钛合金分类
一般将钛合金划分为型、+;型、;型钛合金。根据钛合金从;相区淬火后的相组成与;稳定元素含量关系的示意图,如图1所示。钛合金划分为以下六种类型,各类钛合金的主要特征如图2所示。
型钛合金:包括工业纯铁和只含稳定元素的合金;
近型钛合金:;稳定元素含量小于C1的合金;
马氏体+;型钛合金:;稳定元素含量从C1到Ck的合金,这类合金可以简称为+;型钛合金;
近亚稳定;型钛合金:;稳定元素含量从Ck到C3的合金,这类合金可以简称为近;型钛合金;
亚稳定;型钛合金:;稳定元素含量从C3到C;的合金,这类合金可以简称为;型钛合金;
稳定;型钛合金:;稳定元素含量超过C;的合金,这类合金可以简称为全;型钛合金。
图1 钛合金从;相区淬火后的相组成与;稳定元素含量关系示意图
图2 各类钛合金的主要特征
图3所示为整个相图中总体上各合金的抗拉强度分布水平(退火状态和固溶时效状态)和显微组织的变化规律。在Ckp附近的合金具有最细、最均匀的显微组织和最高的强度等级。成分和显微组织对钛合金的性能起着决定性的作用。对钛合金的成分-组织-性能的研究中已经逐步从定性分析转变为定量研究。
图3 钛合金;稳定元素含量与组织、性能的关系
Ⅰ-退火状态;Ⅱ-固溶时效状态
钛的合金元素
纯钛的塑性高,但强度很低,限制了其在工业生产中的应用。为了满足实际生产中高强度、耐腐蚀性等要求,人们向纯钛中添加一些合金元素形成铁合金。根据合金元素和杂质对钛的;转变温度的作用性质进行分类,可分为稳定元素、;稳定元素和中性元素,形成的四种类型的相图示意图,如图4所示。
图4 合金元素对钛合金相图的影响示意图
稳定元素
提高;转变温度,扩大相区,增大相稳定性的元素称为稳定元素[见图4(a)]。稳定元素主要包括:合金元素铝、镓、锗、硼和杂质元素氧、氮、碳等。铝是工业中最常用的稳定元素,通过置换固溶强化,加入适量的铝元素可以提高室温和高温强度以及热强性。因此,国内外各种类型的钛合金中几乎都添加了适量的铝。但是,铝含量超过7wt.%后,易形成脆性的Ti3Al相,在合金设计中要避免。镓和锗元素在实际生产中很少采用。硼元素被称为特殊钢的维生素,在钛合金中添加少量的硼可以细化晶粒,改善合金的性能。杂质元素氧、氮能大幅度提高钛的强度,同时也严重降低合金的塑性,因此,在实际生产中要严格限制其含量。碳元素对合金的强度及塑性影响较小,生产中比较容易控制。
同晶型;稳定元素
与钛具有相同的晶格结构和相近的原子半径,降低;转变温度,在;相中无限固溶,扩大;相区,增大;相稳定性的元素称为同晶型;稳定元素[见图4(b)]。它包括钼、钒、铌、钽等元素。其中,钼的强化作用最明显,可提高室温和高温强度,增加淬透性,并提高含铬和铁的合金的热稳定性。钼和钒的应用最广泛。铌的强化作用较弱,但也经常在钛合金中添加,特别是在Ti-Al系金属间化合物中添加铌以提高塑性和韧性。钽的强化作用最弱,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蚀性。
共析型;稳定元素
降低;转变温度,扩大;相区,还会引起共析转变的元素,称为共析型;稳定元素[见图4(c)]。这类元素包含的范围较广,且共析反应速度相差十分大。其中,铬、锰、铁等元素与钛共析反应温度较低,转变速度极慢,在一般热处理条件下转变难以进行,故称为非活性共析型元素;反之,硅、铜、氢、镍、银等元素,共析转变速度极快,淬火也无法抑制其进行,故不能将;相稳定到室温,称为活性共析型元素。铁是最强的;稳定元素之一,但热稳定性不好,熔炼时易产生偏析,因而应用较少,某些低成本的钛合金中可以添加铁元素替代昂贵的钒。铬是广泛添加的元素之一,加铬的合金具有高的强度和好的塑性,并可热处理强化,但某些条件下会因析出化合物而降低塑性。锰是早期合金设计广泛使用的元素,可提高强度和塑性,但某些条件下产生共析分解,不稳定。硅是提高热强性和耐热性的重要微量元素之一,大多数高温钛合金中都会添加,但一般不超过0.5%。氢作为有害元素要严格控制,其主要原因是析出氢化物造成氢脆。其他的元素铜、镍、银等应用很少。
中性元素
对;转变温度的影响不大的元素称为中性元素,主要有锆、铪和锡。锆和铪与钛的性质相似,原子尺寸也十分接近,能在相和;相中无限固溶。锆的室温强化作用弱,但高温强化作用强,通常用于热强钛合金;锡的室温强化更弱,会发生共析反应,但能提高热强性。
杂质元素对钛和钛合金的影响
钛中的杂质含量对钛的力学性能影响很大,杂质含量增多,可以提高其强度而降低塑性。氧、碳、氮是钛中经常存在的杂质,它们能提高钛的强度而降低其塑性,其中氮的影响最大,碳最小。
氢对钛的力学性能的影响主要体现在氢脆上。在钛中,氢的含量达到一定数值后,将大大提高钛对缺口的敏感性,从而急剧降低缺口试样的冲击韧性等性能。一般认为,钛中氢的质量分数应低于0.007%~0.008%,而不允许高于0.0125%~0.015%,因为高于这个含量,在组织上将析出氢化物,并出现明显的氢脆现象。
除氧、碳、氮外,对提高钛的强度影响较大的元素是硼、铍和铝。其他元素对钛的强度影响不那么强烈,影响程度依次为:铬、钴、铌、锰、铁、钒和锡。
杂质(N、O、C)含量wt.%
RB
σb/MPa
(抗拉强度)
δ/%
(断后伸长率)
ψ/%
(断面收缩率)
碘化法纯钛
53
29.1
42.9
72.7
氮含量 wt.%
0.05
82
40.8
21.4
51
0.134
102
79.5
14.7
-
0.157
104
84.5
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