金属结构材料-钛合金

先进金属结构材料——钛及钛合金TitaniumandTitaniumAlloy主要内容第四部分商业纯钛与α钛合金第三部分制备工艺第二部分基本问题第一部分简介第五部分α+β钛合金第六部分高温钛合金第七部分β钛合金第一部分简介1791年，英国牧师业余矿物学家WilliamGregory发现了一种新元素:他分析了英格兰Cornwall地区Menachan山谷Helford河中的磁性矿砂，并分离出了“黑色矿砂”，即现在的钛铁矿。他利用磁铁除去其中的铁，再用盐酸处理剩余物，得到了一种不太纯的新元素的氧化物—TiO2。1795年，德国柏林化学家MartinHeinrichKlaproth独立地从匈牙利产的矿石（即现在的金红石）中分解出了氧化钛，并根据希腊神话中Uranos和Gaia的孩子们的名字——Titans为其重新命名。Titans当时曾遭到父亲的极端憎恨，被监禁在地壳中，其情形与从矿石中难以提炼出来这种新元素类似，因此，他将该元素命名为Titanium。简介一百多年以后，1910年纽约Troy区RensselaerPolytechnicInstitute的MatthewAlbertHunter通过加热放在钢弹容器中TiCl4和Na的混合物制取了金属钛。最终卢森堡化学家WilhelmjustinKroll于1932年用TiCl4和Ca制取了大量的钛，他被称为钛工业之父。第二次世界大战初期，他到美国避难并在美国矿务局证明了用Ca取代Mg作为还原剂还原TiCl4可以商业化地提炼钛。直至今日，该方法仍然是应用最广泛的工艺，被称为“Kroll工艺”。第二次世界大战后，钛基合金很快称为航空发动机的关键材料。1948年杜邦公司首先开始商业化生产金属钛。简介钛在地壳中的含量为0.6%，是仅次于铝、铁、镁排在第四位的金属元素。遗憾的是，人们极少在地壳中发现高含钛量的矿石，且从未发现过纯钛。由于制取金属纯钛的难度很大，所以钛的价格很高。主要矿藏为钛铁矿（FeTiO3）和金红石矿（TiO2）。金属钛生产从1948年至今才有半个世纪的历史，它是伴随着航空和航天工业而发展起来的新兴工业。它的发展经受了数次大起大落，这是因为钛与飞机制造业有关的缘故。但总的说来，钛发展的速度是很快的，它超过了任何一种其他有色金属的发展速度。这从全世界海绵钛工业发展情况可以看出：海绵钛生产规模60年代为60kt/a，70年代为1l0kt/a，80年代为130kt/a，到1992年已达140kt/a。简介简介简介钛在航空上的应用：机身和航空发动机现代航空发动机上钛的用量约占25％波音777所用发动机简介钛的其它使用：钢铁及其它金属的强化元素因具有极好的耐腐蚀性能用作身体器官的代替品，如人工关节——生物材料高档消费品，如高尔夫球头、球杆——奢侈消费品……第二部分基本问题基本问题✈与氧气的反应活性高也使得钛在暴露于空气中时表面会形成一层稳定的氧化层，这就使得钛在恶劣环境下的腐蚀抗性很高，尤其是在酸溶液中。✈熔点高使得钛比铝的使用温度高了150℃左右。对氧气的高反应活性使得钛的最高适用温度在600℃左右，在此温度之上，氧在氧化层中的扩散变快，导致氧化层过度增厚，并且与钛合金连接处的氧化层变脆。2.1基本性质基本问题2.2晶体结构纯钛在822℃时有同素异形转变，从高温时的体心立方晶体结构（β相）变为低温时的密排六方结构（α相）。实际转变温度受间隙和置换元素的影响，因此转变温度受合金化程度的影响很大。基本问题基本问题2.2晶体结构六个(110)面是最密排面四个111是密排方向900℃时，纯β相钛的晶格常数a=0.332nm。β相：纯钛大于822℃存在α相：纯钛小于822℃存在室温时晶格常数为：a=0.295nm，c=0.468nm，c/a=1.587＜1.633(密排六方结构理论值)有三种密排面：底面（0002）棱面｛1010｝，三个柱面｛1011｝，六个三个坐标轴a1、a2、a3是密排方向〈1120〉2.3弹性α单晶钛的弹性模量E是γ的函数，γ是c轴与应力方向的夹角。单晶的剪切模量G也有类似的现象。多晶α钛的E随γ的变化没有这么显著。基本问题✈单晶无织构的α钛的E和G：随着温度的升高几乎是线性下降。基本问题β相的弹性模量在室温下无法测得，因为室温下β相不稳定。在β相稳定元素含量很高的两相钛合金中，例如含20%V的Ti-V合金，利用快速冷却，β相能够保持到室温。下图是水淬的Ti-V合金的数据。α+ββV含量在20%~50%之间时，β相的E随V含量的增加而增加。这说明总体上β相的模量比α相的低。V含量在15%左右时，β相的E的最大值是由于无热ω相的形成。V含量在0%~10%之间时，β相的E急剧降低，这是含有β相稳定元素的Ti的马氏体的典型现象。通常认为原因是，亚稳态的β相在施加载荷过程中转变为由应力导致的马氏体，这导致了低的弹性模量。但是最近发现，Ti-7Mo合金的E也只有很低的72GPa，但是这种合金是100%的马氏体，没有亚稳态的β相，所以模量的急剧减小的原因是β相稳定元素严重的干扰并削弱了晶格的结合力。对于退火的(α+β)两相区，E的最大值和最小值都没有，弹性模量在(α+β)两相区边界之间，是沿着两平衡相成分点间连线。（上图中的虚线）有趣的是，有些合金中的马氏体有亚稳态分解的倾向；相反，最常见的α相稳定元素（Al）增加α相的弹性模量。总体来说，商业β钛合金与α钛合金、α＋β钛合金相比，弹性模量E值是比较低的。对于商业β钛合金，典型水淬条件下的E值是70～90GPa，退火状态是100～105GPa。商用纯钛合金的E值是105GPa。商用α＋β钛合金的E值是115GPa。弹性能基本问题2.4变形机制密排六方α钛具有良好的塑性，尤其在低温条件下，主要是由于除了常规的位错滑移外，孪晶变形模式也被激活。对于商业纯钛和一些α钛合金，这些孪晶变形模式是很重要的。在双相α+β钛合金中，由于具有小的相尺寸、高的固溶度和Ti3Al沉淀相的析出，孪晶变形模式几乎完全被抑制，但合金在低温下仍有很好的塑性，主要是由于它们的相尺寸很小。bcc结构的β相在滑移之外也存在挛晶，但是β相中出现孪晶仅限于单相状态，并随着固溶度的增加而减少。在完全热处理的β相合金中，由于α颗粒的析出，孪晶完全被抑制，在这些合金中。时效前进行变形可能出现孪晶。一些商用β相合金也可能形成应变诱发马氏体来提高它们的变形能力，这种应变诱发马氏体的出现对成分很敏感。基本问题2.4.1滑移机制下图在六方晶胞中表示了α钛的滑移面和滑移方向。基本问题主要的滑移方向是三个110。包含伯氏矢量的滑移面有一个(0002)，三个{100}，六个{101}。这些滑移方向和滑移面组合起来得到12个滑移系，其中4个独立的滑移系（下表）。211基本问题2.4.2变形孪生•α钛主要的孪生方式是{102}，{111}和{112}。三个孪生系统的晶体学元素如下表所示。122基本问题在低温下，如果应力轴平行于c轴并且含有基面的伯氏矢量的位错无法开动，那么孪生机制对于塑性变形和延展性很重要。在这中情况下，{102}和{111}孪晶在拉伸变形中被激活，并引起沿c轴的延伸。最常见的孪晶是{102}，但它的孪晶剪切量最小（上表）。伴随着{111}孪晶的形状改变如下图所示。1122•在沿c轴的压缩下，{111}孪晶被激活，造成沿c轴的收缩。如下图2✈α钛中溶质原子（O、Al等）含量越高，越难发生孪生。因此，作为能造成沿着c轴的形状改变的变形方式，孪生只在氧含量低的纯钛或商业纯钛中才有重要的作用。基本问题