1、鈦及鈦合金

1）鈦的特性及應(yīng)用

鈦是地殼中分布最廣的元素之一，占地殼重量的0.56%，列居第9位，而鈦資源則僅次于鐵、鋁、鎂而列居第4位，比常見(jiàn)金屬 Cu、Pb、Zn的儲(chǔ)量的總和還多。許多國(guó)家包括我國(guó)在內(nèi)都認(rèn)識(shí)到鈦合金材料的重要性，相繼對(duì)其進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，并充分利用鈦合金實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

作為一種結(jié)構(gòu)與功能性金屬，人類研究鈦元素從20世紀(jì)中期發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)具備了一定的開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)。鈦的原子序數(shù)為22，相對(duì)原子質(zhì)量為47.87，其外觀呈灰色，有金屬光澤，還具有延展性、熔點(diǎn)高的物理特性。鈦的密度雖然較小，但是它的強(qiáng)度高，利用純度可以判別鈦的塑性，純度越高的鈦，其塑性越好，如果鈦中含有雜質(zhì)，就會(huì)明顯地降低其塑性。但是從某種角度講，鈦中含有少量適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)尤其是間隙雜質(zhì)，如碳、氮、氧則可以顯著提高鈦的強(qiáng)度，影響其機(jī)械性能。其實(shí)，工業(yè)生產(chǎn)中可開(kāi)發(fā)利用的鈦資源大多就是通過(guò)嚴(yán)格控制適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)含量，并添加合金元素而達(dá)到其利用價(jià)值。

鈦合金具有優(yōu)良的綜合性能，自 20 世紀(jì)中期以來(lái)已經(jīng)被認(rèn)為是一種新型的很有發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的結(jié)構(gòu)材料，它們也被認(rèn)為是一種很重要的輕質(zhì)材料。鈦合金耐腐蝕性好、比強(qiáng)度高、耐熱性高，在航空航天、軌道交通及軍事國(guó)防等領(lǐng)域都具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

鈦合金被認(rèn)為是一種輕質(zhì)合金。鈦資源在我國(guó)地殼含量相對(duì)豐富，儲(chǔ)量世界第一，但相比于鎂合金，鋁合金等其他主要的輕合金的應(yīng)用，鈦合金的應(yīng)用相對(duì)少許多。而鈦合金所具有的特殊優(yōu)異性能和發(fā)展?jié)摿ψ阋砸鹞覈?guó)對(duì)鈦合金應(yīng)用的重視。原生金屬鈦的產(chǎn)能消耗高，在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)伴有氯化污染物的排放，對(duì)環(huán)境十分不利。目前由于勞動(dòng)力及環(huán)境方面的因素，發(fā)達(dá)國(guó)家有將鈦生產(chǎn)基地轉(zhuǎn)移到發(fā)展中國(guó)家的趨勢(shì)，中國(guó)很可能成為鈦金屬的生產(chǎn)大國(guó)。另外，中國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，在可預(yù)計(jì)的幾年內(nèi)，這種趨勢(shì)還在繼續(xù)，對(duì)于鈦合金國(guó)內(nèi)應(yīng)用的發(fā)展前景肯定越來(lái)越好。我國(guó)鈦合金領(lǐng)域在以下幾個(gè)方面應(yīng)深化研究，鈦的低成本化制備、加工技術(shù)，大型優(yōu)質(zhì)鈦合金配料制備技術(shù)，繼續(xù)加強(qiáng)鈦的推廣應(yīng)用等 。

2）鈦合金的分類及牌號(hào)

鈦合金以鈦為基體，加入 Al、Sn、Mo、Mn等一種或幾種合金元素組成。按退火組織鈦合金可以分為三類：α鈦合金、β鈦合金、α+β鈦合金。三大類合金的特點(diǎn)和牌號(hào)如下：

（1）α鈦合金。此類型鈦合金的主要優(yōu)點(diǎn)是焊接性好、抗腐蝕性高、組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，缺點(diǎn)是強(qiáng)度低、變形抗力大、熱加工性差。

我國(guó)α鈦合金牌號(hào)為 TA，后跟一個(gè)代表合金序號(hào)的數(shù)字，TA4～TA8 都屬于α鈦合金;

（2）β鈦合金。此類合金塑性加工性能好，當(dāng)具有適當(dāng)?shù)暮辖饾舛葧r(shí)，通過(guò)強(qiáng)化熱處理，其常溫力學(xué)性能可獲得大幅度提高，發(fā)展高強(qiáng)度鈦合金也可以通過(guò)對(duì)鈦合金進(jìn)行熱處理，但其冶煉過(guò)程較復(fù)雜，從而使其組織結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定。合金牌號(hào)為T(mén)B，后跟合金序號(hào)，如 TB1，TB2 等;

（3）α+β 鈦合金。這類合金的特點(diǎn)是，力學(xué)性能高，可通過(guò)熱處理進(jìn)行強(qiáng)化，熱加工性好，耐熱性在中等溫度時(shí)較好，但組織結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定。合金牌號(hào)為 TC，后跟合金序號(hào)，如 TC3，TC4 等。

當(dāng)前應(yīng)用最多的是α+β鈦合金，其次是α鈦合金，β鈦合金應(yīng)用相對(duì)較少。若按性能特點(diǎn)分類，鈦合金可分為低強(qiáng)鈦合金、中強(qiáng)鈦合金、高強(qiáng)鈦合金、低溫鈦合金、鑄造鈦合金及粉末冶金鈦合金等。

3）鈦合金組織的特征及性能

α相和β相的組成、形態(tài)、分布以及位錯(cuò)、織構(gòu)等微結(jié)構(gòu)特征可以決定鈦合金的力學(xué)性能，鈦合金的組織結(jié)構(gòu)對(duì)鈦合金的性能有著重要影響，因此想要實(shí)現(xiàn)鈦合金在工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用，研究其微觀組織結(jié)構(gòu)具有很高的價(jià)值。

鈦合金相變具有復(fù)雜性、熱加工過(guò)程多樣性的特點(diǎn)，特別是兩相鈦合金中存在著多種組織，這些組織在晶粒尺寸、形貌、晶內(nèi)結(jié)構(gòu)上各不相同。兩相鈦合金，一般存在：魏氏組織、網(wǎng)籃組織、雙態(tài)組織以及等軸組織四大類。這幾類顯微組織的形成及組織特征如下：

當(dāng)兩相鈦合金變形開(kāi)始或終了溫度都在β相區(qū)，變形量小于50%時(shí)，或?qū)⒑辖鸺訜岬溅孪鄥^(qū)后較慢冷卻時(shí)，都能得到魏氏組織。魏氏組織特征是：原始β晶界清晰完整，晶界α相非常明顯，晶內(nèi)α相呈片狀規(guī)則排列。冷卻時(shí)，晶界處首先析出α相，形成晶界α相，同時(shí)由于變形量較小，晶界比較完整。隨后許多在晶界區(qū)的晶核從晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)，形成位向相同，相互平行的長(zhǎng)條狀組織。

當(dāng)冷卻速率不夠慢時(shí)，相在晶粒內(nèi)部也可形核、長(zhǎng)大。

兩相鈦合金在α+β相區(qū)上部溫度變形，或在α+β相區(qū)變形后，再加熱至α+β相區(qū)上部溫度然后空冷，便可形成雙態(tài)組織。其組織特征是大量的等軸初生α相分布于β轉(zhuǎn)變組織的基體上，但總含量不低于 50%。從α+β相區(qū)開(kāi)始冷卻時(shí)，合金組織中已存在α相，故冷卻過(guò)程中析出的α相可以在β晶界上形核，也可在原α相的界面上形核，之后才在β晶內(nèi)一定的晶面上形核。在α界面上形核析出的以相的位向與原來(lái)存在的以相的位向不同，冷卻速率影響其厚度，冷速越快，厚度越小。在晶內(nèi)形核析出的以相與殘留β相形成的混合物，稱為β轉(zhuǎn)變組織。

兩相鈦合金在低于雙態(tài)組織形成溫度（約低于相變點(diǎn) 30~50℃）的兩區(qū)變形，可獲得等軸組織。相對(duì)雙態(tài)組織等軸組織的特征是初生α相含量超過(guò) 50%，分布有少量β轉(zhuǎn)變組織。當(dāng)變形溫度很低時(shí)，β相中的β穩(wěn)定元素含量較高，比較穩(wěn)定，冷卻時(shí)β相內(nèi)不會(huì)析出次生相，其組織特征是等軸α相晶粒間有少量的殘留β相。若加熱到α+β相區(qū)上部溫度后，以極慢冷度冷卻，則次生α相不在β晶內(nèi)形核析出，而是沿初生α邊界析出，與初生α連在一起，也得到等軸組織。

而不同顯微組織的性能特點(diǎn)也各不相同：魏氏組織主要的優(yōu)點(diǎn)在于，斷裂韌性高，疲勞裂紋擴(kuò)展速率低。原因在于魏氏組織中裂紋擴(kuò)展路徑曲折，增加了裂紋的總長(zhǎng)度，故需消耗更多的能量；而且裂紋分叉較多，分散了裂紋尖端應(yīng)變場(chǎng)，在破壞中吸收的能量大，突出的弱點(diǎn)是塑性差。

網(wǎng)籃組織的塑性高于魏氏組織；雙態(tài)和等軸組織性能特點(diǎn)恰與魏氏組織相反，具有較高的塑性和疲勞強(qiáng)度，并且因?yàn)樽冃螀f(xié)調(diào)性好，不容易產(chǎn)生孔洞，裂紋萌生困難；其缺點(diǎn)是斷裂韌性、疲勞裂紋擴(kuò)展性能和高溫性能不如魏氏組織，原因在于裂紋在雙態(tài)和等軸組織中擴(kuò)展時(shí)路徑平直，分枝少，在破壞時(shí)吸收的能量少。

2、Ti-6Al-4V 鈦合金及其熱處理

作為α+β兩相合金，Ti-6Al-4V 合金應(yīng)用最為廣泛、成熟。在20世紀(jì)50 年代初期，美國(guó)的Illinois技術(shù)研究所研發(fā)出的Ti-6Al-4V合金，同時(shí)是鈦合金中生產(chǎn)較早的一種。

從該合金問(wèn)世，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們就開(kāi)始對(duì)它進(jìn)行不斷的研究，促進(jìn)了今天成熟的鈦合金加工技術(shù)。但近些年由于科研理念的改變，由之前純粹的靜強(qiáng)度研究思想轉(zhuǎn)變成破損安全研究和損傷容限科研理念 ，由于其現(xiàn)在新興領(lǐng)域得到進(jìn)一步的應(yīng)用，使Ti-6Al-4V 合金的動(dòng)態(tài)性能在實(shí)踐中更深層次的檢驗(yàn)。由大量的資料文獻(xiàn)可知，影響Ti-6Al-4V 合金的疲勞性能規(guī)律的因素也得到進(jìn)一步的研究，其中包括顯微組織、織構(gòu)、熱處理、截面大小、加載方向、應(yīng)力比、表面狀態(tài)及腐蝕環(huán)境。這使得 Ti-6Al-4V 合金再度成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)新材料。因鈦合金常應(yīng)用于航空構(gòu)件中，因此會(huì)受到高速?zèng)_擊載荷作用，在高應(yīng)變率變形中鈦合金容易形成不穩(wěn)定的變形，由于鈦合金的高絕熱剪切破壞傾向，其在諸如裝甲和侵徹等高應(yīng)變率環(huán)境下的應(yīng)用，已經(jīng)是鈦合金應(yīng)用中的關(guān)鍵性問(wèn)題，因此學(xué)者們更加的關(guān)注其動(dòng)態(tài)性能。

并且Ti-6Al-4V合金的耐熱性、強(qiáng)度、塑性、韌性、成型性、可焊性、耐蝕性和生物相容性優(yōu)異，成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金。

根據(jù)精煉程度，將 Ti-6Al-4V 合金分為普通 TC4 和 TC4（ELI），其各自的化學(xué)成

分如表1-1所示。

根據(jù)間隙元素氧的含量劃分該級(jí)別，工業(yè)級(jí) Ti-6Al-4V合金中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%～0.20%；而ELI級(jí) Ti-6Al-4V 合金中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.1%～0.13%，同時(shí) ELI級(jí) Ti-6Al-4V 合金的強(qiáng)度及延展性相比工業(yè)級(jí)稍低；而 ELI 級(jí)的斷裂韌性要高出工業(yè)級(jí)的約25%。測(cè)得力學(xué)性能：σ b =896MPa、σ s =869MPa、E=110GPa、G=42.7GPa、ρ=4.43g/cm 3 。Ti-6Al-4V 合金占到鈦合金總產(chǎn)量的50%，占到全部鈦合金加工件的 95%。但對(duì)于損傷容限要求嚴(yán)格的部件，ELI 級(jí) Ti-6Al-4V 合金更實(shí)用，而工業(yè)級(jí) TC4 鈦合金通常應(yīng)用于材料以抗拉強(qiáng)度為設(shè)計(jì)依據(jù)。

Ti-6Al-4V合金表現(xiàn)出良好的熱處理強(qiáng)化能力，其熱處理的典型特征為：馬氏體相變先在淬火過(guò)程中發(fā)生，或保留高溫組織，合金的韌性塑形稍微提高，強(qiáng)度硬度稍微降低。而在之后的時(shí)效過(guò)程中，隨著亞穩(wěn)定相和中間相的生成，合金硬度、強(qiáng)度升高，塑形、韌性降低  。

以下是TC4鈦合金典型的熱處理工藝：

（1）去應(yīng)力退火：600℃、2～4h，空冷；

（2）工廠退火：700℃、2h，空冷或800℃、1h，空冷；

（3）再結(jié)晶退火：930℃、4h，爐冷至480℃，出爐空冷；

（4）雙重退火：940℃、10min，空冷+700℃、4h，空冷；

（5）固溶處理過(guò)時(shí)效：940℃、10min，水冷，700℃、4h，空冷；

（6）固溶處理+時(shí)效：940℃、10min，水冷，540℃、4h，空冷，或900℃、30min，水冷，500℃、8h，空冷。

工廠退火使合金強(qiáng)度高，但塑形、斷裂韌性低，其他退火制度可有效改善塑形、斷裂韌性及裂紋擴(kuò)展能力。通過(guò)預(yù)先β退火后，再進(jìn)行兩相區(qū)的熱處理也可以大大改善合金的斷裂韌性和抗蠕變性能。

提高合金的抗拉強(qiáng)度也可以通過(guò)固溶時(shí)效處理（σ b 能達(dá)到1250MPa左右），但會(huì)降低斷裂韌性。由于該合金的淬透性低，只有小零件適用該種強(qiáng)化熱處理。

不同的熱處理工藝可實(shí)現(xiàn)鈦合金獲得不同的組織，并且鈦合金的性能取決于合金的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。因此，不同的熱處理工藝會(huì)影響鈦合金的性能。

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