《航材》课件：钛合金组织与强韧化.ppt

1、钛合金组织与强韧化钛合金组织与强韧化肖文龙北京航空航天大学材料科学与工程学院2022年3月5日TEL：185 1079 2073E-mail：钛合金成分、工艺、组织和性能四要素钛合金成分、工艺、组织和性能四要素2纯钛的基本特征纯钛的基本特征3熔点a相b相同素异构转变4TA1TA4氧含量增加强 度塑 性5改善纯钛力学性能的方法：p 控制杂质元素的含量；p 细晶化处理；p 添加合金化元素；p 组织调控。6钛合金的组织特征钛合金的组织特征7钛合金的相图钛合金的相图 a稳定元素：Al、O 、N; b稳定元素： 同晶型：Mo、V、W 、Nb 、Ta; 同析型：Fe、Cr、Cu 、Ni 、Co 、Mn;

2、中性元素： Zr、Si、Sn8钛合金可分为多种：Q 按照在平衡状态和亚稳定状态下的组成，钛合金可分为a型、近a型、 a+b型、近b型、亚稳 b型和全b型等；Q 按照性能特点可分为结构钛合金、热强钛合金、耐蚀钛合金和功能钛合金;我国以TA、TB和TC后加顺序号分别命名a型、 a+b型和 b型牌号。钛合金的分类钛合金的分类9国内主要钛合金牌号国内主要钛合金牌号10（一）（一）型钛合金型钛合金QAl为主要的合金化元素，起固溶强化作用；QO和N为杂质元素，起间隙固溶强化作用；Q添加少量Sn和Zr稳定a相，起固溶强化作用；Q56%Al即可形成细小弥散a2有序强化相；Q合金中Al当量控制在9%以下。型钛合

3、金型钛合金合金化特点：a稳定元素主要固溶于a基体； b相转变温度升高（882）。12Ti-5Al-2.5Sn板材的微观组织 Sn加入用于提高合金塑性； 颗粒状b相因Fe杂质引起。Ti-8Al合金中a2有序相形貌 合金脆性增加； 容易疲劳断裂。-Ti合金微观组织合金微观组织13-Ti合金性能及应用合金性能及应用性能： 低密度； 中等强度； 强度依赖于Al、O含量； 易于焊接； 良好的抗氧化性能。应用： 早期应该于低温环境中； 储氢罐、压力容器； 传动齿轮箱外壳、喷气发动机外壳装置、导向叶片罩、管道结构。14（二）近（二）近型钛合金型钛合金近近型钛合金型钛合金 少量b相稳定元素如Mo、V和Nb被加

4、入到合金中; 形成以a相为主，b相分布在a基体的组织; Sn和Zr用于补偿Al的加入量，保持强度和韧性; 少量Si、C和稀土元素加入提高蠕变性能； 具有比a型钛合金更高的高温抗蠕变性能。以a固溶体为基体，在稳定状态下含28的b相，从b区急冷后含815b相的钛合金。16近近型钛合金组织型钛合金组织加热至b相区温度(a)(b)(c)(a) IMI685合金油淬(b) IMI685淬火+ 850时效(c) IMI685合金空冷 淬火：从b相区淬火可获得板条状 a马氏体，界面处为片状b相； 时效：产生细小弥散分布的a相； 空冷：网篮状魏氏组织。17冷却速率对组织的影响18a+b两相区加热近近型钛合金组

5、织型钛合金组织0.5m mm双态组织19高温钛合金的发展高温钛合金的发展Ni-based Superalloy12Cr, Ti AlloysTemperatureLowModerateHighNi-based AlloyTi AlloyOTiTi Substratebrittle a-case钛合金高温氧化行为钛合金高温氧化行为unprotective oxide layer近近型钛合金的性能及应用型钛合金的性能及应用近a型钛合金性能： 室温具有中等强度和塑性； 具有良好的韧性和抗蠕变性能； 较好的耐盐水腐蚀性； 易于焊接；a-case20（三）（三）+b b型钛合金型钛合金+b b型钛合金型

6、钛合金 组织中具有一定含量的a和b相； a稳定元素保证一定的强度，4-6%b稳定元素加入使b相经淬火后保留到室温； 与a钛合金相比，强度和成型性能提高； Ti-6Al-4V(IMI318)为最常用的合金牌号。 合金的微观组织与成分、过程工艺和热处理制度等； 热处理与热-机械处理相结合可设计合适的组织和性能。锻造Ti-6Al-4V合金叶片22+b b型钛合金组织型钛合金组织片层（lamellar）组织：b相区退火产生等轴晶（equiaxed）组织：a+b相区退火产生I. 退火组织23II. 空冷组织从b相区空冷：细小针状a相从a+b相区空冷：等轴a相+针状a相（b相转变）24III. b相区淬火

7、组织25a+b钛合金马氏体种类26IV. a+b相区淬火组织温度低于b相但高于Ms转变点Ti-6Al-4V合金954固溶水冷淬火组织：等轴初生a相+针片状a马氏体相Ms转变点以下淬火Ti-6Al-4V合金843固溶水冷组织：初生a相+少量未转变b相27V. 马氏体回火组织 回火热处理将导致马氏体相发生分解； 分解过程与马氏体类型和化学成分相关。28V. 亚稳b相分解组织剩余b相经高温时效热处理后将发生分解；亚稳b相将转变成平衡a相。可能的反应： 形成w相； b相分解； 形成平衡a相。29w相脆性 亚稳b相经等温（100-500）时效形成，呈细小弥散分布； 可通过高温回火消除。b相分解对性能影响

8、不大 b相分解成两种BCC结构相bb(enrich)+b(depleted),通常发生在高含量b稳定元素合金中； 亚稳b相将逐渐转变成平衡a相。立方状w相魏氏组织魏氏组织平衡a相提高强度 可直接从b相形成，或间接从b1形成； 以细小a颗粒或者棒状魏氏组织存在。30VI. 双步固溶处理31热处理工艺与Ti-6Al-4V合金组织的关系32Ti-6Al-4V合金各向异性33+型钛合金型钛合金性能：性能：具有具有型和型和型钛合金的优点，但焊接性能不如型钛合金的优点，但焊接性能不如型钛合金，可通过热处理来强化。型钛合金，可通过热处理来强化。牌号：牌号：TC1TC1TC11TC11，常用的有常用的有TC3

9、TC3、TC4TC4、TC6TC6、TC10TC10等，等，以以TC4TC4最常用。最常用。用途：用途：制造制造400400以下工作的航空发动机压气机叶片，以下工作的航空发动机压气机叶片，火箭发动机外壳，火箭和导弹的液氢燃料箱部件，船舰火箭发动机外壳，火箭和导弹的液氢燃料箱部件，船舰耐压壳体等。耐压壳体等。TC10TC10是在是在TC4TC4基础上发展起来的，具有更基础上发展起来的，具有更高的强度和耐热性。高的强度和耐热性。 34( (四四) ) b b型钛合金型钛合金b b型钛合金型钛合金Mo当量p 亚稳b钛合金：Mo Eq.BC 强韧性匹配强韧性匹配：b b退火组织退火组织只提高强度时，塑

10、性与韧性大为降低只提高强度时，塑性与韧性大为降低48使用性能使用性能：晶粒粗大时：晶粒粗大时，强度与韧性变化不大，但塑性与疲劳强，强度与韧性变化不大，但塑性与疲劳强度却大为降低度却大为降低49相含量与钛合金拉伸性能的关系随着初生随着初生a a相含量的增加，合金的抗拉强度和屈服强度相含量的增加，合金的抗拉强度和屈服强度变化只有变化只有50MPa，而延伸率和断面收缩率则迅速增加。，而延伸率和断面收缩率则迅速增加。50热处理制度热处理制度b(MPa)0.2(MPa)5(%)(%)KIC(MPam1/2)a as厚度厚度760/2h WQ +480/8hAC144813733.88.137.30.05

11、m760/2h WQ +520/8hAC1245118810.326.858.90.08m760/2h WQ +540/8hAC1222117011.633.563.70.10m760/2h WQ +580/8hAC1048101817.353.699.80.15m760/2h WQ +620/8hAC101898620.062.997.70.20m时效温度对时效温度对Ti-10V-2Fe-3Al合金力学性能与次生合金力学性能与次生a a尺寸的影响尺寸的影响随着次生随着次生相的片层厚度的增加，合金的强度下降比较明显，相的片层厚度的增加，合金的强度下降比较明显，而塑性和断裂韧性获得了较大幅度的增

12、加。而塑性和断裂韧性获得了较大幅度的增加。相含量与钛合金强韧性匹配关系51钛合金组织与性能的一般关系问题：钛合金的普通组织类型，均难以满足综合高性能的要求问题：钛合金的普通组织类型，均难以满足综合高性能的要求521 1、基本要求：强韧性匹配、强塑性匹配、基本要求：强韧性匹配、强塑性匹配2 2、使用要求：高疲劳性能与损伤容限性能匹配、疲劳性能、使用要求：高疲劳性能与损伤容限性能匹配、疲劳性能与蠕变持久性能匹配与蠕变持久性能匹配3 3、加工要求：热工艺简单易行、加工成形性能优异（如焊、加工要求：热工艺简单易行、加工成形性能优异（如焊接性能、超塑成形性能等）接性能、超塑成形性能等）4 4、其它综合性

13、能：低的缺口敏感性、良好的耐环境稳定性、其它综合性能：低的缺口敏感性、良好的耐环境稳定性、抗应力腐蚀与抗氢脆能力、抗应力腐蚀与抗氢脆能力、综合高性能综合高性能53（1）对高强度钛合金，采用钛合金准b锻造工艺，获得高塑性网篮组织，是实现综合高性能目标的有效途径。（2）对中等强度钛合金，采用钛合金准b热处理工艺，获得高塑性片层组织，也是实现综合高性能目标的有效途径。（3）对高温钛合金，采用钛合金近b锻造工艺，可获得高温综合性能好的双态组织。（4）对钛合金大规格棒材，采用钛合金铸锭与坯料的镦拔工艺，希望获得力学性能与超声波探伤缺陷可检性等均好的等轴组织。综合性能提高途径54钛合金的发展与应用钛合金的

14、发展与应用55 钛合金的近期发展有三方面钛合金的近期发展有三方面: : 一是改善工艺、提高质量，一是改善工艺、提高质量， 二是发展新合金以适应市场需要，二是发展新合金以适应市场需要， 三是扩大应用市场。三是扩大应用市场。 56首先是要提高钛的纯洁度，一方面要改善工艺，一方面要改善无损探伤技术。只有商业纯钛带及焊接管有足够的产量，允许使用像生产钢一样的大规模生产装备，才能降低成本。v例如，有人考虑把EBCHM熔炼和连续铸锭法联系起来大规模生产纯钛合金。RMI钛公司已成功地用无缝钢管生产装置生产出直径250mm350mm的无缝钛合金管。v轧制钛复合钢板是一种降低成本的新工艺，先轧制复合一层便宜的钛

15、层垫底，再轧上一层10nm1.4mm厚的高级耐蚀钛合金或Zr-702合金层就可得到耐蚀性极优的复合钢板，成本下降15一45。v另外，用永久铸模代替精密铸生产铸件，可降低成本4050。一、改善工艺，提高质量，降低成本一、改善工艺，提高质量，降低成本vTi-6Al-4V是宇航工业应用的最主要的老牌钛合金。但是，近来Ti-l0-2-3合金、Ti-6-22-22.5合金、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-0.15Si合金和 Alloy C也有机会应用干宇航工业。vTi-l0-2-3是60年代发展起来的，强度达到b1170MPa，s1070MPa，=78己可用于制造飞机的起落架（波音777和

16、C-17）。最高使用温度为260，其板材的性能可达b1240MPa，s =1000MPa，5，可制作飞机构件。vAlloy C是一个新型高温钛合金，使用温度达650，它的特性是抗燃烧阻力大和高温强度大，用于制造F-119发动机的排气管，b1000MPa，s =930MPa，20。二、二、 钛合金的新发展和新应用钛合金的新发展和新应用二、钛合金的新发展和新应用二、钛合金的新发展和新应用v当前，钛合金已扩大应用到民品工业及船舶工业。v一个发展是用Ti-6Al-4V做蒸汽涡轮叶片，1993年已做出1016cm长的叶片，用于700MW透平机。v同时期发展出Ti-15Mo5-5Zr抗腐蚀性合金，经焊接和

17、热处理后，可得到均匀的显微组织和一层抗腐蚀表面层使用效果好。vTi-6A1-4V的可锻性略差。为了提高涡轮叶片收得率，研究用Ti-10V-2Fe-3Al和Ti-17来做叶片，该合金是近钛合金，强度和韧性配合优于合金，耐腐蚀性和疲劳性v均超过合金，已做出 50.cm长的模型叶片，目前，Ti-6Al-4V合金已扩大了在船舶工业上的应用。1992年，已做出 1万 m深海压力容器。v此外，已有报道 Beta C合金（Ti-）用做深海装置，充分利用钛合金极优的抗海水腐蚀能力。二、钛合金的新发展和新应用二、钛合金的新发展和新应用v近几年来，钛合金的应用市场明显扩大到民用消费品。首先是用Ti-6Al-4V做

18、电磁烹调器具。钛是没有磁性的。但其电阻率高，重量轻，低热容和高耐蚀性是很吸引人的，特别是可以用超塑性加工做精确形状的烹凋用具。v90年代开始做钛合金的高尔犬球棒头，日本采用Ti-6Al-4V合金、Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al钛合金和其他钛合金，可以是锻件或铸件，现已发展一种用磁悬浮炉熔炼吸进陶瓷模的方法（LEVI-CAST），主产率和质量均令人满意。Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al是日本应用最多的高尔夫球头合金。在美国，199年的高尔夫球头市场需求就超过万kg，且每年以20一25速率增长，主要是用Ti-6Al-4V合金。v要扩大钛合金在民品工业中的应用，首要任务是降低成本，因此发展

19、了一些低成本合金。下表是其简单情况。另外，可用钛合金回收碎屑和采用FeMo中间合金降低成本，性能也能满足要求，希望能在民品工业中大量应用。61v耐蚀钛合金是一个重要的发展领域，下表列出了一些典型的耐烛钛合金。v一般采用钛+少量钯的合金，后来发展一些Pd-Co、Ru-Ni以及Pd-Ni-Ru-Cr复合合金化合物，在HCl和 H2SO4中有很好的耐蚀性。v耐蚀机理的研究表明，由于在钛表面形成一层富钯或钯钴层，起到纯化作用。v现在想把这种耐蚀机理用到高强度钛合金上，如Ti-6Al-4V-0.Ru,Ti-6Al-4V-0.05Pd-0.4Ni，Ti-3Al-2.5V-0.05Pd-0.4Ni等。二、钛

20、合金的新发展和新应用二、钛合金的新发展和新应用63v 日本近期发展了一些新型钛合金。v一类合金是可冷变形的合金，如Ti-22V-4Al(DAT51），Ti-20V-4Al1Sn(SAT2.4lCF），Ti-l6V-4Sn-3Nb-3Al等钛合金。v钛合金一般具有良好的冷变形性，加工硬化较好。v最近又发展了一类钛合金Ti-10Zr（氧含量（O）小于0.1）。钛合金具有良好的冷变形性。但加工硬化率较高，所以经冷加工后的硬度、强度较高。v这些合金的使用目标是民用汽车、眼镜架、钟表和高尔夫球头等。 二、钛合金的新发展和新应用二、钛合金的新发展和新应用v近来日本发展了一系列高强度低成本钛合金，例如 Ti

21、-0.5Fe-0.1N(TIX-80）合金，加Fe后可以得到晶粒细化的效果。v另外发展了一种 SP-700低温超塑性合金（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe），在700、10-3s变形速率有良好超塑性，其超塑性温度比Ti-6A1-4V合金低100。v另一个合金是Ti-6Al-4V-10Cr-1.3C（SAT-64AW）利用TiC弥散强化基体，有极优的耐磨性。v另外，还有含硫的易切削 Ti合金Ti-3Al-2V-0.1S（DAT52F），还有一些稀土元素的细硫化物均匀分布于+基体，切削性极好。二、钛合金的新发展和新应用二、钛合金的新发展和新应用1. 基础研究方面：虽然钛合金的组织与性能关系研

22、究热点多，但对组织设计与演变模拟等的基础研究不够。2. 应用基础研究方面： （1）以“表象” 或基本性能研究为主，应加强新材料与新工艺使用性能研究，并与实际应用挂钩。 （2）综合高性能要求下的组织参数设计与控制研究不多，追求单一高性能的组织-性能关系研究较多（如极端条件或极限性能研究）。 （3）加强特种加工工艺条件下（如激光成形、特种焊接、爆炸复合等）的组织性能关系研究，建立相应规范与标准。3. 工程化技术研究方面： （1）应加强大尺寸/薄细构件等复杂结构的组织均匀性与织构控制研究，以及机理研究。 （2）加强综合性能与工艺稳定性控制研究等。结语结语存在的主要差距与建议存在的主要差距与建议66QUESTION?67（a+b）型钛合金存在哪几种组织？如何实现？讨讨 论论68