钛合金及应用讲义 (10).pdf

1 知知识识点点讲讲义义 授课题目 第 3 章 钛合金及合金化原理 知识点 2 合金元素及其作用 教学目的 和要求 理解钛合金元素及其作用 教学重点 钛合金元素及其作用 教学难点 无 教学进程 教学内容、教学设计、教学过程 教学目标教学目标 1：钛合金及合金化原理 教学内容及过程设计：根据各种元素与钛形成相图的特点，及对钛的同类异形转变的影响，加入钛中的合金元素可分成：提高-转变温度的 稳定元素：降低-转变温度的稳定元素；对同素异形转变温度影响很小的中性元素。(1)稳定元素 能提高相变温度的元素，称为稳定元素，它们在周期表中的位置离钛较远，与钛形成包析反应，这些元素的电子结构、化学性质与钛的差别较大。铝是最广泛采用的、惟一有效的稳定元素，钛、铝二元相图见图 3-2，钛中加入铝，可降低熔点和提高转变温度，在室温和高温都起到强化作用，此外，加铝也能减小合金的比密度，含铝量达 6%7%的钛合金具有较高的热稳定性和良好的焊接性，添加铝在提高转变温度的同时，也使稳定元素在相中的溶解度增大，因此铝在钛合金中的作用类似于碳在钢中的作用，几乎所有的钛合金中均含铝。铝原子以置换方式存在于相中，当铝的添加量超过相的溶解极限后，出现以 Ti3Al 为基的有序 a2 固溶体，使合金变脆，热稳定性降低。因此钛合金对铝的最高含量一直有限制。随着材料科学的发展，业已发现 Ti-A1 系金属同化合物的密度小，高温强度高，抗氧化性强及刚性好，这些优点对航空航天工业具有极大的吸引力。铝含量分别为 16%及 36%的 Ti3Al 和 TiAl 基合金，是很有前途的金属间化合物耐热合金。除铝外，镓、锗、氧、氮、碳也是稳定元素。镓属于稀贵元素，其应用仍处于研究阶段。氧、氮、碳一般为杂质元素，很少作为合金的添加元素使用。(2)中性元素 对钛的元素转变温度影响不明显的元素，称为中性元素，如与钛同族的锆、铪(见图 3-3)。中性元素在、两相中有较大的溶解度，甚至能够形成无限固溶体。另外，锡、铈、镧、镁等，对钛的转变温度影响不明显，亦属中性（见图 3-4），中性元素加入后主要对相起固溶强化作 用，故有时也可将中性元素看作稳定元素。钛的合金中常用的中性元素主要为锆和锡，它们在提高相强度的同时，也提高其热强性，但其强化效果低于铝，它们对塑性的不利作用也比铝小，这有利于压力加工和焊接，2 适量的铈，镧等稀土元素，也有改善合金的高温拉伸强度及热稳定性的作用。(3)稳定元素 降低钛转变温度的元素，称为稳定元素，根据相图的特点，又可分为同晶元素及共析元素。同晶元素，同晶元素，如钒、铝、铌、钽等，在周期表上的位置近钛，具有与钛相同的晶格类型，能与钛无限互溶，而在钛中具有有限溶解度，图 3-5图 3-7 所示为钛-钼、钛-钒、钛一铌系相图。由于同晶元素的晶格类型与钛相同，它们能以置换的方式大量溶入钛中，产生较小的晶格畸变，因此这些元素在强化合金的同时，可保持其较高的塑性，含同晶元素的钛合金，不发生共析或包析反应而生成脆性相，组织稳定性好。因此同晶元素在钛合金中被广泛应用。共析元素，共析元素，如锰、铁、铬、硅、铜等，在、钛中均具有有限溶解度，但在钛中的溶解度大于在中的，以存在共析反应为特征，按共析反应的速度，又可分为慢共析元素和快共析元素。慢共析元素有锰、铁，铬、钴和钯等(见图 3-8图 3-10)，它们的加入，使钛的相具有很慢的共析反应，反应在一般冷却速度下，来不及进行，因而慢共析元素与同晶元素作用类似，对合金产生固溶强化作用。它们也广泛应用于工业钛合金中。Ti-Cr 系中，形成的 Ti-Cr 化合物有两种同素异晶形式，其固溶体以和表示。根据对钛的同素异晶转变的影响，Cr 属于稳定剂，在这方面，与钼相似，快共析元素，如硅、铜、镍、银、钨、铋等(见图 3-11、图 3-12)，在钛中所形成的共析反应速度很快，在一般冷却速度下就可以进行，相很难保留到室温。共析分解所产生的化合物，都比较脆，但在一定的条件下，一些元素的共析反应，可用于强化钛合金，尤其是可提高其热强性。3 图 3-2 钛-铝相图 图 3-3 钛-锆相图 4 图 3-4 钛-锡系相图 图 3-5 钛-钼系相图 5 图 3-6 钛-钒系相图 图 3-7 钛-铌系相图 6 图 3-8 钛-锰系相图 图 3-9 钛-铁系相图 7 图 3-10 钛-铬系相图 图 3-11 钛-硅系相图 8 图 3-12 钛-铜系相图