{首页主词},&

各元素對(duì)鈦合金的影響

2021-11-04 14:10:11 作者：熱處理生態(tài)圈來(lái)源：熱處理生態(tài)圈分享至：

鈦合金的分類

一般將鈦合金劃分為α型、α+β型、β型鈦合金。根據(jù)鈦合金從β相區(qū)淬火后的相組成與β穩(wěn)定元素含量關(guān)系的示意圖，如圖1所示。鈦合金劃分為以下六種類型，各類鈦合金的主要特征如圖2所示。

α型鈦合金：包括工業(yè)純鐵和只含α穩(wěn)定元素的合金；

近α型鈦合金：β穩(wěn)定元素含量小于C1的合金；

馬氏體α+β型鈦合金：β穩(wěn)定元素含量從C1到Ck的合金，這類合金可以簡(jiǎn)稱為α+β型鈦合金；

近亞穩(wěn)定β型鈦合金：β穩(wěn)定元素含量從Ck到C3的合金，這類合金可以簡(jiǎn)稱為近β型鈦合金；

亞穩(wěn)定β型鈦合金：β穩(wěn)定元素含量從C3到Cβ的合金，這類合金可以簡(jiǎn)稱為β型鈦合金；

穩(wěn)定β型鈦合金：β穩(wěn)定元素含量超過(guò)Cβ的合金，這類合金可以簡(jiǎn)稱為全β型鈦合金。

圖1 鈦合金從β相區(qū)淬火后的相組成與β穩(wěn)定元素含量關(guān)系示意圖

圖2 各類鈦合金的主要特征

圖3所示為整個(gè)相圖中總體上各合金的抗拉強(qiáng)度分布水平（退火狀態(tài)和固溶時(shí)效狀態(tài)）和顯微組織的變化規(guī)律。在Ckp附近的合金具有最細(xì)、最均勻的顯微組織和最高的強(qiáng)度等級(jí)。成分和顯微組織對(duì)鈦合金的性能起著決定性的作用。對(duì)鈦合金的成分-組織-性能的研究中已經(jīng)逐步從定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎垦芯俊?/span>

圖3 鈦合金β穩(wěn)定元素含量與組織、性能的關(guān)系

Ⅰ-退火狀態(tài)；Ⅱ-固溶時(shí)效狀態(tài)

鈦的合金元素

純鈦的塑性高，但強(qiáng)度很低，限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。為了滿足實(shí)際生產(chǎn)中高強(qiáng)度、耐腐蝕性等要求，人們向純鈦中添加一些合金元素形成鐵合金。根據(jù)合金元素和雜質(zhì)對(duì)鈦的β轉(zhuǎn)變溫度的作用性質(zhì)進(jìn)行分類，可分為α穩(wěn)定元素、β穩(wěn)定元素和中性元素，形成的四種類型的相圖示意圖，如圖4所示。

圖4 合金元素對(duì)鈦合金相圖的影響示意圖

α穩(wěn)定元素

提高β轉(zhuǎn)變溫度，擴(kuò)大α相區(qū)，增大α相穩(wěn)定性的元素稱為α穩(wěn)定元素［見(jiàn)圖4（a）］。α穩(wěn)定元素主要包括：合金元素鋁、鎵、鍺、硼和雜質(zhì)元素氧、氮、碳等。鋁是工業(yè)中最常用的α穩(wěn)定元素，通過(guò)置換固溶強(qiáng)化，加入適量的鋁元素可以提高室溫和高溫強(qiáng)度以及熱強(qiáng)性。因此，國(guó)內(nèi)外各種類型的鈦合金中幾乎都添加了適量的鋁。但是，鋁含量超過(guò)7wt.％后，易形成脆性的Ti3Al相，在合金設(shè)計(jì)中要避免。鎵和鍺元素在實(shí)際生產(chǎn)中很少采用。硼元素被稱為金屬材料的維生素，在鈦合金中添加少量的硼可以細(xì)化晶粒，改善合金的性能。雜質(zhì)元素氧、氮能大幅度提高鈦的強(qiáng)度，同時(shí)也嚴(yán)重降低合金的塑性，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中要嚴(yán)格限制其含量。碳元素對(duì)合金的強(qiáng)度及塑性影響較小，生產(chǎn)中比較容易控制。

同晶型β穩(wěn)定元素

與鈦具有相同的晶格結(jié)構(gòu)和相近的原子半徑，降低β轉(zhuǎn)變溫度，在β相中無(wú)限固溶，擴(kuò)大β相區(qū)，增大β相穩(wěn)定性的元素稱為同晶型β穩(wěn)定元素［見(jiàn)圖4（b）］。它包括鉬、釩、鈮、鉭等元素。其中，鉬的強(qiáng)化作用最明顯，可提高室溫和高溫強(qiáng)度，增加淬透性，并提高含鉻和鐵的合金的熱穩(wěn)定性。鉬和釩的應(yīng)用最廣泛。鈮的強(qiáng)化作用較弱，但也經(jīng)常在鈦合金中添加，特別是在Ti-Al系金屬間化合物中添加鈮以提高塑性和韌性。鉭的強(qiáng)化作用最弱，且密度大，因而只有少量合金中添加以提高抗氧化性和抗腐蝕性。

共析型β穩(wěn)定元素

降低β轉(zhuǎn)變溫度，擴(kuò)大β相區(qū)，還會(huì)引起共析轉(zhuǎn)變的元素，稱為共析型β穩(wěn)定元素［見(jiàn)圖4（c）］。這類元素包含的范圍較廣，且共析反應(yīng)速度相差十分大。其中，鉻、錳、鐵等元素與鈦共析反應(yīng)溫度較低，轉(zhuǎn)變速度極慢，在一般熱處理?xiàng)l件下轉(zhuǎn)變難以進(jìn)行，故稱為非活性共析型元素；反之，硅、銅、氫、鎳、銀等元素，共析轉(zhuǎn)變速度極快，淬火也無(wú)法抑制其進(jìn)行，故不能將β相穩(wěn)定到室溫，稱為活性共析型元素。鐵是最強(qiáng)的β穩(wěn)定元素之一，但熱穩(wěn)定性不好，熔煉時(shí)易產(chǎn)生偏析，因而應(yīng)用較少，某些低成本的鈦合金中可以添加鐵元素替代昂貴的釩。鉻是廣泛添加的元素之一，加鉻的合金具有高的強(qiáng)度和好的塑性，并可熱處理強(qiáng)化，但某些條件下會(huì)因析出化合物而降低塑性。錳是早期合金設(shè)計(jì)廣泛使用的元素，可提高強(qiáng)度和塑性，但某些條件下產(chǎn)生共析分解，不穩(wěn)定。硅是提高熱強(qiáng)性和耐熱性的重要微量元素之一，大多數(shù)高溫鈦合金中都會(huì)添加，但一般不超過(guò)0.5%。氫作為有害元素要嚴(yán)格控制，其主要原因是析出氫化物造成氫脆。其他的元素銅、鎳、銀等應(yīng)用很少。

中性元素

對(duì)β轉(zhuǎn)變溫度的影響不大的元素稱為中性元素，主要有鋯、鉿和錫。鋯和鉿與鈦的性質(zhì)相似，原子尺寸也十分接近，能在α相和β相中無(wú)限固溶。鋯的室溫強(qiáng)化作用弱，但高溫強(qiáng)化作用強(qiáng)，通常用于熱強(qiáng)鈦合金；錫的室溫強(qiáng)化更弱，會(huì)發(fā)生共析反應(yīng)，但能提高熱強(qiáng)性。

雜質(zhì)元素對(duì)鈦及鈦合金的影響

鈦中的雜質(zhì)含量對(duì)鈦的力學(xué)性能影響很大，雜質(zhì)含量增多，可以提高其強(qiáng)度而降低塑性。氧、碳、氮是鈦中經(jīng)常存在的雜質(zhì)，它們能提高鈦的強(qiáng)度而降低其塑性，其中氮的影響最大，碳最小。

氫對(duì)鈦的力學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在氫脆上。在鈦中，氫的含量達(dá)到一定數(shù)值后，將大大提高鈦對(duì)缺口的敏感性，從而急劇降低缺口試樣的沖擊韌性等性能。一般認(rèn)為，鈦中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)低于0.007%~0.008%，而不允許高于0.0125%~0.015%，因?yàn)楦哂谶@個(gè)含量，在組織上將析出氫化物，并出現(xiàn)明顯的氫脆現(xiàn)象。

除氧、碳、氮外，對(duì)提高鈦的強(qiáng)度影響較大的元素是硼、鈹和鋁。其他元素對(duì)鈦的強(qiáng)度影響不那么強(qiáng)烈，影響程度依次為：鉻、鈷、鈮、錳、鐵、釩和錫。