钛合金及应用讲义 (14).pdf

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1、1 知知识识点点讲讲义义 授课题目 第 4 章 钛合金的相变及热处理 知识点 4 钛合金热处理基础、特点 教学目的 和要求 理解钛合金热处理基础、特点 教学重点 钛合金热处理基础中相变的转变 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：钛合金热处理基础 教学内容及过程设计：少数钛合金系,如 Ti-Cu 系,可以进行时效析出金属间化合物强化。大多数钛合金只是通过热处理控制相变,合金成分,特别是相稳定元素含量以及冷却速度,对相变有重要影响。自高温相稳定区。冷却下来,相发生分解的 TTT 曲线示意,如图 4-19 所示。当转变温度为T3 时,转变终了获得+相;当转变温

2、度为 T2 时,先是+，此时 为介稳定相,再进一步转变为 +；图 4-19 钛合金 TTT 曲线示意 图 4-20 复杂的 Ti-X 合金马氏体相变和马氏体分解 当转变温度为 T1 时,发生 +相变。三种情况下相应的硬度变化示于图 4-19 的上部。相均匀细小，析出明显强（硬）化合金，但一般同时引起严重脆性。因此,相沉淀硬化是难以接受的。图 4-20 同时给出连续冷却时的相变情况。慢冷时,+；增加冷却速度会出现相,逐步由+变为+相变;再增加冷却速度,可以不发生相变得到室温介稳的相,或者得到马氏体相变,得到马氏体相(当稳定剂小于临界浓度时);在随后的时效时,马氏体又可以分解析出细小相。通过不同冷

3、却速度，可以得到不同形态的相。慢冷时，由相中析出，得到片层魏氏组织及沿相晶界的相；快冷时,含有较高稳定元素的合金易得到一种网篮状组织(basket-weave morphology);再增加冷却速度,相分解以非形核长大过程,2 而发生无扩散马氏体相变，生成六方 相(针状及块状)及正交马氏体相(溶质含量高时生成)。对于钛合金或近钛合金,一般室温组织基本上全是相,只是随从单相相区冷却下来的冷却速度不同,得到不同形态相及不同晶粒尺寸的 相。通过热机械处理,可以得到等轴相。近钛合金则可通过控制冷却速度 得到细的网篮组织,这种组织在低温低周疲劳条件下,裂纹长大速率比具有片状相的合金低得多。因此,近 合金

4、通常在相区固溶以得到好的蠕变抗力,同时要适当快冷(例如对厚尺寸部件用油冷,对薄尺寸件空冷),以得到大面积的网篮状组织。对于+钛合金,通过淬火时效得到细晶粒 +结构,初生相的比例要相对较高,这样可以得到很好的热疲劳性能。如果提高固溶温度,得到较多的大晶粒 相转变产物,则断裂韧性较高。合理的热处理可以综合这两方面的优点,例如 Ti-6Al-4V 合金采用 960 /1h 水冷+700 /2h 空冷热处理,得到细的等轴 相和转变后的 相,得到好的综合性能,可以作为压缩机盘件的热处理制度。图 4-21 Ti-11Mo 中氧含量对 TTT 曲线的影响 实际合金中的相变可能更为复杂。图4-21说明Ti-M

5、o 合金系有两种马氏体(,和”)的 Ms 线，以与,和”相的等自由能温度表示，To(或”),马氏体回火时可以发生正交相 spinodal 分解和非 spinodal 分解两种溶解曲线。图中还给出平衡的 /+及 +/相界线。另外,实际合金中氧含量对分解有重大影响,制备工艺也可能影响相转变,例如冷加工将促进相分解和相析出。教学目标教学目标 2：钛合金热处理特点 教学内容及过程设计：（1）马氏体相变不引起合金的显著强化。这个特点与钢的马氏体相变不同。钛合金的热处理强化只能依赖淬火形成的亚稳相（包括马氏体相）的时效分解。（2）应避免形成相。形成相会使合金变脆,正确选择时效工艺(如采用高一些的时效温度)

6、,即可使相分解平衡。（3）同素异构转变难于细化晶粒。（4）导热性差。导热性差可导致钛合金,尤其是+合金的淬透性差,淬火热应力大,淬火时零件易翘曲。由于导热性差,钛合金变形时易引起局部温升过高,使局部温度有可能超过相变点而形成魏氏组织。（5）化学性活泼。热处理时,钛合金易与氧和水蒸气反应,在工件表面形成具有一定深度的富氧层或氧化皮,使合金性能变坏。钛合金热处理时容易吸氢,引起氢脆。3 （6）相变点差异大。即使是同一成分,但冶炼炉次不同的合金,其转变温度有时差别很大(一般相差 5 70 )。这是制定工件加热温度时要特别注意的特点。（7）在相区加热时晶粒长大傾向大。晶粒粗化可使塑性急剧下降,故应严格

7、控制加热温度与时间,并慎用在 相区温度加热的热处理。以上特点,在钛合金热处理工艺的制定与实施过程中,必须给予充分注意。在不同的加热、冷却条件下,钛合金中会出现各种相变,得到不同的组织。适当的热处理可控制这些相变并获得所希望的显微组织,从而改善合金的力学性能和工艺性能。例如 Malinov S 等研究了 Ti-6Al-4V,Ti-6Al2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si和21s 三种钛合金经不同的冷却方式(锻态、炉冷、水冷、水冷后时效)后合金的结构特征。不同的合金在不同的热处理条件下,合金中的 ,和 相的含量不同。Novoselova T 等研究了不同热处理对 Ti-46A1-1.9Cr-3N

8、b 合金组织的影响。在标准状态下合金具有双重组织结构,由、2 和2 相组成。1450加热后,不同速度的炉冷、空冷、水冷后形成片层状组织,由大量的片和少量的2 片组成。片层结构的晶粒尺寸为几百微米,随着冷却速度的提高和保温时间的降低,晶粒变细。经不同热处理后 Ti-46AI-1.9Cr-3Nb 合金的组织见图 4-22 图 4-25。图 4-22 Ti-46Al-1.9Cr-3Nb 合金复式显微组织（标准状态）4 图 4-23 Ti-46Al-1.9Cr-3Nb 合金的网篮状显微组织（自 1450 冷却）图 4-24 Ti-46Al-1.9Cr-3Nb 合金在 1450 保温得到的网篮状显微组织 图 4-25 Ti-46Al-1.9Cr-3Nb 合金炉冷的网篮状显微组织