钛合金材料组织性能关系 PPT
钛合金及其应用ppt课件.ppt
■钛白粉：化学式TiO2，晶型有锐钛型（A-TiO2）和金红 石型（R-TiO2）两种工业产品。它是最好的白色颜料，还 是塑料、造纸业的重要原料。
■生产方法： ①硫酸法：既能生产金红石型钛白粉也能生产锐钛型钛白粉， 为传统工艺，废料（硫酸亚铁）处理问题尚未很好解决。 ②氯化法：只能生产金红石型钛白粉，目前世界上60% 以上 的钛白粉由此种发法生产，正在不断取代①。
目前使用最广泛的Ti-6Al-4V合金，是在20世纪40年代晚期 由美国开发出来的。现在，人们已经开发出了大量的钛合 金，从而开辟了轻合金在许多工业领域中得以广泛应用的 新局面。
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
■化学性能： 钛的耐腐蚀性很好，虽然钛是一种非常活泼的金属，其
平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大，但是因为钛 和氧的亲和力大，在空气或含氧介质中，钛表面生成一层致 密、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不受腐蚀， 即使受到机械磨损，也会很快自愈或再生，这表明钛是具有 强烈钝化倾向的金属。 对海水的抗腐蚀性很强。
2 工业纯钛（纯度约为99.5%）
2.1 基本性质
■物理性质：纯钛是银白色金属，位于周期表ⅣB族。
表2-1 钛的基本物理性能数据
名称 相对原子量 原子半径 溶化温度/℃ α-TiβTi相变 比密度/g/cm3
热导率 /[W/(m●K)] 超导转变温度／K
数值
47.9 0.145 1668±5（属难熔金属） 相变潜热：3.47KJ/mol, 相变温度:882 ℃, 结构:α(hcp), β(bcc) 4.505(20 ℃) ,4.35(870 ℃) ,4.32(900 ℃),约为纲的57% 22.08,只有铁的1/4,是铜的1/7
钛合金
到α’＋ 残余β相组织。
当含量达到C2时，马氏体转变完全被抑 制，只有残留β相（机械不稳定，在应力 作用下分解）存在。 当含量≥C3时，为机械稳定β相（非热力
学稳定，回火时分解）。
当元素含量超过C4时才得到室温热力学 稳定的β相。
β相稳定元素含量与淬火快冷 组织关系示意图
气体杂质元素的分类与作用
第十一章
钛合金
序
发现于18世纪末。
言
但由于化学活性高，提取困难，直到1910年金属钛才被 美国科学家用钠还原法(亨特法)提炼出来。 1936年卢森堡科学家克劳尔用镁还原法(克劳尔法)还原 TiCl4，制得海绵钛，奠定了金属钛生产的工业基础。其
技术转让到美国，1948年在美国首先开始海绵钛的工业
控制第二相的数量、大小和分布。
典型合金Ti-13V-11Cr-3Al，经固溶淬火冷成形及时效处理，可获得高强
度。该合金已成功制作SR-71飞机的蒙皮。
要进一步提高强度，先要解决韧性低问题。 细化β晶粒可以提高塑性，但不能提高断裂韧性；通过形变热处理改善
断裂韧性。
钛合金的发展趋势
全世界已研制了几百种钛合金，但投入工业生产的不到100种。我国研制 的钛合金有近60种。列入国家标准的已有40余种。 目前钛合金发展的趋势是发展竞争力更强的钛合金，实现高性能化、多 功能化和低成本化。
钛合金的分类
按其成分和室温下的组织分为三类：
α-钛合金 ：显微组织是α相，含有α相稳定元素及一些中性强
化元素。主要元素是铝、锆、锡等。典型合金有Ti-8Al-1Mo-1V。
α+β钛合金 ：显微组织是α+β相，含有较多的α相稳定元素
和β相稳定元素。
tc4钛合金
TC4钛合金在组织工程中的应用
应用部位
• 骨组织工程：作为骨组织支架材料，具有良好的生物相 容性、力学性能和耐腐蚀性能 • 软组织工程：作为软组织支架材料，具有良好的生物相 容性、力学性能和降解性能
应用要求
• 制造过程中的质量控制：保证组织工程材料的性能和稳 定性 • 制造过程中的工艺优化：提高组织工程材料的制造效率 和降低成本
制造工艺
• 精密铸造：制造形状复杂的航空航天部件 • 精密锻造：提高合金的力学性能和加工性能 • 精密加工：进行车削、铣削、钻削等精密加工，制造出 高质量的航空航天部件
制造过程中的关键技术
• 控制合金的成分和组织结构：保证航空航天部件的性能 和稳定性 • 控制制造过程中的缺陷：避免产生气孔、裂纹等缺陷
TC4钛合金研究与应用
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01
TC4钛合金的基本特性及成分
TC4钛合金的化学成分及其与其 他钛合金的区别
01
TC4钛合金的化学成分
• 钛（Ti）：余量 • 铝（Al）：6.0~6.8% • 钒（V）：3.5~4.2% • 铁（Fe）：2.5~2.9% • 锆（Zr）：1.5~2.0% • 镍（Ni）：1.0~1.3%
• 采用真空铸造法：避免合金在铸造过程中产生气泡、夹杂物等缺陷 • 控制铸造温度：1600~1700℃ • 铸造过程中的冷却：采用缓慢冷却或分级冷却工艺，避免产生过大的热应力
TC4钛合金的变形加工与热处理工艺
变形加工
• 可采用热成型、冷成型等方法进行加工 • 控制变形温度和速度：避免产生过大的热应力 • 变形过程中的热处理：进行退火、正火等热处理，改善合金的力学性能和加工性 能
钛合金介绍 PPT课件
钛合▪金自高热温β处相稳理定基区冷础却下来， β相发生分解。
▪当转变温度T3时，转变终了得α+β相。 ▪当转变温度T2时，先是β→β+ω，此时ω为介 稳定相，再进一步转变为β+ω→ β+α+ω→β+α。
▪当转变温度为T1时，发生β→β+ω相变。 ▪三种情况下相应的硬度变化见图。ω相均匀细 小，析出明显强化合金，但一般同时引起严重 脆性。因此，ω相沉淀硬化是难以接受的。
钛合金的强韧化基础－α+β钛合金
2. α+β钛合金
➢Ti-6Al-4V是应用最广泛的α+β钛合金，其强度特性可通过控制α、 β二相的相对含量及金相形态而变化。退火态合金拉伸强度约 900MPa，而固溶时效态可以获得1200MPa。一般说来通过组织细 化和β相变控制，可以获得高强度。首先经α+β两相区热加工后控 制固溶处理，得到细而均匀分布的一次α相，再时效得到在前β相 区析出细的二次α相质点。细的等轴α结构还具有较高的塑性、疲 劳裂纹形成阻力和高温低周疲劳强度。
仍保持良好的塑性及韧性)
➢耐腐蚀性能(钝化层（TiO2）,纳米尺度，室温下长大极慢) ➢吸气性能（储气、干燥）
纯钛特点
纯钛：一种银白色的金属
特点：
是很活泼的元素。
有很好的钝化性能，钝化膜很稳定，在许多环境中表现出 很好的耐蚀性。有“耐海水腐蚀之王”之称。
高温下，钛的化学活性很高，能与卤素、氧、氮、碳、硫 等元素发生剧烈反应。
▪再增加冷速，可以不发生相变得到室温介稳的 β相，或者得到β→α马氏体相变，得到α马氏体 相（当β稳定剂小于临界浓度时）；在随后的 时效时，马氏体又可以分解析出细小β相。
钛合金的α和β相组织
钛合金的α和β相组织
钛合金是一种具有许多优点的材料，具有高强度、轻质等特点，因此广泛应用于航空、航天、汽车等领域。
而钛合金的组织结构在它的性质和性能上也起着非常重要的作用，其中α和β相组织是钛合金最常见的组织形式。
钛合金的α相是一种排列有序的六方密排结构，具有极好的高温稳定性、刚性和延展性。
而β相则是一种面心立方结构，具有高比强度和高韧性等特点。
因此，钛合金的α相和β相组织的比例对于钛合金的性能和用途影响非常大。
一般情况下，钛合金的α和β相的比例可以通过不同的合金配方和热处理方法来调节。
例如，当钛合金中的β相含量较高时，其比强度和塑性会相应地增加，其应用于高强度轻量化领域会更为广泛。
而当钛合金中的α相含量较高时，其延展性和高温稳定性较好，适用于高温环境下的使用。
除了合金配方和热处理方法外，机械加工和热加工等工艺也可以对钛合金的α和β相组织进行调节。
例如，通过热加工可以使α相向β相转化，从而增加钛合金的塑性和韧性，但会相应地减少钛合金的强度和硬度。
总的来说，钛合金的α和β相组织对钛合金的性能和应用有着至关重要的作用。
在实际应用中，需要根据不同的领域和要求来选择调节合金中α和β相比例的方法，以满足各种使用场景下的性能要求。
第三章 钛合金及合金化原理
第三章钛合金及合金化原理3.1钛合金相图类型及合金元素分类1.钛合金的二元相图（1）第一种类型与α和β均形成连续互溶的相图。
只有2个即Ti-Zr和Ti-Hf 系。
钛、锆、铪是同族元素，其原子外层电子构造一样，点阵类型相同，原子半径相近。
这两元素在α钛和β钛中溶解能力相同，对α相和β相的稳定性能影响不大。
温度高时，锆的强化作用较强，因此锆常作为热强钛合金的组元。
（2）第二种类型β是连续固溶体，α是有限固溶体。
有4个：Ti-V Ti-Nb Ti-Ta Ti-Mo系。
V、Nb、Ta、Mo四种金属只有一种一种体心立方，所以它们与具有相同晶型的β-Ti形成连续固溶体，而与密排六方点阵的α-Ti形成有限固溶体。
V属于稳定β相的元素，并且随着浓度的提高，它急剧降低钛的同素异晶转变温度。
V含量大于15%时，通过淬火可将β相固定到室温。
对于工业钛合金来说，V在α钛中有较大的浓度（>3%），这样可以得到将单相α合金的优点（良好的焊接性）和两相合金的有点（能热处理强化，比α合金的工艺塑性好）结合在一起的合金。
Ti-V系中无共析反应和金属化合物。
Nb在α钛中溶解度大致和V相同（约4%），但作为β稳定剂的效应低很多。
Nb含量大于37%时，可淬火成全β组织。
Mo在α钛中的溶解度不超过1%，而β稳定化效应最大。
Mo含量大于1%时，可淬火成全β组织.Mo的添加有效地提高了室温和高温的强度。
Mo室温一个缺点是熔点高，与钛不易形成均匀的合金。
加入Mo时，一般是以Mo-Al中间合金形式（通过钼氧化物的铝热还原过程制得）加入。
（3）第三种类型与α、β均有限溶解，并且有包析反应的相图。
Ti-Al、Ti-Sn、Ti-Ca、Ti-B、Ti-C、Ti-N、Ti-O等。
5%～25% Al浓度范围内的相区范围内存在有序化的α2（Ti3X）相,它会使合金的性能下降。
铝当量Al*=Al% +1/3Sn%+ 1/6Zr% + 1/2Ga% + 10[O]% ≤ 8%～9% 。
钛合金介绍PPT课件
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2019/10/24 31
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魏氏组织α 片结构的断裂韧性与屈服强度的关系
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α 稳定元素和间隙元素的固溶强化
间隙元素的硬化能力比α 稳定元素大，源于形成强的 局部定向电子结合键。
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β稳定元素的钛固溶强化作用
α +β 型钛合金的退火组织为α +β ，以TC加顺序号表示其合金
的牌号。 合金同时含有β 相稳定元素和α 相稳定元素。组织以α 相为主，β 相的数量通常不超过30%。 合金可通过淬火及时效进行强化，多在退火状态下使用。α+β 型钛合金的室温强度和塑性高于α 型钛合金，生产工艺比较简单， 通过改变成分和选择热处理制度又能在很宽的范围内改变合金的 性能，应用比较广泛，尤以TC4用途最广，用量最多。
（1）产生β相共析分解的元素，如铬、钴、锰、钨、铁、镍、
铜、银、金、钯、铂等。随温度降低， β相会发生共析分解， 析出α相及金属间化合物相。铜、硅等合金化时，共析转变快， 析出TiCu2，Ti5Si3。而铁、锰、铬、钴、镍等合金化时则速率 较慢，即使连续缓慢冷却，也可能转变不完全，保留一些残余 的β相。当快速冷却时，共析反应可以被完全抑制，过冷β相可 保留到室温，而不产生相变。
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气体杂质元素的作用
氢：稳定β相元素。
在335℃下，氢在α -Ti的溶解度为0.18%，并随温度降低而迅速 下降。故α相钛合金很容易发生氢脆，脆化原因是生成TiH2氢化物， 一般纯α-Ti的冲击韧性αK≈180J/cm2，当w(H)=0.015%时， αK 降至30J/cm2。因此，具有α 及α ＋β 组织的钛合金要求含氢量低， 一般采用真空冶炼，使含氢量较低。
典型钛及钛合金的组织与性能综述
典型钛合金的组织与性能文献查阅总结1.α型钛合金α型钛合金中又分为全α型钛合金和近α型钛合金，工业纯钛属于α型钛合金，此外一般α合金含有6%左右的Al和少量中性元素，退火后几乎全部是α相，典型合金包括TA1~TA7合金等；近α型钛合金中除了含有Al和少量中性元素外，还有少量（不超过4%）的稳定元素，如TA15、TA16、TA17等。
1.1工业纯钛工业纯钛按杂质元素含量分为TA1、TA1ELI、TA1-1、TA2、TA2ELI、TA3、TA3ELI、TA4、TA4ELI9个牌号，相变点大约为900℃。
工业纯钛具有高塑性、适当的强度、良好地耐蚀性以及优良的焊接性能等特点，广泛应用于化工设备、滨海发电装置、海水淡化装置、舰船零部件等，其冷热加工性能好，可生产各种规格的板材、棒材、型材、带材、管材和丝材，一般在退火状态下交货使用。
典型的工业纯钛显微组织如图1-3所示：图1 TA1板材650℃/1h退火态组织：等轴α+少量晶间β图2 TA2大规格棒材600℃/1h退火态组织：等轴α图3 TA3板材800℃/1h退火态组织：等轴α+含有针状α转变的β1.1.1 TA1钛管的组织与性能[][]庞继明，李明利，李明强等. 退火温度对TA1钛管材组织和性能的影响[J]. 钛工业进展. 2011, 28(2): 26-28研究方法：TA1铸锭经过2500t水压机开坯锻造和1600t卧式挤压机热挤压，最终获得φ45×7mm的管坯。
管坯经两辊和三辊管材冷轧机轧制成φ12×1.25mm的管材。
将管材置于真空热处理炉中，分别加热至450，475，490，500，550，600，650，700℃，保温90min，随炉冷却。
a）TA1钛管的显微组织图1为冷加工态及不同的温度热处理后的TA1管材横向显微组织。
可以看出，冷加工态的TA1管材组织混乱且有部分晶粒破碎不完全；700℃下的组织已完全再结晶、等轴化，与650℃的相比晶粒已明显长大。
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α相含量与钛合金拉伸性能的关系
随着初生相含量的增加，合金的抗拉强度和屈服强度 变化只有50MPa，而延伸率和断面收缩率则迅速增加。
α相含量与钛合金强韧性匹配关系
时效温度对Ti-10V-2Fe-3Al合金力学性能与次生尺寸的影响
随着次生α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加。
（三）对高温钛合金，采用钛合金近锻造 工艺，可获得高温综合性能好的双态组织
例子：发动机用TC11和TC17高温钛合金
西北工业大学
℃
近β锻造
15
β
相转变点
α
α+β
TC11
钛合金二元相图示意
Ti β稳定元素含量（%）
TC17
近锻造工艺即在相变点以下15℃加热锻造，并控制锻后冷 却方式等得到的双态组织（或三态组织）具有良好的蠕变和 持久性能的综合匹配
(1) 等轴组织；(2) 混合组织； (3) 网篮组织；(4) 魏氏组织
钛合金组织类型的工程化定义
适合工程应用 的分类
1、等轴组织
２、网篮组织
３、双态组织4、片Βιβλιοθήκη 组织钛合金组织类型的工程化定义
近型合金
+型合金
近型合金
等轴组织及其类型变化
● 等轴组织＝(α等 + β转) ● 特征： α等轴≥40％以上
（二）对中等强度钛合金，采用钛合金 准热处理工艺，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
例子：中强高损伤容限型TC4-DT钛合金
621所
采用新型“钛合金准热处理工艺”(专利号ZL 2.3)，解决了：(1) 片层组织塑性低；(2) 复杂截面特大型锻件组织性能均匀性； (3) 普通热处理在实际生产控制难等技术关键。
钛合金组织类型的工程化定义
钛合金组织与性能的一般关系
钛合金组织与拉伸性能的关系
拉伸性能：退火（片层）组织塑性最差、 双态最好、 加
工（网篮）组织各向异性大
钛合金组织与断裂韧性关系
断裂韧度KIC：
退火组织较高、 双态居中、 加工组织最高
钛合金组织特征与da/dN性能关系
da/dN : 退火组织最低、 加工组织居中、双态最差
（一）对高强度钛合金，采用钛合金准 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
例子1：高强韧损伤容限型TC21钛合金
621所
采用新型“准锻造工艺” (授权发明专利: ZL 01131237.8)，控制复杂、变截面、大尺寸整体 航空锻件的网篮组织均匀性，获得了具有高强、 高韧、高疲劳性能和低da/dN的综合性能。
钛合金组织与疲劳性能关系
疲劳强度：
退火(片层)组织居中、 双 态最好、 加工(网篮)组织
各向异性大
原始β晶粒尺寸与钛合金性能匹配关系
随着β晶粒的增大，合金的断裂韧性和屈服强度逐渐降低
Microstructures A>B>C
强韧性匹配：退火组织只提高强度时，塑性与韧性大为降低
使用性能：晶粒粗大时，强度与韧性变化不大，但塑性与疲劳强 度却大为降低
● 等轴α，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态
钛合金组织类型的工程化定义
近型合金
+型合金
近型合金
双态组织及其类型变化 （混合组织）
● 等轴组织＝(α等 + β转) ● 特征： α等轴≤40％ ● 等轴α，有球形、椭圆形、橄榄形、棒锤形、短棒形等多种形态
钛合金组织类型的工程化定义
破碎晶界
1
TC21钛合金相比美Ti62222S钛合金具有更加优异的综合性能匹配
例子2：高强韧TC18(BT22)钛合金
TC18钛合金是我国大型运输机大量选用的高强韧钛合金， 也采用新型“准锻造工艺” ，获得了高性能综合匹配。
例子3：中强度TC6(BT31)钛合金
TC6钛合金是普遍应用的中强度钛合金，采用新型“准锻 造工艺” ，也获得了高性能综合性能，并在某歼击机上得 到应用。
✓成分决定了合金类型
✓工艺决定了组织类型
✓组织决定了性能
钛合金组织参数(D、d、b、)对性能的影响关系
钛合金组织类型的工程化定义
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
国外一般分类
钛合金组织类型的工程化定义
普通分类方法
国内普通分类
(1) 片层组织；(2) 过渡组织 (3) 球状组织
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
钛合金组织控制技术，实现综合高性能目标
综合高性能
1、基本要求：强韧性匹配、强塑性匹配 2、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 3、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） 4、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、
断续晶界
网篮组织及其类型变化
● 网篮组织＝β转（变形的） ● 特征： α等轴＝0％
● β转（变形的） 具网篮编制状为主要特征
大块
钛合金组织类型的工程化定义
粗大片层
典型片层 片层组织及其类型变化
针状细小 （魏氏组织）
● 片层组织＝β转（不变形的） ● 特征： α等轴＝0％
● β转（不变形的） 以片层状为主要特征，片层厚度不同，形态不同（6级）
1200 1000
Ti-62222S TC21 TC4
8.00E-04 6.00E-04
800
4.00E-04
2.00E-04 600
0.00E+00
400
1 2 3 4 σb(MPa)
强度
KIC(MPa·m1/2) 断裂韧性
σD(R＝0.1/Kt=1) 疲劳强度
da/dN(△K=33) 裂纹扩展速率
TC4-DT钛合金大量应用于我国新一代飞机安全寿命级关键承力部件上
与美国Ti-6Al-4V ELI合金对比
美国F-22飞机和C-17等大型运输机上也大量采用了普通退 火态的Ti6Al4V ELI损伤容限钛合金，在其它性能相当的情况 下，TC4-DT钛合金采用准热处理可得到较高的塑性与疲劳 性能（以满足我国飞机设计需求）。
钛合金材料组织性能关系
提纲
1 钛合金成分－工艺－组织－性能四要素 2 钛合金组织类型的工程化定义 3 钛合金组织与性能的一般关系 4 钛合金组织控制技术，实现综合高性能目标 5 几个研究热点问题 6 结语：存在的主要差距与建议
钛合金成分-工艺-组织-性能四要素
钛合金成分、工艺、组织和性能四要素