由于纯钛的塑性高,但强度很低,限制了其在工业生产中的应用。为了满足实际生产中高强度、耐腐蚀性等要求,可以向纯钛中添加一些合金元素形成钛合金。

合金元素

工业钛合金的主要合金元素为铝、钒、钼三种,此外还有Cr、Mn、Fe、Cu、Sn、Zr、W等元素组成,可以根据合金元素对钛多型转变温度的影响可将其分为三大类:α\alpha稳定元素、β\beta 稳定元素、中性元素,形成的四种类型的相图示意图如下:
图1:合金元素对钛合金相图的影响示意图

  1. α稳定元素·图(a):提高β转变温度,扩大α相区,主要包括合金元素铝、镓、锗、硼和杂质元素氧、氮、碳等。铝是工业中最常用的α稳定元素,通过形成置换固溶体产生固溶强化。因而加入适量的铝元素可以提高钛合金室温和高温强度以及热强性。
  2. β稳定元素·图(b)、( c ):降低β转变温度,在β相中无限固溶,扩大β相区,增大β相稳定性的元素称为β稳定元素,它包括钼、钒、铌、钽、铁等。其中钼的强化作用最明显,可提高室温和高温强度,增加淬透性,并提高含铬和铁合金的热稳定性。铁是最强的β稳定元素之一,仅仅需要5%的占比就可以让β相保持到室温下。但含铁时熔炼时易产生偏析,因而应用较少。
  3. 中性元素·图(d):对β转变温度的影响不大的元素称为中性元素,主要有锆、铪和锡。锆和铪与钛的性质相似,原子尺寸也十分接近,能在相和β相中无限固溶。锆的室温强化作用弱,但高温强化作用强,通常用于热强钛合金。锡的室温强化更弱,会发生共析反应,但能提高热强性。

工业钛合金中的主要合金元素是铝,根据 Ti-Al二元系研制了一系列可焊的钛合金,除了个别的例外,实际上铝在其它所有钛合金中均存在。因此对钛合金来说 ,Ti-Al 系的意义可以与铁基合金中的 Fe-C 系相提并论。从重要性来看,另外个合金元素是钒和钼 。Ti-A I-V三元素是大多数高强钛合金的基础( Ti-6Al-4V 合金是应用最广的通用合金)Ti-AI-Mo是热强钛合金的基础。

基本分类

钛有两种同素异构体。在882.5℃以下是密排六方结构(hcp)的α钛,882.5℃以上是体心立方结构(bcc)的β钛。常温条件下金属钛为密排六方晶体结构,其轴比(c/a=1.587)小于理想球形轴比1.633,由于其晶体结构的特殊性,赋予了金属钛良好的加工性能。两者的详细对比如下表:

项目 α-Ti β-Ti
晶体结构 密排六方 体心立方
滑移系 四个 十二个
变形难易 困难 容易
稳定温度 <882.5℃ 882.5℃~熔点
氢的溶解度

我国按照材料退火组织组成相的比例分为将其分为三大类:α\alpha型、 β\beta 型,α+β\alpha+\beta型分别用TA、TB、TC表示,其中TC还可以进一步细分为近α型和亚稳定型β钛合金。图2:TI-Al-V合金三维相图与分类示意图
具体来讲,就是根据β相稳定元素系数KβK_{\beta}来划分,KβK_{\beta}是指合金中各β稳定元素与各自的临界浓度的比制之和,即:

Kβ=C1Ck1+C2Ck2+C3Ck3++CnCknK_{\beta}=\frac{ C_{1} }{C_{k1}}+\frac{ C_{2} }{C_{k2}}+\frac{ C_{3} }{C_{k3}}+\cdots+\frac{ C_{n} }{C_{kn}}

根据 β\beta 相稳定系数划分合金类型为:

  • α\alpha 型合金 KβK_\beta00.070 \sim 0.07
  • α\alpha 型合金 KβK_\beta0.070.250.07 \sim 0.25
  • α+β\alpha+\beta 型合金 KβK_\beta0.251.00.25 \sim 1.0
  • β\beta 型合金 KβK_\beta1.02.81.0 \sim 2.8
  • β\beta 型 合金 KβK_\beta 为 > 2.8
元素 Mo V Cr Nb Ta Mn Fe Co Cu Ni W
CkC_k 10 15 7 33 40 6.4 5 7 13 9 20

α型

α型钛合金经退火处理,其组织常以单相的α固溶体或者以含微量金属化合物的α固溶体形式存在,主要合金元素为铝、锡、锆等α稳定元素,并少量含有钒、 钼、铌等中性元素,各个元素均可起到固溶强化的作用。

常用的α型钛合金包括TA1、TA2、TA7等。

α型钛合金的β相转变温度较高,因而具有良好的热强性、高温稳定性。焊接性性能好,并在高温环境下具有极好的组织稳定性和抗蠕变性能,在低温环境下也依然保持良好的延展性,因而适合制作各种飞行器形状复杂的外层板材。但它对热处理和组织类型不敏感,故不能采用热处理的方式强化其组织。

β型

β型钛合金中主要有钒、钼、铌、钽等β相稳定元素,若在合金中加入少量的 铝、锆、锡,可提高β型钛合金的塑性并改善其热稳定性。

常见的β型钛合金有TB1~TB5、TB7、TB10等。

β型钛合金的显微组织 一般比α型、α+β型钛合金的显微组织更粗大。β型钛合金常表现出良好的冷成形、冷加工性能,较好的淬火态塑性以及可焊接性,但是亚稳态β型钛合金热稳定性 较差β型钛合金含有较高的β稳定元素,主要分为稳定β型钛合金和亚稳定β型钛合金。稳定β型钛合金在平衡状态下全部由稳定的β相,热处理后不易产生变化。

α+β型钛合金

α+β型钛合金经退火处理,所得到的室温组织为不同比例的α和β相。该类型的钛合金中除含有定量的铝元素外,还含有少量的其它元素。可采用适当的热处理方法对α+β型钛合金进行组织强化,α+β型钛合金的强度和淬透性随着β相稳定元素含量增加而提高,其锻造和轧制等加工成型性能优于α型、β型钛合金。

最常用的α+β型钛合金包括TC4、TC6、TC12等,其中TC4钛合金(等轴马氏体型两相合金)作为做早被应用的钛合金,该合金以其优越的性能占据了钛工业的大量市场,现在占到 Ti 合金总产量的 50%, 占到全部Ti 合金加工件的95%。

α+β合金又被称为亚稳定β型钛合金,因为它在相变过程中时经过β单相区的固溶淬火后变为亚稳定的β相过饱和固溶体,然后再经时效过程后由亚稳β相中析出大量弥散的次生α相,故称其为亚稳定β型。这类合金可通过固溶时效而实现高强度的特征,实现了比稳定β型钛合金更为广泛的应用,虽然其拥有良好的室温强度和冷成型性能,但高温抗蠕变性能和低温塑性不如α型钛合金。

显微组织

钛合金的性能是由显微组织的形态决定的, 甚至组织上的细微差异有时都会得到迥然不同的力学性能表现,显微组织形态则与元素含量、加工方式和热处理方式等环节息息相关。钛合金的基本组织有两种:

密排六方的低温 α\alpha 相和体心立方的高温 β\beta 相构成。 而且除了少数稳定 β\beta 型钛合金之外, 体心立方的高温 β\beta 相一般都无法保留到室温, 冷却过程中会发生 β\beta 相向 α\alpha 相的多晶转变, 以片状形态从原始 β\beta 晶界析出。片状组织由片状 α\alpha 与片状 α\alpha 之间的残余 β\beta 相构成, 由于其与母相之间存在着一定的结晶 学位向关系, 称为 β\beta 转变组织。片状组织在 α+β\alpha+\beta 两相区承受足够大的塑性变形 后再结晶球化得到等轴组织。因此, 按照晶内 α\alpha 相的形状变化, α+β\alpha+\beta 型钓合金 的显微组织大致分为 4 类:

  1. 等轴组织:在 β\beta 转变温度以下 30100C30 \sim 100{ }^{\circ} \mathrm{C} 加热, 经过充分的塑性变形和再结晶退火形成。具有较好的塑性,延伸率和较高的断面收縮率,且抗缺口敏感性和热稳定性最好。综合性能好,使用广泛。
  2. 网篮组织:在 β\beta 区加热或开始变形, 在 α+β\alpha+\beta 两相区的变形量不太大时形成。具有高的持久强度和蠕变强度,在热强性方面具有明显的优势,具有高的断裂韧性、低的疲劳裂纹扩展速率。缺点是塑性和热稳定性较低。
  3. 双态组织:在 α+β\alpha+\beta 两相区的上部加热或者进行变形可以获得。双态组织兼顾了等轴组织和片状组织的优点, 等轴 α\alpha 含量在 20%20 \% 左右的双态组织具有强度 - 塑性 - 韧性 - 热强性的最佳综合匹配。与片状组织相比, 双态组织具有更高的屈服强度、塑性、热稳定 性和疲劳强度; 与等轴组织相比, 双态组织具有较高的持久强度、蜻变强度和断 裂韧性, 以及较低的疲劳裂纹扩展速率 da/dN\mathrm{d} a / \mathrm{d} N
  4. 魏氏组织:在较高温度的 β\beta 区加热或变形量不够,时可以形成。魏氏组织具有最高的蠕变抗力、持久强度和断裂韧性, 但是其致命的弱点是塑性低, 尤其是断面收缩率远低于其他组织类型。类似于钢中的过热组织, 在实际生产过程中没有特殊的需求应尽量避免。
机械性能 抗拉强度 σ\sigma MPa 延伸率 δ\delta/% 冲击韧性αk/(kJm2)\alpha_k/(kJ*m^{-2}) 断裂韧性KIC/(Mpam0.5)K_{IC}/(Mpa\cdot m^{0.5})
片层组织 1020 9.5 355.3 102
网篮组织 1010 13. 5 533 -
双态组织 980 13 434.3 -
等轴组织 961 16.5 473.8 58.9

钛合金的相变

钛合金中的相变主要包括:多晶转变、共析转变、有序化、亚稳相等稳转变、非等温转变等。众多研究者已将钛合金的相变类型绘制成了一个表格:

编号 相变 过程
I 淬火过程中β\beta相的分解 (1)钛的马氏体:βα,α"\beta \to \alpha^{'} , \alpha^{"}
淬火过程中β\beta相的分解 (2)无热ω\omega相:βω无热+β\beta \to \omega_{\text{无热}} +\beta
II 等温转变中β\beta相的分解 (1) β(β+α)a",a",a"\beta(\beta+\alpha)\to a^{"},a^{"}\text{富},a^{"}\text{贫}
等温转变中β\beta相的分解 (2) ββ,β\beta^{'}\beta\text{富},\beta\text{贫}
III 残余β\beta相分解 (1) 相离析: ββ+β\beta_{\text{残}} \to \beta^{'}+\beta

由于β钛合金的用途更为广泛,本设计侧重于对β合金进行说明。众所周知,β钛合金按照亚稳定状态相组成可分为3类 :稳定β型钛合金 、 亚稳定β型钛合金和近β型钛合金。其中亚稳态β合金的综合性能最好,其相变过程也最复杂。下面来介绍β相的四种重要相变:

亚稳定β相的分解

#条件 亚稳定β相的分解的分解过程如下:

  • 当加热温度较低时,β相将分解为无数极小的溶质原子贫化区β’和与其相邻的溶质原子富集区β。
  • 随着加热温度升高或加热时间延长,则根据β相化学成分不同而从溶质原子贫化区中析出w相或α”相。
  • 最后在贫化区析出的α”和w相分解为平衡的α和β相。

#机理 出现这种逐步分解的原因就在于虽然成分范围宽广的钛合金,通过快速冷却β相可以保持在亚稳定状态,随后在高于室温的温度下逐渐分解,但是在温度不太高的情况下,由于密排六方点阵的α相在体心立方点阵的β相基体中生核比较困难,而一些中间分解产物比较容易生核,因此,亚稳定β相不能直接分解形成平衡的α相,而是经过一些中间分解过程,由生成的一些中间分解产物(或称过渡相)再转变为平衡的α相。至于形成哪一种过渡相,取决于加热温度和合金成分。最常见的过渡相是等温相和β’相。在500℃范围内加热时,亚稳定β相的分解过程为:

  • β亚稳→β’+β→a"+β→a+β
  • β亚稳→β’+β→ω+β→a+β

马氏体相变

#条件 钛合金自高温快速冷却时, 视合金成分不同, β\beta 相可转变为马氏体 ( α\alpha^{\prime}α)ω\left.\alpha^{\prime \prime}\right) 、 \omega 相或过冷 β\beta 相。在快速冷却过程中, 由于从 β\beta 相转变为 α\alpha 相的过程来不及进行, β\beta 相将转变为成分与母相相同、晶体结构不同的过饱和固溶体, 即马氏体。
#机理 我们知道马氏体转变是一种切变相变。在钛合金中发生马氏体转变时, β\beta 相中的原子作集体的有规律的近程迁移, 迁移距离较大时, 形成六方 α\alpha^{\prime} 相; 迁移距离较少时, 形成斜方 α\alpha^{\prime \prime} 。当 β\beta 相中的合金元素含量较少时, 原子位移较大, 点阵改组进行到底, 得到密排六方 α\boldsymbol{\alpha}^{\prime} 相; 当合金元素含量较大时, 点阵改组受到阻碍, 停留在某一中间阶段, 即形成斜方点阵 ( α\alpha^{\prime \prime} 相)。
#特性

特点 α’ α"
晶体结构 六方结构 斜方机构
强度
塑性
组织 粗针状 细针状

ω相变

#条件 合金成分在临界浓度C0C_0 附近的合金从高温淬火后 , 将在合金组织中形成一种ω相。ω相可以根据组织分为两类——无热ω相与等温ω相。

#特性 (1)无热ω相:当β合金元素的成分范围达到某一临界值时,合金在β相区淬火可以得到ω相。其特点是尺寸小,硬度大,脆性极大,会使材料的塑韧性急剧降低,当其含量达到80%时,合金就会失去宏观塑形。可以通过改变化学成分或者回火工艺予以控制。

(2)等温ω相:在淬火得到的亚稳定β相后,在随后的时效过程中,会出现ωβ\omega \to \beta转变,时效温度一般在100~500℃之间,相对于无热ω,β相分解为等温ω相的速度最快。其尺寸较小晶粒密度大,有方形和椭球形状两种形态,其含量越多,合金的硬度越高,塑韧性越差,当含量大约为50%时合金的综合性能较好。

α相的形成

#条件 在相分离和ω相变不能出现的高温时效过程中,亚稳β相可以直接转变为α相,主要过程为:

  1. 在位错及亚晶界上直接形成α相;
  2. 经过过渡相形成a相
    1. β→β’(bcc,贫溶质)→1α和2α;
    2. β→ω(hcp,贫溶质)→lα和2α。
      #特性 1α相为片层状,2α为透镜状,但两者的晶体结构并无区别。在β相的时效转变中,有可能生成β’、ω、1α和2α相沉淀。β相对合金的强度无明显改善,相虽能强化合金,但会强烈降低合金的韧性。因此工业上的β合金都设计成使α相(1α和2α)作为基体中的硬化沉淀相,合金的强度则由时效形成的α相粒子尺寸、形状及体积分数控制。有实验数据表明,当合金中出现非共格的、有较大体积分数的、尺寸较大的2α型沉淀时,合金将有良好的综合性能。

小结

相变汇总