钛合金
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。
纯钛和钛合金有什么区别【一文搞懂】
纯钛和钛合金的区别是怎样的呢？下面小编为大家详细介绍一下。
一、指代不同1、纯钛：钛具有银白色的金属光泽。
密度为4.51g·cm^-3，是最重的轻金属。
2、钛合金：是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1%，但其强度低、塑性高。
二、特性不同1、纯钛：熔点（1668±10）℃，沸点3260℃。
熔点比铁和镍高。
25C时的热导率为14.99W·（m·℃)^-1，只有铁的1/6，铝的1/16，对切削加工和焊接不利。
25C时的膨胀系数为8.36×10^-6℃^-1。
2、钛合金：钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。
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。
三、用处不同1、纯钛：纯钛在大多数介质中，特别是在中性、氧化性和海水等介质中有极高的抗蚀性。
在海水中的抗蚀性比铝合金、不锈钢和镍基合金还高；在工业、农业环境和海洋大气中虽经数年，表面也不发生任何变化。
2、钛合金：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。
另外，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。
纯钛在分类、性能和用途上的分析介绍。
一、纯钛的分类根据杂质含量，钛分为高纯钛（纯度达99.9%）和工业纯钛（纯度达99.5%）。
工业纯钛有三个牌号，分别用TA＋顺序号数字1、2、3表示，数字越大，纯度越低。
二、纯钛的性能Ti：4.507 g/cm3，Tm：1688℃。
具有同素异构转变，≤882.5℃为密排六方结构的α相，≥882.5℃体心立方结构的β相。
纯钛的强度低，但比强度高，塑性好，低温韧性好，耐蚀性很高。
钛具有良好的压力加工工艺性能，切削性能较差。
钛在氮气中加热可发生燃烧，因此钛在加热和焊接时应采用氩气保护。
三、纯钛的用途杂质含量对钛的性能影响很大，少量杂质可显着提高钛的强度，故工业纯钛强度较高，接近高强铝合金的水平，主要用于制造350℃以下温度工作的石油化工用热交换器、反应器、船舰零件、飞机蒙皮等。
钛合金的材料
钛合金的材料
钛合金是一种具有很高强度、良好的耐腐蚀性和优异的热特性的金属材料。
它由钛和其他金属元素（如铝、钒、铬等）混合而成，因此具有钛的优点，同时克服了钛的一些缺点。
钛合金广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械、化工等领域，成为一种重要的结构材料。
首先，钛合金具有很高的强度。
它的抗拉强度和屈服强度都比普通的钢材高出许多，因此在一些对强度要求较高的场合，如航空航天领域的航空发动机、航空器结构等，钛合金得到了广泛的应用。
与此同时，钛合金的密度却比钢轻，因此在重量要求较高的场合，如汽车、自行车等领域，也可以用钛合金来替代钢材，减轻结构的重量。
其次，钛合金具有良好的耐腐蚀性。
钛合金在常温下能够抵抗大多数酸、碱的腐蚀，因此在化工、海洋工程等领域也有广泛的应用。
此外，钛合金还具有很好的生物相容性，因此在医疗器械、人工关节等领域也有很多应用。
另外，钛合金还具有优异的热特性。
它的熔点很高，可以达到1668摄氏度，因此在高温环境下依然能够保持较好的强度和硬度。
这使得钛合金在航空航天领域的高温结构件、航空发动机叶片等方面有着广泛的应用。
总的来说，钛合金是一种优秀的材料，它具有很高的强度、良好的耐腐蚀性和优异的热特性，因此在航空航天、汽车、医疗器械、化工等领域有着广泛的应用前景。
随着科技的发展，相信钛合金在未来会有更广阔的应用空间。
钛合金简介介绍
熔炼
轧制
通过轧机对钛合金进行塑性加工，使其变形并获得所需的形状和尺寸。轧制工艺可以生产出薄板、厚板、棒材和管材等。
锻造
锻造是将钛合金加热至高温，然后通过模具进行塑性变形，以制造出复杂的形状和结构。锻造工艺可以提高钛合金的机械性能和疲劳寿命。
钛合金的焊接可以采用钨极氩弧焊、激光焊、电子束焊等多种方法。焊接过程中应严格控制热输入和保护气体，以防止金属过热和氧化。
尽管钛合金具有许多优良的性能和应用前景，但由于其市场认知度较低，很多企业和消费者对其了解不足。这限制了钛合金在市场上的推广和应用。
为了提高市场认知度，需要加强宣传和推广工作，例如通过举办展览、开展科普活动等方式，向公众普及钛合金的知识和优势。同时，政府和企业也可以通过政策支持和合作项目，推动钛合金在各领域的应用和发展。
钛合金的耐腐蚀性和环保性可以减少对环境的污染和破坏，有利于保护环境。
环境保护
钛合金的挑战与问题
05
由于钛合金的原材料成本较高，且生产过程中需要经过复杂的工艺流程，因此其生产成本相对较高。这限制了钛合金在某些领域的应用，如大规模制造和日常消费品生产。
为了降低成本，一些研究者和企业正在探索新的生产工艺和材料替代方案，例如利用钛废料进行再加工、开发低成本钛合金等。
表面处理的应用
钛合金的发展趋势和未来展望
04
钛合金具有高强度和低密度的特点，能够广泛应用于航空、航天、医疗等领域。
高强度
耐腐蚀性
加工性能
钛合金具有优异的耐腐蚀性能，能够在海洋、化工等领域发挥重要作用。
钛合金的加工性能优异，可以通过各种加工技术制成各种复杂形状和结构。
03
02
01
钛合金可以回收再利用，减少对环境的污染和资源浪费。
钛合金是什么材料
钛合金是什么材料
钛合金是一种由钛和其他金属或非金属元素组成的合金材料。
它具有低密度、
高强度、耐腐蚀、耐高温等优良性能，因此被广泛应用于航空航天、船舶制造、化工、医疗器械等领域。
钛合金的研究和应用对于推动现代工业的发展具有重要意义。
首先，钛合金的低密度使其成为一种理想的结构材料。
相比于钢铁和铝合金，
钛合金的密度更低，因此在航空航天领域得到了广泛应用。
它可以减轻飞机、火箭等载具的重量，提高燃料利用率，降低成本，同时也能够提高飞行器的载荷能力，延长使用寿命。
在船舶制造领域，钛合金也可以减轻船体重量，提高船舶的速度和燃油效率。
其次，钛合金具有优异的耐腐蚀性能。
在海水、酸雨、高温高压等恶劣环境下，钛合金能够保持良好的表面光洁度和化学稳定性，不易产生腐蚀和氧化。
因此，它被广泛应用于海洋工程、化工设备等领域。
在海洋平台、海底管道、化工容器等设备中，钛合金能够有效延长设备的使用寿命，减少维护成本，保障设备的安全运行。
另外，钛合金还具有良好的耐高温性能。
在高温环境下，钛合金仍能保持一定
的强度和刚度，不易变形和熔化。
因此，它被广泛应用于航空发动机、汽车发动机、石油化工设备等高温工作条件下的零部件制造。
钛合金的高温性能不仅能够提高设备的工作效率，还能够减少能源消耗，降低环境污染。
总的来说，钛合金作为一种先进的结构材料，具有低密度、高强度、耐腐蚀、
耐高温等优良性能，被广泛应用于航空航天、船舶制造、化工、医疗器械等领域。
随着科技的不断进步，钛合金的研究和应用将会得到进一步的推动，为现代工业的发展注入新的活力。
钛和钛合金的介绍
钛和钛合金的介绍
钛，是一种金属元素，它的化学符号是Ti，原子序数是17。
它和其他金属元素相比，既不能像铁那样形成金属间化合物（如TiC），也不能像钛那样形成氧化物（如TiO）。
因此，钛在工业
上被广泛用于制造火箭的推进系统、化工设备、飞机发动机、医
疗器械和军事上的防辐射设备等。
钛合金是一种比强度很高的材料，在航空航天领域中应用广泛。
它是一种比较难熔的金属，熔点和沸点都很低，在空气中不
易氧化。
钛合金的强度很高，比强度一般在35以上。
但它的延
展性和耐热性差，受高温作用容易被氧化而失去强度。
钛合金分为两大类：一类是普通钛合金；另一类是超低钛合
金（一般为Ti-6Al-4V）。
普通钛合金是由钛、铜、铝等元素组成的铁基和铝基合金。
超低钛合金由钛、镍、铁和铜组成。
目前，
美国已将镍和铁等元素掺入超低钛合金中，提高了超低钛合金的
强度和韧性。
钛及钛合金在常温下具有很好的强度和韧性，但在高温下强
度和韧性急剧下降。
—— 1 —1 —。
钛合金分级
钛合金分级
钛合金是一种高强度、轻质、抗腐蚀的金属材料，常用于航空、航天、医疗、海洋等领域。
根据其化学成分、热处理状态和机械性能等因素，钛合金可以分为多个不同的等级。
其中，常见的有4个等级：TA1、TA2、TA3和TA4。
TA1是最纯的钛合金，具有较高的强度和塑性。
TA2是最常用的钛合金，具有良好的可焊性、可锻性和抗腐蚀性。
TA3和TA4较少使用，但其强度和耐腐蚀性能均优于TA2。
除此之外，还有其他等级的钛合金，如高温钛合金、高强度钛合金等，应用范围更加广泛。
不同等级的钛合金适用于不同的工程领域，选择合适的钛合金等级可以提高材料的性能和使用寿命。
- 1 -。
钛合金主要成分合金元素
钛合金是一种重要的结构材料，主要由钛和其他合金元素组成，常见的钛合金主要成分包括：
1. 钛（Titanium）：是钛合金的基本元素，具有低密度、高强度、耐腐蚀等优良性能，是一种重要的结构材料。
2. 铝（Aluminum）：铝的加入可以提高钛合金的强度和硬度，同时降低密度，改善耐热性和耐腐蚀性。
3. 钒（Vanadium）：钒的添加可以提高钛合金的强度、硬度和热稳定性，同时改善其加工性能和耐磨性。
4. 铁（Iron）：铁对提高钛合金的强度和硬度有一定作用，但限制了其热加工能力，通常在含量中要控制。
5. 铬（Chromium）：铬的加入可以提高钛合金的耐腐蚀性能，尤其对氧化、硫化和盐水腐蚀有较好的抵抗能力。
6. 锆（Zirconium）：锆可以有效地提高钛合金的耐腐蚀性能和强度，降低氧化性能。
7. 镍（Nickel）：镍对改善钛合金的强度、韧性和耐磨性有一
定作用，但过多的镍可能会降低耐腐蚀性。
8. 铜（Copper）：铜可以提高钛合金的强度和硬度，同时影响其耐腐蚀性能。
以上元素是钛合金中常见的主要合金元素，它们的含量比例和组合方式会影响钛合金的性能特点，比如强度、硬度、耐腐蚀性、耐热性等。
不同的应用领域和要求可能需要选择不同的钛合金类型和成分配比。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
各位老师，大家上午好。
我今天试讲的内容为“铸造钛合金及其成形工艺”，分四个部分进行讲述。
一、铸造钛合金的分类
二、钛合金的特性
三、钛合金的铸造性能
四、钛合金的成形方法
一、铸造钛合金的分类
钛是同素异构体，熔点1720℃，882℃为同素异构转变温度。
α-Ti是低温稳定结构，呈密排六方晶格；β-Ti是高温稳定结构，呈体心立方晶格。
不同类型的钛合金，就是在这两种不同结构中添加不同种类、不同数量的合金元素，使其改变相变温度和相分含量而得到的。
室温下钛合金有三种基体组织（α、β、α+β），故钛合金也相应分为三类。
1.α钛合金
它是α相固溶体组成的单相合金。
耐热性高于纯钛，组织稳定，抗氧化能力强，500~600℃下仍保持其强度，抗蠕变能力强，但不能进行热处理强化。
牌号有TA7、TA8等。
2.β钛合金
它是β相固溶体组成的单相合金。
不经热处理就有较高的强度，淬火时效后合金得到了进一步强化，室温强度可达1373~1668MPa，但热稳定性较差，不宜在高温下使用。
牌号有TB1、TB2等。
3.α+β钛合金
它由α及β相组成，α相为主，β相少于30%。
此合金组织稳定，高温变形性能好，韧性和塑性好，能通过淬火与时效使合金强化，热处理后强度何必退火状态提高50%~100%，高温强度高，可在400~500℃下长期工作，热稳定性稍逊于α钛合金。
牌号有TC1、TC4、TC6等。
二、钛合金的特性
钛及钛合金是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料，具有许多优良特性，主要体现在如下几个方面：
1. 比强度高。
钛合金的密度仅为钢的60%左右，约4.5g/cm3，但强度却高于钢，如抗拉强度为686—1176MPa，是现代工程金属材料中最高的。
几种金属材料在不同温度下的比强度，可以看出，用钛合金代替钢和铝合金而降低重量是相当可观的。
资料介绍，自20世纪60年代中期起，美国将81%的钛合金用于航空工业，其中40%用于发动机构件，36%用于飞机骨架，甚至的蒙皮、紧固件及起落架等也使用钛合金，大大提高了飞机的飞行性能。
由于高的比强度，钛合金可能易于替代那些空间受限的铝合金及钢构件，如苏-27飞机起落架臂就采用钛合金。
2. 热强性好
往钛合金中加入合金强化元素后，大大提高了钛合金的热稳定性和高温强度，如在300~350℃下，其强度为铝合金强度的3~4倍。
3. 高温和低温性能优良。
在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽，目前新型耐热钛合金的工作温度可达550—600℃；在低温下，钛合金的强度反而比在常温时增加，且具有良好的韧性，低温钛合金在－253℃时还能保持良好的韧性。
4.钛的抗腐蚀性强。
钛在550℃以下的空气中，表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜，
故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中，其耐蚀性优于大多数不锈钢。
5.与复合材料的相容性好。
人们发现钛在与聚合物复合材料基零件接触的部位具有广泛的用途。
与铝合金相比，钛及其合金与碳纤维的电势更为接近，且具有较为相近的热膨胀系数。
近年来，世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展，在航空航天领域、舰艇及兵器等军品制造中的应用日益广泛，在汽车、化学和能源等行业也有着巨大的应用潜力。
钛合金在航空发动机上已取代铝合金、镁合金及钢构件。
目前先进发动机压气机盘、压气机叶片和风扇叶片以及机匣等均由钛合金制造，即实现压气机全钛化方案。
如阿波罗飞船，其用钛量高达1180kg。
钛合金在先进飞机上也获得大量应用，如苏-27飞机上各种钛合金零件的重量约占飞机结构重量的15%；美国第三代战斗机F-14和F-15上钛合金零件的总重量占飞机结构重量的比例分别为24%和27%，而美国第四代战斗机F-22上的钛合金用量已达41%。
三、钛合金的铸造性能
1. 化学活性大
钛和钛合金的化学活性大，能与空气中的氧、氮、氢、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、氨气等产生强烈化学反应，且易与铸造中常用的耐火材料发生化学反应，生成硬化层或脆性层，使得脆性加大，塑性下降。
2. 流动性和充填性能差
钛合金的熔点高，难以获得高的过热度，需要在外力的辅助作用下才能成形。
浇注前对铸型预热，也可以提高钛合金熔体的流动性
3. 导热性能差、弹性模量小
钛合金的导热系数仅为钢的1/7、铝的1/4；弹性模量为钢的1/2，刚性差、变形大，不宜制作细长杆和薄壁件。
铸造钛合金成形这么困难，为什么还要发展铸造钛合金呢？主要有以下一个方面的原因：1. 可以直接成形各种复杂形状和尺寸的近净尺寸或者净尺寸的结构件，提高材料的利用率，减少机加工量，缩短生产周期。
2. 相对于当结构件采用铸造方法成形时，其设计有很大的灵活性。
3. 随着铸造工艺的提高和热等静压技术在钛合金铸件方面的成功应用，较好的解决了铸件的质量问题，提高了铸件的可靠性。
四、钛合金的铸造工艺
一）熔炼工艺：
我国的钛铸造90% 以上熔炼与铸造设备都采用真空自耗电极电弧凝壳炉加离心铸造。
坩埚采用水冷铜坩埚，钛液的最大浇注量为500 kg。
自耗电极电弧熔炼法是以钛或钛合金制成的自耗电极为阴极，以水冷铜坩埚为阳极；大电流熔炼，钛电极的熔化速度远远大于钛的凝结速度，熔化了的电极以液滴形式进入坩埚，形成熔池；熔池表面被电弧加热，始终呈液态，底部和坩埚接触的四周受到循环水强制冷却，产生自下而上的结晶。
这种方法具有结构简单、维持费用低、大型化容易等优点，缺点是浇注温度难以调节和控制，一停弧后，金属液必须在3~5秒内全部从坩埚倒出，否则温度急剧下降，金属液过热度不高，使得液体流动性和补缩能力较差。
自耗电极电弧熔炼对电极的质量要求很高，要求电极内部组织致密。
熔炼过程中危险性较大，稍微操作不慎将会出现电弧损坏坩埚，造成坩埚外壁强制冷却的循环水进入坩埚，污染钛液，水蒸气损坏真空泵系统。
二）铸件造型工艺：
钛合金铸造的造型工艺主要有金属型、机加工石墨型、金属面层陶瓷型壳、氧化物陶瓷型壳。
1）金属型
金属型在钛合金铸造领域中，用作铸型的金属材料主要有铜、钢、铸铁、钨、钼等，与石墨加工型一起统称为硬模系统。
由于存在着工艺上的分型等难点，这种方法很难制造出复杂形状的钛铸件，而大多只在特定的铸件上使用。
2）石墨型
机加工石墨型强度高，退让性不好，对液态钛要产生激冷，常使铸件表面产生裂纹和冷隔，生产成本高、生产周期长。
石墨孔隙较大，容易吸潮，所以机加工石墨型使用前必须进行除油、除气处理，否则铸件表面氧化现象严重。
铸件尺寸比较大，壁比较厚（≥5mm），形状简单，所需数量只有一件或几件。
选择机加工石墨型。
3）陶瓷型
目前航空和航天工业上用的钛合金铸造结构件，98%以上都是熔模精密铸造的。
常用于钛合金熔模精密铸造铸型的有钨面层陶瓷型壳、氧化物陶瓷型壳。
其差别在于面层使用的耐火填料和撒砂以及粘结剂不同，工艺流程基本上是一样的。
（1）金属面层陶瓷型壳采用难熔金属钨粉作为耐火材料，金属钨的熔点高，与钛液接触时化学稳定性好，但是钨粉应具有较高的纯度，杂质含量不能超过规定标准，否则将影响钛铸件的品质。
（2）氧化物陶瓷型壳是将惰性氧化物做为面层型壳耐火材料。
各种氧化物材料按其对熔融钛合金的化学稳定性由低到高排列的顺序如下：SiO2、MgO、Al2O3、CaO、ZrO2、
Y2O3、ThO2。
ThO2由于具有放射性已基本不用。
CaO容易吸潮，所以阻碍了它的应用。
现在，用作熔模铸造型壳面层和邻面层的材料主要是Y2O3、ZrO2。
三）铸件成形
目前，铸造钛合金的成形通常采用重力浇铸和离心浇注。
除此之外，近年来压力铸造、真空加压铸造、电磁铸造、真空吸铸等也开始发展，不过还没在工业中获得应用。
1. 重力铸造
重力铸造是最早应用的浇注方法，靠浇口杯和直浇道金属压头的作用，使钛合金熔体平稳的充填铸型，并建立铸件顺序凝固的条件，从而铸造出质量合格的铸件。
研究表明，重力铸造时影响钛合金充型能力的最大因素是液态钛在铸型中的流动速度和液态钛的过热度。
而钛液在铸型中的流动速度是非常有限的，一般不会超过1.5m/s，因此重力浇铸只适合于铸造一些形状简单的大型厚壁钛合金铸件。
2. 立式离心铸造
钛及其合金在冷型浇注时凝固非常快，而且由于液态钛与铸型相互反应，在铸件成形过程中会出现大量气体，导致铸件出现气孔。
解决上述问题的途径是使金属液迅速充填铸型并提高金属液中的压力。
有人经过试验发现，要达到这样，金属液在铸型型腔中的运动线速度应当不低于0.8m/s，金属液中的压力应大于0.12Mpa，立式离心机的离心浇注可以满足这些要求。
对于航空航天用的一些形状复杂的薄壁结构件，只能采用离心浇注或者其外力辅助的成形方法。
研究表明：采用冷坩埚感应熔炼后进行离心浇注生产钛合金铸件，不仅可以提高钛合金熔体的充型能力、缩短充填时间，还可以节省原材料、降低成本，提高铸件精度，消除钛合金铸件的缩松和疏松，可以实现大尺寸、复杂、薄壁铸件的近净成形。