Ti-Al相图(工程材料科学与设计)

Ti-Al相图一、钛的基本性质与合金化①有同素异构转变。α，hcp|882℃|β，bcc②比强度高。ρ=4.51g/cm3，可保持到550～600℃③耐蚀性好。形成保护膜,耐海水腐蚀性是最好的④低温性能好。在77K下仍有良好的力学性能⑤导热系数低。比铁低4.5倍，易产生热应力主要合金元素有A1、Zr、V、Mo、Mn、Cr等合金元素的质量分数（%）（a）Ti-Sn(Al等)（b）Ti-V(Mo等)（c）Ti-Mn(Cr等)（d）Ti-Zr图钛与常见合金元素间的四种典型二元相图二、钛合金的相变特点1、马氏体转变基本概念β相(bcc)→α′六方马氏体(hcp)；→α″斜方马氏体。tc：当T淬↓到一定温度，β相浓度↑到Ck时，淬火到室温β相也不发生M转变的临界淬火温度。Ck和tc是非常重要的两个参数。Ck：Ms↓室温时β相不发生M转变的合金浓度钛合金M是置换型过饱和固溶体，与钢间隙式M不同2、ω相的形成β稳定型钛合金的成分位于临界浓度Ck附近时，淬火时除形成α′或βr外，还能形成淬火ω相，用ωq表示。特点性质ωq是六方晶格，与β相有共格关系。ω相形状与Me原子半径r有关，r与钛相差较小的合金，ω相是椭圆形，Δr相差较大时为立方体形ω相硬而脆，虽↑↑强度、硬度和弹性模量，但塑性急剧↓。一般情况下,ω相是有害组织，在热处理时都要避开它的形成区间。加A1能抑制ω相的形成→大多数工业用钛合金都含有A13、亚稳定相的分解淬火形成的α′、α″、ω和βr相都是不稳定的最终产物都是平衡α+β相β共析型的分解产物是α+TixMy化合物各种亚稳相分解过程（1）过冷βr相分解;（2）马氏体分解,钛合金α′、α″在300~400℃发生快速分解，在400~500℃回火时→弥散度高的α+β相混合物，弥散强化。（3）ω相的分解.三、常用钛合金Ti合金按退火组织可以分为:分类α钛合金,以TA表示；β钛合金,以TB表示；α+β钛合金，以TC表示.符号后面的数字表示顺序号。各类合金特点α钛合金高温性能好，组织稳定，焊接性好，是常用耐热钛合金，但常温强度低，塑性不高α+β钛合金可热处理强化，常温强度高，中温的耐热性也不错，但组织不够稳定，焊接性差β合金塑性加工性好，合金浓度适当时，通过热处理可获得高的常温力学性能，是发展高强度钛合金的基础，但组织不够稳定，冶炼工艺复杂应用程度:α+β合金α合金β钛合金1、α钛合金主要Me是Al和Sn，固溶强化:+1%Me，强度↑35~70MPaAl作用特点A1在α相中固溶度很大,↑耐热性(500℃)但Al＞6％后→与α共格有序相α2（Ti3Al）α2是硬而脆中间相，对合金塑韧性不利。Al大于25%后，则出现γ相（TiAl）应用特点一般工业用钛合金Al含量很少超过6％。α钛合金使用温度≯500℃。α钛合金不能热处理强化，退火或热轧态下使用。TA7是应用最多的一种。TA4~TA6是Ti-Al系二元合金2、α+β钛合金合金化特点含4~6%的β稳定元素→α和β都有较多量。+α\β元素→α和β同时强化。α+β合金性能主要由β相元素来决定。α相元素主要是铝，6~7%→以免生成α2而↓韧性。另补加少量中性元素锡和锆。β元素选择较复杂。+Mo和V等，再适当+少量Mn和Cr或微量Si。性能特点α+β钛合金力学性能变化范围较宽，可适应各种用途，约占航空工业使用的钛合金70％以上。目前国内外应用最广泛的α+β钛合金是Ti-A1-V系的Ti-6A1-4V，即TC4合金。3、β钛合金β钛合金是发展高强度钛合金潜力最大的合金。热处理特点合金化特点：加入大量β稳定元素。热处理特点:室温为单相β组织，经时效可↑↑强度。淬火态下能冷成型→进行时效处理。性能特点与应用强韧性优于α+β合金，具有良好的焊接性和压力加工性。缺点是β元素浓度高，密度↑，易偏析，性能波动大。β相元素多是稀有金属，价格↑，≯200℃使用，应用受限制.目前应用仅TB2，主要用于制造各种整体热处理的冲压件和焊接件；如轮盘、轴类等重载荷旋转件，以及飞机的构件等四、钛及钛合金的发展与应用1、钛合金生产工艺冶炼技术：电子束重熔技术，真空冶炼等2、钛合金的新发展宇航工业：AlloyC是一个新型高温钛合金，使用温度高达650℃，用于制造发动机的排气管；船舶工业：深海潜水调查船的耐压壳体。近α钛合金Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo和α+β钛合金TC4；民品工业:电磁烹调器具、网球球拍、高尔夫球头；汽车工业:进、排气阀，目前仅用于赛车和运动汽车；化学工业:反应器、热交换器、吸收塔、冷却器等；医疗领域:骨骼整补等嵌入材料。钛合金是20世纪出现的一种新型结构材料。它具有密度小、强度高、耐高温和耐腐蚀等特点，且资源丰富，已成为航天、化工等部门广泛应用的材料α钛合金塑性差，且不能热处理强化.β钛合金主加元素是Cr、Mo、V等元素及少量铝。主要是时效硬化，因其明显的缺点,应用受到一定的限制α+β钛合金是目前最重要的钛合金。同时加入α稳定元素和β稳定元素，使α和β同时得到强化。力学性能变化范围较宽，可以适应各种用途，约占航空工业使用的钛合金70％以上。小结TiAl3→liquid(63wt%Al)+δ-Ti.+TiAlTiAl+TiAlTiAl+TiAl2+TiAl+TiAl+L+TiAlTiAl+LTiAl+TiAl+2700900110013001500Temperature,°C23TiAl+TiAl23TiAl+TiAl3TiAl+Al3TiAl+AlAllotropicphasechangeforTiAl3L+3+TiAl3TiAl+L1700ThephaseTi3Altransformsthea-Tiofthesamecompositionatapproximately1200°Candacompositionofapproximately21wt%Al(33atomic%Al).L+(Ti,V)(Ti,V)+(Ti)12+Comp.ofdecreasesinValongphaseboundary12Comp.ofincreasesinValongphaseboundaryMonotectoidisothermTemperatureoCCompositionofPhaseFractionofPhase$1$2α$1$2α80033680.460.5475025760.470.5370021800.470.53675+)I20840.50.5675-)I8430.60.46008920.570.43500941.50.550.45