多是稀有金屬，價相元

9、素多是稀有金屬，價格格， 200使用，應用受限制使用，應用受限制. 目前應用的加工鈦僅目前應用的加工鈦僅TB2 ，主要用于制造各種主要用于制造各種整體熱處理的沖壓件和焊接件；如輪盤、軸類整體熱處理的沖壓件和焊接件；如輪盤、軸類等重載荷旋轉件，以及飛機的構件等等重載荷旋轉件，以及飛機的構件等2022-5-511.1.2鈦合金的相變C0tk2022-5-5基基本本概概念念 相相(bcc) 六方馬氏體六方馬氏體(hcp)； 斜方馬氏體。斜方馬氏體。 tk ：當：當t淬淬到一定溫度，到一定溫度，相濃度相濃度到到Ck時，時，淬火到室溫淬火到室溫相也不發生相也不發生M轉變的臨界淬火溫度。轉變的臨界淬火溫度

10、。Ck和和tk是非常重要的兩個參數。是非常重要的兩個參數。 Ck ： Ms相不發生相不發生M轉變的合金濃度轉變的合金濃度鈦合金鈦合金M是置換型過飽和固溶體，與鋼間隙式是置換型過飽和固溶體，與鋼間隙式M不同不同1、馬氏體轉變、馬氏體轉變 2022-5-52 2、相的形成相的形成 穩定型鈦合金的成分位于臨界濃度穩定型鈦合金的成分位于臨界濃度Ck附近時，淬火時附近時，淬火時除形成除形成或或r外，還能形成淬火外，還能形成淬火相，用相，用q表示。表示。特特點點性性質質 是六方晶格，與是六方晶格，與相有共格關系。相有共格關系。相形相形狀與狀與Me原子半徑原子半徑r有關，有關，r與鈦相差較小的合金，與鈦相差

11、較小的合金，相是橢圓形，相是橢圓形，r相差較大時為立方體形相差較大時為立方體形 相硬而脆，雖相硬而脆，雖強度、硬度和彈性模量，強度、硬度和彈性模量，但塑性急劇但塑性急劇。一般情況下。一般情況下,相是有害組織，在相是有害組織，在熱處理時都要避開它的形成區間。加熱處理時都要避開它的形成區間。加A1能抑制能抑制相的形成相的形成 大多數工業用鈦合金都含有大多數工業用鈦合金都含有A12022-5-53、 過冷過冷(殘余）殘余）r 的形成的形成o合金元素濃度較高，馬氏體轉變溫度低于室溫，合金元素濃度較高，馬氏體轉變溫度低于室溫， 被被凍結，形成凍結，形成r，成為，成為鈦合金。鈦合金。o為體心立方，具有較好

12、的塑性，冷加工性能與純鈦為體心立方，具有較好的塑性，冷加工性能與純鈦相近。相近。o鈦合金的合金元素量較大，固溶強化效果大；加工鈦合金的合金元素量較大，固溶強化效果大；加工硬化性高；時效強化（析出硬化性高；時效強化（析出相強化）高相強化）高。o鈦合金固溶后強度：鈦合金固溶后強度：750-950MPa，時效后強度，時效后強度1000-1700MPa。o 相中原子擴散系數大，加熱溫度超過相中原子擴散系數大，加熱溫度超過相變點時，出現粗大相變點時，出現粗大晶粒，產生晶粒，產生“脆性脆性”2022-5-54 4、亞穩定相的分解、亞穩定相的分解 淬火形成的淬火形成的、和和r相都是不穩定的相都是不穩定的最終

13、產物最終產物都是平衡都是平衡+相相 共析共析型的型的 分解產物是分解產物是+TixMy（）化合物）化合物各種亞各種亞穩相分穩相分解過程解過程（1）過冷）過冷r相分解相分解 ;（2）馬氏體分解，鈦合金）馬氏體分解，鈦合金、在在300 400發生快速分解，在發生快速分解，在400500回火時回火時彌散度高的彌散度高的+相混合物，彌散強化。相混合物，彌散強化。（3）相的分解。相的分解。2022-5-511.2.1. 型鈦合金型鈦合金o主加元素為鋁，還有錫、硼等。主加元素為鋁，還有錫、硼等。 o不能熱處理強化，通常在退火不能熱處理強化，通常在退火狀態下使用，組織為單相狀態下使用，組織為單相 固固溶體。

14、溶體。 o強度低于另兩類鈦合金，但高強度低于另兩類鈦合金，但高溫強度、低溫韌性及耐蝕性優溫強度、低溫韌性及耐蝕性優越。越。o0.2Pd的加入引起陽極鈍化，使腐蝕抗力提高1000倍。鈦合金氫泵誘導鈦合金氫泵誘導輪輪鈦合金氫泵殼體鈦合金氫泵殼體11.2常用鈦合金常用鈦合金2022-5-5o 型鈦合金型鈦合金屬于密排六方結構，較高的強度和良好的韌性，對高溫氧污染有較強的抗力，但成形性能較差。o 常用牌號有常用牌號有TA5、TA7等。等。典型的鈦合金TA7（Ti-5Al-2.5Sn），市場占有20，組織穩定、焊接性好，比強度是鋁和鋼的兩倍，用作飛機蒙皮和模鍛件。oAl、Sn可使再結晶溫度和同素異構轉變

15、溫度升高。鈦合金泵鈦合金泵圖11.4Ti-Al二元合金相圖鈦端2022-5-5o 型鈦合金型鈦合金主要用于制造主要用于制造500以以下工作的零件，如飛機壓氣機葉片、下工作的零件，如飛機壓氣機葉片、導彈的燃料罐、超音速飛機的蝸輪導彈的燃料罐、超音速飛機的蝸輪機匣及飛船上的高壓低溫容器等。機匣及飛船上的高壓低溫容器等。 鈦合金衛星框架鈦合金衛星框架鈦合金液下泵鈦合金液下泵 -Ti合金組織合金組織2022-5-511.2.2. + 型鈦合金型鈦合金o加入的合金元素有鋁、釩、加入的合金元素有鋁、釩、 鉬鉬 、鉻等。、鉻等。o可進行熱處理強化，強度高，塑性好，具有良好的熱強可進行熱處理強化，強度高，塑性

16、好，具有良好的熱強性、耐蝕性和低溫韌性。性、耐蝕性和低溫韌性。鈦合金列管式換熱器鈦合金列管式換熱器2022-5-5o + 型鈦合金共有九個牌型鈦合金共有九個牌號，其中以號，其中以TC4(Ti6Al4V)應用最廣、應用最廣、用量最大，用量最大，占市場55。其經過淬火加時效處理后，其經過淬火加時效處理后，組織為組織為 + +時效析出的時效析出的針狀針狀 。2022-5-5o + 型鈦合金型鈦合金主要用于主要用于制造制造400196o以下工作的飛機壓氣機以下工作的飛機壓氣機葉片、火箭發動機外殼、葉片、火箭發動機外殼、火箭和導彈的液氫燃料火箭和導彈的液氫燃料箱部件及艦船耐壓殼體箱部件及艦船耐壓殼體等。

17、等。 生物醫用材生物醫用材料料飛機壓氣機葉片飛機壓氣機葉片2022-5-5o 11.2.3. 型鈦合金型鈦合金o 加入的合金元素有鉬、加入的合金元素有鉬、鉻、釩等。鉻、釩等。o 經淬火加時效處理后，經淬火加時效處理后，組織為組織為 相基體上分布相基體上分布著細小的著細小的 相粒子。相粒子。o 這類合金強度高，但這類合金強度高，但冶煉工藝復雜，難于冶煉工藝復雜，難于焊接，應用受到限制。焊接，應用受到限制。鈦合金管鈦合金管鈦合金管應用鈦合金管應用2022-5-5o 型鈦合金有型鈦合金有TB2、TB3、TB4三個牌三個牌號。號。o 主要用于主要用于350以以下工作的結構件和下工作的結構件和緊固件，如

18、飛機壓緊固件，如飛機壓氣機葉片、軸、彈氣機葉片、軸、彈簧、輪盤等。簧、輪盤等。鈦合金棒鈦合金棒鈦合金眼鏡架鈦合金眼鏡架鈦離心泵鈦離心泵2022-5-511.3 鈦及鈦合金的發展與應用鈦及鈦合金的發展與應用 o 1、鈦合金生產工藝、鈦合金生產工藝 o 冶煉技術：電子束重熔技術，真空冶煉等冶煉技術：電子束重熔技術，真空冶煉等 o 2、鈦合金的新發展、鈦合金的新發展 o 宇航工業宇航工業 ：AlloyC是一個新型高溫鈦合金，使用溫度是一個新型高溫鈦合金，使用溫度o 高達高達650 ，用于制造發動機的排氣管；，用于制造發動機的排氣管；o 船舶工業船舶工業 ：深海潛水調查船的耐壓殼體。近：深海潛水調查船

19、的耐壓殼體。近鈦合金鈦合金o Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo和和+鈦合金鈦合金TC4；o 民品工業民品工業 :電磁烹調器具電磁烹調器具 、網球球拍、高爾夫球頭、網球球拍、高爾夫球頭 ；o 汽車工業汽車工業 :進、排氣閥，目前僅用于賽車和運動汽車；進、排氣閥，目前僅用于賽車和運動汽車； o 化學工業化學工業 :反應器、熱交換器、吸收塔、冷卻器等；反應器、熱交換器、吸收塔、冷卻器等； o 醫療領域醫療領域 :骨骼整補等嵌入材料骨骼整補等嵌入材料 。2022-5-5 鈦合金是鈦合金是20世紀出現的一種新型結構材料。它具有密度世紀出現的一種新型結構材料。它具有密度小、強度高、耐高溫和耐腐蝕等

20、特點，且資源豐富，已成小、強度高、耐高溫和耐腐蝕等特點，且資源豐富，已成為航天、化工等部門廣泛應用的材料為航天、化工等部門廣泛應用的材料 鈦合金塑性差，且不能熱處理強化鈦合金塑性差，且不能熱處理強化. 鈦合金主加元素是鈦合金主加元素是Cr、Mo、V等元素及少量鋁。主等元素及少量鋁。主要是時效硬化，因其明顯的缺點，應用受到一定的限制要是時效硬化，因其明顯的缺點，應用受到一定的限制 +鈦合金是目前最重要的鈦合金。同時加入鈦合金是目前最重要的鈦合金。同時加入穩定穩定元素和元素和穩定元素，使穩定元素，使和和同時得到強化。力學性能變同時得到強化。力學性能變化范圍較寬，可以適應各種用途，約占航空工業使用的鈦化范圍較寬，可以適應各種用途，約占航空工業使用的鈦合金合金70以上。以上。小小 結結2022-5-5o1 對于+兩相鈦合金，可采用下述熱處理方法強化 _ 。oa 再結晶退火 b 淬火回火oc 淬火時效 d 上述方法都不能強化o2.根據退火組織，鈦合金分為哪