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1、钛合金热处理综述钛合金热处理综述姓名学号引言钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，因其具有质轻、高强、耐蚀、耐热、无磁等一系列优良性能，以及形状记忆、超导、储氢、生物相容性四大独特功能，被广泛应用在航空航天、舰船、军工、冶金、化工、海水淡化、轻工、环境保护、医疗器械等领域，并创造了巨大的经济和社会效益，在国民经济发展和国防中占有重要的地位和作用。钛是金属材料王国中“全能的金属”、“海洋金属”、“太空的金属”，从工业价值、资源寿命和发展前景来看，钛被视为继铁、铝之后处于发展中的“第三金属”和“战略金属”。根据在钛中加入稳定元素的多少及退火后的组织，钛合金可分为、近、+、近和钛合金。美

2、、日、俄罗斯以及中国等许多国家都高度重视钛合金的发展，各国根据不同国情和需求进行了各自的研发，现已得到了广泛的应用。 第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75%85%。其他许多钛合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。随后，美国在高强钛合金、钛铝金属间化合物、钛基和钛铝基复合材料及其相关的高新技术研究和应用方面都遥遥领先。除航空外领域，美国也将钛用在海洋开发、地热发电以及制作放射性废物处理的容器等方面，其发展的趋势是由军工到

3、民品，由飞机发动机到机体，由航空航天到一般产业。重点放在基础研究、合金设计、熔炼技术、加工工艺方面。目前美国在航空航天等军工领域的用钛量最大，自上世纪80年代后，各种先进战机和轰炸机中，钛及其合金的用量已稳定在20%以上。近年来，日本除了继续开拓钛在航空工业的应用外，仍以民用为主，而俄罗斯则以提高结构钛合金材料强度、改善加工性能、提高使用温度及改善熔炼技术为重点。我国钛产品80%以上用于石油、化工等民用工业，近期发展的主要目标是国内市场。目前，钛工业发展中呈现出许多技术上的创新，其中工艺性创新较成分创新多，体现在阻燃钛合金、钛基复合材料、纤维/钛层板等研发方面。 20世纪5060年代，主要是发

4、展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400提高到90年代的600650。A2(Ti3Al)和r（TiAl）基合金的出现，使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端（风扇和压气机）向发动机的热端（涡轮）方向推进。结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。另外，20世纪70年代以来，还出现了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形状记忆合金，并在工程上获得日益广泛的应用。 世界上已研制出的钛合金有数百种，最著名的合金有2030种，如Ti-6Al-

5、4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni、Ti-Pd、SP-700、Ti-6242、Ti-10-5-3、Ti-1023、BT9、BT20、IMI829、IMI834等2,4。据相关统计数据，2012年我国化工行业用钛量达2.5万吨，比2011年有所减少。这是自2009年以来，我国化工用钛市场首次出现负增长。近些年来，化工行业一直是钛加工材最大的用户，其用量在钛材总用量的占比一直保持在50%以上，2011年占比高达55%。但随着经济陷入低迷期，化工行业不但新建项目明显减少，同时还将面临产业结构调整，部分产品新建产能受到控制，落后产能也将逐步淘汰的

6、境地。受此影响，其对钛加工材用量的萎缩也变得顺理成章。在此之前，便有业内人士预测化工行业用钛量在20132015年间达到峰值。以当前市场表现看来，2012年整体经济的疲软有可能使得化工用钛的衰退期提前。一、钛合金在航空航天的应用钛的熔点16684，熔化潜热3.7-5.0千卡/克原子，沸点326020，汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子，临界温度4350，临界压力1130大气压。钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢，钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为 0.38-0.4K。在25时，钛的热容为0.126卡/克原子度，热焓1149卡/克原子，熵为7.33卡/克原子度，金属钛是顺磁性物

7、质，导磁率为1.00004。 钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%，断面收缩率可达70-80%，但强度低，不宜作结构材料。钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低、无毒无磁、可焊接、生物相容性好、表面可装饰性强等特性，是一种轻质高强度耐蚀结构材料，在武器装备中具有广泛应用前景，并已经广泛应用于航空、航天、化工、石油、电力、医疗、建筑、体育用品等领域。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。60年代中期，钛及其合金已在一般工业中应用，用于制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。钛及其合金已成为一种耐蚀

8、结构材料。此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金等。中国于1956年开始钛和钛合金研究；60年代中期开始钛材的工业化生产并研制成TB2合金。钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料，比重、强度和使用温度介于铝和钢之间，但比强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。钛合金在军用飞机中的用量迅速增加，达到飞机结构重量的20%25%。70年代起，民用机开始大量使用钛合金，如波音747客机用钛量达3640公

9、斤以上。马赫数小于 2.5的飞机用钛主要是为了代替钢，以减轻结构重量。又如，美国SR-71 高空高速侦察机(飞行马赫数为3，飞行高度26212米)，钛占飞机结构重量的93%，号称“全钛”飞机。当航空发动机的推重比从46提高到810，压气机出口温度相应地从200300C增加到500600C时，原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金，或用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片，以减轻结构重量。70年代，钛合金在航空发动机中的用量一般占结构总重量的20%30%，主要用于制造压气机部件，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机机匣、中介机匣、轴承壳体等。航天器主要利用钛合金的高比强度，耐腐蚀

10、和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机 也都使用钛合金板材焊接件。作为飞机机体结构和飞机发动机的主要结构材料之一，钛合金的应用水平是衡量飞机选材先进程度的重要标志之一，是影响飞机战术性能的一个重要方面。在国外第三代战斗机上，钛合金用量占机体结构重量比为20%25%，在第四代战斗机F-22（EMD）上已高达41%，其应用呈大幅度上升趋势。航空发动机的用钛量也在逐步增加，国外先进航空发动机的钛用量已达30%左右，例如V2500发动机的钛用量就高达31%，第四代发动机F119的钛合金用量为40%。在民用飞机方面，钛合金用量

11、也在逐步增长，A380用钛占总重量的10%，单机用钛材约60吨。空中客车的钛用量已从第三代A320的4.5%增至第四代A340的6%，而即将问世的A350客机的钛用量进一步提高至15%。世界各国国防系统和民航系统日新月异的发展，要求飞机及其发动机通过减轻结构重量等有效途径不断改善使用性能，提高安全可靠性和降低全寿命成本。60年来，钛合金通过持续的合金创新、工艺创新和工程应用，永不止步地一再挖掘出钛潜在的能力，其比强度、耐热性、抗蚀性等方面的优越性日益充分地发挥出来，成本较高的问题则逐渐得到不同程度的解决，使用可靠性也随设计应用经验的日积月累而不断提高。钛合金的发展态势恰恰适应了航空工业不断提升

12、的需求，甚至在某些方面以超前的姿态促进了飞机及其发动机的发展。飞机结构钛合金按抗拉强度这一特征要素可分为低强度钛合金、中强度钛合金、高强度钛合金、超高强度钛合金。低强度结构钛合金 抗拉强度700MPa【如TA1（370MPa）、TA2（440MPa）、TA3（540MPa）、TA16（480667MPa）、TA17（638882MPa）、TA18（620MPa）、TA21、TC1（590MPa）、TC2、Ti31（637MPa）、ZTA5（480MPa）、TA5（TA5-A）（585MPa）、Ti70（700MPa）、ZTi60（590MPa）等合金】其共同的特点是低合金化、高塑性和高韧性，并

13、具有高可焊性、可成型性和优良的耐海水腐蚀性等，主要用来制造各种钣金件、蒙皮、管材零件等。根据低强度结构钛合金在各应用领域的应用情况分析【确定低强度结构钛合金主干牌号有TA17（板材）、TC2（板材）、TA18（管材）、Ti31（板材、锻件、钛管）、Ti70（板材）、ZTi60（铸件）等】。中强度结构钛合金 700MPa抗拉强度1000MPa【主要有TC4、TC4-DT、TC6、TA15、Ti75（730MPa）、Ti80（880MPa）等】其主要特点是具有良好的综合性能，既有较高的强度，又有足够的塑性以及优良的焊接性能，多用于制造承力构件与厚板。经分析，中强度结构钛合金主干牌号有TA7（板材、

14、锻件）、TC4（钛板、锻件、丝材）、TA15（厚板、锻件）、Ti75（锻件）、Ti80（板材、锻件）。高强度结构钛合金 1000MPa抗拉强度1250MPa，主要有TB5、TB6、TB8、TC16、TC18、TC21等，主要用于制造强度要求高、代替钢可达到高减重效果的承力结构件、钣金零件和紧固件等。经综合分析，高强度结构钛合金主干牌号确定为TC21（锻件）、TC16（丝材）、TB6（锻件）。二、钛合金综述1.钛合金的分类及特点A.分类按照退火后组织特点可以分为如下三大类：（1）型钛合金此合金是指其退火组织以钛为基体的单相固溶体的合金。我国型钛合金的牌号为TA后加一个代表合金序号的数字，如TA1

15、、TA2、TA3等。型钛合金又可细分为全型合金，近型合金，+化合物型合金。（2）型钛合金这种合金是指其退火组织为相的钛合金，也称为两相钛合金。我国这类合金的牌号为TC，后跟合金序号，如TC4、TC5、TC6等。（3）型钛合金此类合金含稳定元素较多。我国这类合金的牌号为TB，后跟合金序号，如TB1、TB2等。型钛合金可进一步分为热稳定型合金、亚稳定型合金、近型合金。B.各类钛合金的特点分类成分特点组织特点性能特点典型合金型钛合金全型合金含有6%以下的铝和少量中性元素退火后，除杂质元素造成少量相外，几乎全是相密度小，热性能好，焊接性能好，低间隙元素含量有好的超低温韧性TA1TA7、TA7ELI近型

16、合金除铝和中性元素外，还含有少量（不超过4%）的稳定元素退火后，除有大量的相外，还有少量的（10%体积左右）相可热处理强化，有很好的热强性和热稳定性，焊接性能良好Ti75、TA12+化合物型合金在全合金基础上添加少量的活性共析元素退火后，除有大量的相外，还有少量的相以及金属间化合物有沉淀硬化效应，提高了室温及高温抗拉强度和蠕变强度，焊接性能良好TA8+型钛合金含一定量的铝和不同含量的稳定元素和中性元素退火后，有不同比例的相和相可热处理强化，强度及淬透性随稳定元素的增加而提高，可焊性较好，一般冷成型及冷加工能力差，TC4ELI合金有良好的超低温韧性，加工的TC4ELI合金有较好的损伤容限性能TC

17、3TC12、TC4ELI（续表）分类成分特点组织特点性能特点典型合金型钛合金热稳定型合金含大量的稳定元素，有时还有少量的其他元素退火后，全部为相室温强度较低，冷成型和冷加工能力强，在还原性介质中耐蚀性较好，热稳定性、可焊性好TB7亚稳定型合金含有临界浓度以上的稳定元素，少量的铝（一般不大于3%）和中性元素固溶处理（水淬或空冷）后，几乎全部为亚稳定相。时效时，相中析出相，时效后为相和相固溶处理后，室温强度低，冷成形和冷加工能力强，可焊性好；经过时效后，室温强度高，在高屈服强度下具有高的断裂韧性，在350以上热稳定性差，此类合金淬透性好TB1TB5、TB8TB9近型合金含有临界浓度左右的稳定元素和

18、一定的中性元素从相相区固溶处理后有大量的亚稳定相，还有少量的其他亚稳定相（或相），时效后为何相除具有亚稳定型合金的特点外，相区固溶处理后，屈服强度低，均匀伸长率高。+相区固溶处理、WQ或AC，时效后再高强度状态下断裂韧性以及塑性较高，而+相区固溶处理、FC后再中强度状态下，可获得高的断裂韧性及塑性TB6、TB102.合金元素A.合金元素分类周期表中各元素按与钛作用性质可归纳如下：在周期表上与钛同族的元素锆和铪具有与钛相同的外层电子结构和晶格类型，原子半径也相近，故它们与和钛均能无限互溶，形成连续固溶体；在周期表上靠近钛的元素，如钒、钼、铌、钽等与钛具有相同的晶格类型，能与钛无限互溶，在钛中有限

19、溶解；在外层电子结构、晶体类型和原子尺寸上都与Ti有较大的差异，如锰、铁、钴、镍等元素与钛只能形成有限的固溶体，超过溶解极限则形成化合物。B.合金元素作用工业钛合金中常用的合金元素有：铝、锆、锡、钒、钼、锰、铬、铁、铜、硅等。铝主要起固溶强化作用，每增加1Al，可使室温抗拉强度增加50MPa。铝在钛中的极限溶解度为7.5,一般加铝量不超过7。锡和锆为常用的中性元素，在钛和钛中均有较大的溶解度，常和其他元素同时加入，有补充强化作用，对塑性的不利影响比铝小，使合金具有良好的压力加工性能和焊接性能。钒和钼是稳定元素中应用最广的两种元素，对相起固溶强化作用，降低相变点，增加合金的淬透性，从而强化热处理

20、强化效果。锰、铁、铬等元素强化效果高，稳定的能力强，比钨、钼、铌轻，故应用较广。硅的共析转变温度较高（860），加硅可改善合金的耐热性能。加入少量的硼可以细化宏观组织。稀土元素可显著地提高合金的瞬时强度和蠕变强度。3.钛的相变A.同素异构转变纯钛在固态有两种同素异构体，即体心立方晶格的相和密排六方晶格的相，在882.5发生下列同素异构转变（从左到右为升温）：B.相转变i)相在快冷过程中的转变当钛合金自高温快速冷却（淬火）时，根据合金成分的不同， 相可以转变为马氏体、相或过冷等亚稳定相。(1)形成马氏体定义：稳定元素过饱和的固溶体为钛合金的马氏体。类型： 稳定元素含量不大，六方马氏体(板条状和针

21、状)； 稳定元素含量较大，斜方马氏体(细针状马氏体)。(2)相变形成条件：a)当合金成分在临界浓度Ck附近时，高温淬火由相形成。b)淬火后亚稳定相在550以下等温(回火)。相的特点：硬脆相，位错不能在其中移动。合金中出现时，强度、硬度升高，塑性、韧性降低。(3)淬火钛合金的亚稳定相图归纳起来，不同成分合金自相区淬火，可以得到六种组织，即、 m、 ( )、 ( )、 m。ii)相在慢冷过程中的转变对于稳定元素含量小于C的合金，无论从何种温度炉冷，其组织均为单相。但若采用空冷时，由于 的相变来不及进行到底，在组织中往往残留有少量的亚稳定相。当合金的范围为CB时，自相区慢冷，将从相中不断地析出相，随

22、着温度的降低，析出的相的数量不断增加，相的相对数量则不断减少。 和相分别沿着各自的溶解度曲线（AC和AB)变化。达到室温时，两相分别达到各自平衡浓度，室温得到平衡组织。iii)相共析反应和等温转变(1)共析反应 钛与铬、锰、铁、钴、镍、铜、硅等元素组成共析相图。在一定成分和温度范围内发生共析反应：(2)等温转变 等温转变分为高温和低温两部分。C.时效过程中亚稳定相的分解钛合金淬火形成的亚稳定相、及m，在热力学上是不稳定的，加热时要发生分解，其分解过程是比较复杂的。不同的亚稳定相分解过程不同，同一亚稳定相因合金成分和时效规程不同分解过程也不同。但最终的分解产物均为平衡状态的。若合金有共析反应，则

23、最终产物为TixMy,即在加热条件下：或TixMyD.钛合金二元相图 按照元素与钛的互溶情况可以将其二元相图分为如下四类：（a）：元素与-Ti或-Ti均无限互溶；（b）：元素与-Ti无限互溶，与-Ti有限互溶；（c）：元素与-Ti、-Ti均有有限溶解，并且具有共析反应；（d）：元素与-Ti、-Ti均有有限溶解，并且具有包析反应；三、热处理引言 热处理是把金属材料或工件经加热、保温和冷却处理后，改变金属组织结构和性能的加热工艺。因为它必须有加热过程，故称热处理。热处理是提高金属力学性能和物理化学性能，充分发挥金属材料潜能，并延长金属材料使用寿命的有力措施。 热处理是将钛材整体进行加热处理的过程。

24、钛材的热处理应用最多的是退火和固溶时效等基本工艺。 钛合金热处理的特点：（1）马氏体相变不会引起合金的显著强化（2）应避免形成相（3）同素异构转变难于细化晶粒（4）导热性差（5）化学性活泼（6）相变点差异大（7）在相区加热时晶粒长大倾向大。四、热处理基本原理4.退火 钛材的退火包括去应力退火、完全退火，以及双重退火和等温退火、真空退火等工艺方法。退火的原理是基于回复和再结晶等金属内部微观结构结构变化过程。A.回复 钛材经冷变形加工后，其晶格发生畸变，内部晶格产生大量的缺陷和位错等，使钛材内部能量升高，存在畸变能。它是冷变形，钛处于亚稳态，此时，容易发生内部结构变化的驱动力。当采用较低温度加热时

25、，钛晶格自发地进行点缺陷和位错运动，重新组合，并释放多余的畸变能。当，畸变能释放完，钛晶格的点缺陷和位错消失，过程停止，此时晶粒形状和大小回复到冷变形加工前的状态。整个过程即为回复。 经回复后，微观结构有了明显的变化，仍保持原有的晶粒状态，但消除了钛基体内的内应力。钛发生回复的温度低于再结晶温度，一般在500650C。B.再结晶 冷变形加工后钛材经过加热到一定温度时，在原来变形的组织中产生无畸变的新晶粒，性能发生明显的变化，而恢复到软化态，这一过程称为再结晶。 再结晶的微观组织表征因素是晶粒大小及其均匀性。一般希望再结晶后获得晶粒细小而均匀的结构。这种钛材塑性性能好，完全软化。此时晶格类型没有

26、变化，但力学性能发生了变化。 再结晶过程也是在变形钛材组织上发生再结晶晶粒的成核长大过程，该过程的动力学由成核和长大两个步骤构成。为了达到理想的晶粒，过程中应增加成核数量和抑制晶粒长大，使再结晶晶粒向细小而均匀的方向发展。 影响晶粒大小的因素有：钛的成分。一般情况下，钛及钛合金中所含合金成分和杂质含量越高，越容易获得再结晶细小晶粒。因为钛中合金元素或杂质会阻碍钛晶粒物质的晶界迁移，这有利于获得细小粒子。钛材的变形程度。变形程度越大，表明钛组织内积蓄的畸变能越大，越利于钛组织释放能量；同时钛晶粒形核时需要吸收能量。当形变程度大的钛组织释放出能供给形核所需能量时，利于成核，且增加成核数量，也利于再

27、结晶粒度变小。加热的温度和保温时间。一般地，加热温度和保温时间越长，越有利于晶粒的生成，容易获得钛材粗晶粒组织。发生再结晶的加热温度便是再结晶温度，再结晶温度一般是一个范围，在再结晶过程中往往还伴随一些其他组织变化。C.去应力退火去应力退火又称不完全退火。它的目的是消除在冷变形加工、冷成形和焊接等工艺中产生的内应力。退火温度不宜过高，一般在再结晶温度以下50200C，约为450650C。当进行不完全退火时，钛释放出因冷变形积蓄的大量畸变能，消除了内应力。此时钛内部组织一般情况下发生回复，钛晶粒形状和大小回复到原有状态，“加工硬化”消失，变成软化态，使冷变形的亚稳态回到稳定态。一般地，钛材工件退

28、火温度越高，保温时间越长，则内应力消除越彻底。消除内应力退火的冷却方式一般采用空冷，有时也可采用炉冷。D.简单退火为了消除残余应力，将工件加热到略低于再结晶开始温度进行的退火工艺。这种退火方式是冶金产品出厂时常用的一种。E.完全退火 钛及钛合金的完全退火使其组织内发生了再结晶。完全退火后，钛及钛合金内部组织和性能均匀，完全软化，并具有组织稳定性，以及合适的塑性和韧性，获得再结晶组织，故又称之为再结晶退火。一般它的退火温度选择高于再结晶开始温度100200C。再结晶温度过高，会导致组织粗大。F.等温退火和双重退火 等温退火和双重退火仅适用于+型钛合金。等温退火：将钛合金加热到多边化或再结晶以上、

29、低于(+)/转变点30100C的较高温度范围，然后转入另一炉中炉冷到相具有高稳定性的温度范围（此温度一般低于再结晶温度）内保温，随后在空气中冷却。与简单退火相比，在第二阶段保温的目的是使相充分分解，使相处于更加稳定的状态，使钛合金的性质和组织稳定，使钛合金具有比较高的塑性、热稳定性和持久强度。故等温退火适用于含钛较高的+型钛合金。双重退火：由二次加热、二次保温和二次空冷过程组成。第一次加热到低于(+)/转变点20160C的温度，保温并空冷；第二次加热到(+)/转变点以下300450C（高于使用温度）保温并空冷。双重退火的优点是，在第一次退火后，可保留部分亚稳定相，在经过第二次退火时可以充分分解

30、，即相充分分解，引起强化效应，可以改善+钛合金的塑性、断裂韧性和组织稳定性。双重退火与等温退火的区别在于，双重退火后的第一阶段，合金在空气中冷却到室温，之后将合金再重新加热到第二阶段的温度（此温度低于第一阶段的温度）。G.真空退火一般用于经过中间退火和表面处理、冷加工后的最终退火。首先，可以防止在进一步退火时钛材的氧化，同时使钛合金表面层的含氢量降低到安全浓度，消除产生氢脆的可能性。此外，降低残余应力和保证合金的力学性能及使用性能等。 常采用的真空退火温度为600850C，保温时间为11.5h，真空度要小于0.33Pa。为防止真空退火完毕的钛材表面氧化，应在真空退火冷却至250350C温度下向

31、炉内充入空气并出炉。5.固溶与时效处理（强化热处理） 固溶和时效处理是对钛及钛合金热处理强化的主要手段，由固溶处理和时效处理两种工艺组合而成。钛合金强化热处理与钢、铝的异同：（1）钢和钛淬火都可以得到马氏体，但钢的马氏体强度高，强化效果强，回火使钢软化；而钛马氏体硬度不高，强化效果不大，回火（时效）使合金弥散强化；（2）钢只有一种马氏体强化机理，而同一成分的钛合金有两种强化机理，即高温淬火相中所含稳定元素小于临界浓度，淬火转变为马氏体，时效时马氏体分解为弥散相使合金强化，低温淬火相中含有稳定元素大于临界浓度，则淬火得到过冷相，时效时相分解为弥散相使合金强化；（3）钛合金的固溶处理和时效过程与铝合金基本相似。 钛合金强化热处理主要用于+型钛合金及亚稳型钛合金。有的近钛