作业帮什么是钛合金?性能如何?
来源：学生作业帮 编辑：作业帮 分类：综合作业 时间：2024/11/08 06:36:03
什么是钛合金?性能如何?
钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金.钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方结构α钛,882℃以上为体心立方的β钛.合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：①稳定α相、提高相转变温度的元素为α稳定元素,有铝、碳、氧和氮等.其中铝是钛合金主要合金元素,它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果.②稳定β相、降低相变温度的元素为β稳定元素,又可分同晶型和共析型二种.前者有钼、铌、钒等；后者有铬、锰、铜、铁、硅等.③对相变温度影响不大的元素为中性元素,有锆、锡等.
氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质.氧和氮在α相中有较大的溶解度,对钛合金有显著强化效果,但却使塑性下降.通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.15～0.2％和0.04～0.05％以下.氢在α相中溶解度很小,钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物,使合金变脆.通常钛合金中氢含量控制在 0.015％以下.氢在钛中的溶解是可逆的,可以用真空退火除去.
钛合金的分类
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钛是同素异构体,熔点为1720℃,在低于882℃时呈密排六方晶格结构,称为α钛；在882℃以上呈体心立方品格结构,称为β钛.利用钛的上述两种结构的不同特点,添加适当的合金元素,使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金（itanium alloys）.室温下,钛合金有三种基体组织,钛合金也就分为以下三类：α合金,(α+β)合金和β合金.中国分别以TA、TC、TB表示.
α钛合金
它是α相固溶体组成的单相合金,不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下,均是α相,组织稳定,耐磨性高于纯钛,抗氧化能力强.在500℃～600℃的温度下,仍保持其强度和抗蠕变性能,但不能进行热处理强化,室温强度不高.
β钛合金
它是β相固溶体组成的单相合金,未热处理即具有较高的强度,淬火、时效后合金得到进一步强化,室温强度可达1372～1666 MPa；但热稳定性较差,不宜在高温下使用.
α+β钛合金
它是双相合金,具有良好的综合性能,组织稳定性好,有良好的韧性、塑性和高温变形性能,能较好地进行热压力加工,能进行淬火、时效使合金强化.热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高,可在400℃～500℃的温度下长期工作,其热稳定性次于α钛合金.
三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金；α钛合金的切削加工性最好,α+p钛合金次之,β钛合金最差.α钛合金代号为TA,β钛合金代号为TB,α+β钛合金代号为TC.
钛合金按用途可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金（钛-钼,钛-钯合金等）、低温合金以及特殊功能合金（钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金）等.典型合金的成分和性能见表.
热处理 钛合金通过调整热处理工艺可以获得不同的相组成和组织.一般认为细小等轴组织具有较好的塑性、热稳定性和疲劳强度；针状组织具有较高的持久强度、蠕变强度和断裂韧性；等轴和针状混合组织具有较好的综合性能.
钛合金的性能
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钛是一种新型金属,钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关,最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％,但其强度低、塑性高.99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3,熔点为1800℃,导热系数λ=15.24W/(m.K),抗拉强度σb=539MPa,伸长率δ=25％,断面收缩率ψ=25％,弹性模量E=1.078×105MPa,硬度HB195.
(1)比强度高
钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右,仅为钢的60％,纯钛的强度接近普通钢的强度,一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度.因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,见表7-1,可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件.目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金.
(2)热强度高
使用温度比铝合金高几百度,在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450～500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃～500℃范围内仍有很高的比强度,而铝合金在150℃时比强度明显下降.钛合金的工作温度可达500℃,铝合金则在200℃以下.
(3)抗蚀性好
钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作,其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力.但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差.
(4)低温性能好
钛合金在低温和超低温下,仍能保持其力学性能.低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性.因此,钛合金也是一种重要的低温结构材料.
(5)化学活性大
钛的化学活性大,与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应.含碳量大于0.2％时,会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时,与N作用也会形成TiN硬质表层；在600℃以上时,钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升,也会形成脆化层.吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1～0.15 mm,硬化程度为20％～30％.钛的化学亲和性也大,易与摩擦表面产生粘附现象.
(6)导热系数小、弹性模量小
钛的导热系数λ=15.24W/（m.K）约为镍的1/4,铁的1/5,铝的1/14,而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50％.钛合金的弹性模量约为钢的1/2,故其刚性差、易变形,不宜制作细长杆和薄壁件,切削时加工表面的回弹量很大,约为不锈钢的2～3倍,造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损.
钛合金的用途
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钛合金具有强度高而密度又小,机械性能好,韧性和抗蚀性能很好.另外,钛合金的工艺性能差,切削加工困难,在热加工中,非常容易吸收氢氧氮碳等杂质.还有抗磨性差,生产工艺复杂.钛的工业化生产是1948年开始的.航空工业发展的需要,使钛工业以平均每年约 8％的增长速度发展.目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨,钛合金牌号近30种.使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛（TA1、TA2和TA3）.
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.
钛合金的热处理
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常用的热处理方法有退火、固溶和时效处理.退火是为了消除内应力、提高塑性和组织稳定性,以获得较好的综合性能.通常α合金和（α＋β）合金退火温度选在（α＋β）—→β相转变点以下120～200℃；固溶和时效处理是从高温区快冷,以得到马氏体α′相和亚稳定的β相,然后在中温区保温使这些亚稳定相分解,得到α相或化合物等细小弥散的第二相质点,达到使合金强化的目的.通常(α＋β)合金的淬火在(α＋β)—→β相转变点以下40～100℃进行,亚稳定β合金淬火在(α＋β)—→β相转变点以上40～80℃进行.时效处理温度一般为450～550℃.
总结,钛合金的热处理工艺可以归纳为：
（1）消除应力退火：目的是为消除或减少加工过程中产生的残余应力.防止在一些腐蚀环境中的化学侵蚀和减少变形.
（2）完全退火：目的是为了获得好的韧性,改善加工性能,有利于再加工以及提高尺寸和组织的稳定性.
（3）固溶处理和时效：目的是为了提高其强度,α钛合金和稳定的β钛合金不能进行强化热处理,在生产中只进行退火.α+β钛合金和含有少量α相的亚稳β钛合金可以通过固溶处理和时效使合金进一步强化.
此外,为了满足工件的特殊要求,工业上还采用双重退火、等温退火、β热处理、形变热处理等金属热处理工艺.
钛合金的切削
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切削特点
钛合金的硬度大于HB350时切削加工特别困难,小于HB300时则容易出现粘刀现象,也难于切削.但钛合金的硬度只是难于切削加工的一个方面,关键在于钛合金本身化学、物理、力学性能间的综合对其切削加工性的影响.钛合金有如下切削特点：
(1)变形系数小：这是钛合金切削加工的显著特点,变形系数小于或接近于1.切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增大,加速刀具磨损.
(2)切削温度高：由于钛合金的导热系数很小(只相当于45号钢的1/5～1/7),切屑与前刀面的接触长度极短,切削时产生的热不易传出,集中在切削区和切削刃附近的较小范围内,切削温度很高.在相同的切削条件下,切削温度可比切削45号钢时高出一倍以上.
(3)单位面积上的切削力大：主切削力比切钢时约小20％,由于切屑与前刀面的接触长度极短,单位接触面积上的切削力大大增加,容易造成崩刃.同时,由于钛合金的弹性模量小,加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形,引起振动,加大刀具磨损并影响零件的精度.因此,要求工艺系统应具有较好的刚性.
(4)冷硬现象严重：由于钛的化学活性大,在高的切削温度下,很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化.冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度,而且能加剧刀具磨损,是切削钛合金时的一个很重要特点.
(5)刀具易磨损：毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法加工后,形成硬而脆的不均匀外皮,极易造成崩刃现象,使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的工序.另外,由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强,在切削温度高和单位面积上切削力大的条件下,刀具很容易产生粘结磨损.车削钛合金时,有时前刀面的磨损甚至比后刀面更为严重；进给量f0.2 mm/r时,前刀面将出现磨损；用硬质合金刀具精车和半精车时,后刀面的磨损以VBmax
氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质.氧和氮在α相中有较大的溶解度,对钛合金有显著强化效果,但却使塑性下降.通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.15～0.2％和0.04～0.05％以下.氢在α相中溶解度很小,钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物,使合金变脆.通常钛合金中氢含量控制在 0.015％以下.氢在钛中的溶解是可逆的,可以用真空退火除去.
钛合金的分类
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钛是同素异构体,熔点为1720℃,在低于882℃时呈密排六方晶格结构,称为α钛；在882℃以上呈体心立方品格结构,称为β钛.利用钛的上述两种结构的不同特点,添加适当的合金元素,使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金（itanium alloys）.室温下,钛合金有三种基体组织,钛合金也就分为以下三类：α合金,(α+β)合金和β合金.中国分别以TA、TC、TB表示.
α钛合金
它是α相固溶体组成的单相合金,不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下,均是α相,组织稳定,耐磨性高于纯钛,抗氧化能力强.在500℃～600℃的温度下,仍保持其强度和抗蠕变性能,但不能进行热处理强化,室温强度不高.
β钛合金
它是β相固溶体组成的单相合金,未热处理即具有较高的强度,淬火、时效后合金得到进一步强化,室温强度可达1372～1666 MPa；但热稳定性较差,不宜在高温下使用.
α+β钛合金
它是双相合金,具有良好的综合性能,组织稳定性好,有良好的韧性、塑性和高温变形性能,能较好地进行热压力加工,能进行淬火、时效使合金强化.热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高,可在400℃～500℃的温度下长期工作,其热稳定性次于α钛合金.
三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金；α钛合金的切削加工性最好,α+p钛合金次之,β钛合金最差.α钛合金代号为TA,β钛合金代号为TB,α+β钛合金代号为TC.
钛合金按用途可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金（钛-钼,钛-钯合金等）、低温合金以及特殊功能合金（钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金）等.典型合金的成分和性能见表.
热处理 钛合金通过调整热处理工艺可以获得不同的相组成和组织.一般认为细小等轴组织具有较好的塑性、热稳定性和疲劳强度；针状组织具有较高的持久强度、蠕变强度和断裂韧性；等轴和针状混合组织具有较好的综合性能.
钛合金的性能
[编辑本段]
钛是一种新型金属,钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关,最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％,但其强度低、塑性高.99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3,熔点为1800℃,导热系数λ=15.24W/(m.K),抗拉强度σb=539MPa,伸长率δ=25％,断面收缩率ψ=25％,弹性模量E=1.078×105MPa,硬度HB195.
(1)比强度高
钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右,仅为钢的60％,纯钛的强度接近普通钢的强度,一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度.因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,见表7-1,可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件.目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金.
(2)热强度高
使用温度比铝合金高几百度,在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450～500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃～500℃范围内仍有很高的比强度,而铝合金在150℃时比强度明显下降.钛合金的工作温度可达500℃,铝合金则在200℃以下.
(3)抗蚀性好
钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作,其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力.但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差.
(4)低温性能好
钛合金在低温和超低温下,仍能保持其力学性能.低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性.因此,钛合金也是一种重要的低温结构材料.
(5)化学活性大
钛的化学活性大,与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应.含碳量大于0.2％时,会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时,与N作用也会形成TiN硬质表层；在600℃以上时,钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升,也会形成脆化层.吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1～0.15 mm,硬化程度为20％～30％.钛的化学亲和性也大,易与摩擦表面产生粘附现象.
(6)导热系数小、弹性模量小
钛的导热系数λ=15.24W/（m.K）约为镍的1/4,铁的1/5,铝的1/14,而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50％.钛合金的弹性模量约为钢的1/2,故其刚性差、易变形,不宜制作细长杆和薄壁件,切削时加工表面的回弹量很大,约为不锈钢的2～3倍,造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损.
钛合金的用途
[编辑本段]
钛合金具有强度高而密度又小,机械性能好,韧性和抗蚀性能很好.另外,钛合金的工艺性能差,切削加工困难,在热加工中,非常容易吸收氢氧氮碳等杂质.还有抗磨性差,生产工艺复杂.钛的工业化生产是1948年开始的.航空工业发展的需要,使钛工业以平均每年约 8％的增长速度发展.目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨,钛合金牌号近30种.使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛（TA1、TA2和TA3）.
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.
钛合金的热处理
[编辑本段]
常用的热处理方法有退火、固溶和时效处理.退火是为了消除内应力、提高塑性和组织稳定性,以获得较好的综合性能.通常α合金和（α＋β）合金退火温度选在（α＋β）—→β相转变点以下120～200℃；固溶和时效处理是从高温区快冷,以得到马氏体α′相和亚稳定的β相,然后在中温区保温使这些亚稳定相分解,得到α相或化合物等细小弥散的第二相质点,达到使合金强化的目的.通常(α＋β)合金的淬火在(α＋β)—→β相转变点以下40～100℃进行,亚稳定β合金淬火在(α＋β)—→β相转变点以上40～80℃进行.时效处理温度一般为450～550℃.
总结,钛合金的热处理工艺可以归纳为：
（1）消除应力退火：目的是为消除或减少加工过程中产生的残余应力.防止在一些腐蚀环境中的化学侵蚀和减少变形.
（2）完全退火：目的是为了获得好的韧性,改善加工性能,有利于再加工以及提高尺寸和组织的稳定性.
（3）固溶处理和时效：目的是为了提高其强度,α钛合金和稳定的β钛合金不能进行强化热处理,在生产中只进行退火.α+β钛合金和含有少量α相的亚稳β钛合金可以通过固溶处理和时效使合金进一步强化.
此外,为了满足工件的特殊要求,工业上还采用双重退火、等温退火、β热处理、形变热处理等金属热处理工艺.
钛合金的切削
[编辑本段]
切削特点
钛合金的硬度大于HB350时切削加工特别困难,小于HB300时则容易出现粘刀现象,也难于切削.但钛合金的硬度只是难于切削加工的一个方面,关键在于钛合金本身化学、物理、力学性能间的综合对其切削加工性的影响.钛合金有如下切削特点：
(1)变形系数小：这是钛合金切削加工的显著特点,变形系数小于或接近于1.切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增大,加速刀具磨损.
(2)切削温度高：由于钛合金的导热系数很小(只相当于45号钢的1/5～1/7),切屑与前刀面的接触长度极短,切削时产生的热不易传出,集中在切削区和切削刃附近的较小范围内,切削温度很高.在相同的切削条件下,切削温度可比切削45号钢时高出一倍以上.
(3)单位面积上的切削力大：主切削力比切钢时约小20％,由于切屑与前刀面的接触长度极短,单位接触面积上的切削力大大增加,容易造成崩刃.同时,由于钛合金的弹性模量小,加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形,引起振动,加大刀具磨损并影响零件的精度.因此,要求工艺系统应具有较好的刚性.
(4)冷硬现象严重：由于钛的化学活性大,在高的切削温度下,很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化.冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度,而且能加剧刀具磨损,是切削钛合金时的一个很重要特点.
(5)刀具易磨损：毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法加工后,形成硬而脆的不均匀外皮,极易造成崩刃现象,使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的工序.另外,由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强,在切削温度高和单位面积上切削力大的条件下,刀具很容易产生粘结磨损.车削钛合金时,有时前刀面的磨损甚至比后刀面更为严重；进给量f0.2 mm/r时,前刀面将出现磨损；用硬质合金刀具精车和半精车时,后刀面的磨损以VBmax