-1钛合金材料及其热加工讲座2007.4.11综述.ppt

钛合金材料及其热加工讲座 内 容 一、钛和钛合金的基本知识 二、钛合金锻造 三、钛合金热处理 四、钛合金整体叶盘制造 五、加工图理论与应用 一、钛和钛合金的基本知识 纯钛 1）高纯度钛的特性 ● 具有同素异晶转变的特性 钛在固态随着温度的改变，其原子排列的晶体结 构要发生变化（组织转变）。 高纯度钛的组织转变温度为882.5℃。也就是说，在882.5℃以下，是密排六方晶体的α-Ti (α相), 在882.5℃以上，是体心立方晶体的β-Ti（β相）。 可见， 882.5℃这个温度是纯钛发生组织转变（α相 β相）的温度。 因之，将其称为相变点。 由α-Ti 转变β-Ti（ α相转变β相 ），其塑性变形 的能力发生了变化。 为什么？ 因为金属塑性变形（锻造）时，首先是沿着晶体中原子排列最密的晶面和晶向优先产生滑移。 为什么？ 因为原子密度最大的晶面原子间距小，原子结合力强，而晶面的间距增大，则晶面间结合力较弱，滑移阻力当然就小，显然易成为滑移面。而α-Ti是密排六方晶体，其原子排列最密集的晶面只有1个，即 {0001}面。 镁就是这种晶体结构。所以镁和镁合金不好锻，塑性很差，锻造容易产生裂纹，更没有听说镁可以冷锻。 当然，变形条件改变了，如加热、大变形或高应变速率下次要滑移面也可以开动。所以，镁在热态塑性不坏，很好锻。 但条件变化了，如加热、大变形、高速变形，那么，次要滑移面也将产生滑移。 在体心立方晶体中，主要滑移面＋次要滑移面共有48个。当然，滑移容易了，也就是说塑性好了。 由此，给我们的启示： ● 钛合金为什么一般不能冷变形？ ● 又为什么发展近β锻造、 β锻造？ （除了发挥材料性能） ● 为什么要严格控制钛合金终锻温度？ ● 为什么在高速锤上变形、金属填充 性能特别好（一般一锤成形）？ ● 化学性能活泼、容易氧化 高纯度钛的熔点为1668℃±4℃，比铁(1539℃)、钴(1500 ℃ )、镍(1450 ℃ )的熔点还高。 如果单从熔点来讲，似乎钛是很好的耐热材料，可是很遗憾，自二次世界大战出现低于400 ℃使用的TC4钛合金以来，六十年过去了，钛合金的使用温度仍然限于600 ℃。 而将铁、钴、镍加入到钢中形成的铁基、钴基、镍基黑色高温耐热合金，其使用温度可达到900℃。 那么为什么？ 原因：高温下氧对钛的玷污速率很高 当金属钛（钛合金）在高温下加热时： ● 由于存在着较大的氧的梯度浓度，则给氧向基 体金属扩散（渗透）创造了条件，正如水由高 处流向低处一样，落差越大，水的流速越快。 高温下，氧很活泼，不断地向金属内部扩散。 ● 氧在固体金属钛中比氢(H)有较大的固溶度，就 是说氧在钛中比H有较大的溶解度，而且它不是置换式的固溶，而是间隙式的。只要原子之 间有点间隙，它就可以钻进去，讲得明白一点，干脆叫它无孔不入。因而，又为氧向金属内部扩散创造了条件。 讲到这里，你们可能会问，钛合金不要在氧化性气氛中加热，而是在还原性气氛中加热不是更好吗？ 回答是肯定的：不行。即使没有电炉的条件下，宁可在油炉中加热。 为什么？ 氢对钛合金性能的影响远比氧大得多，要发生氢脆。所以，技术条件控制的氢含量0.012（简称双零控制）。 ● 加热温度越高、时间越长，氧在金属内部扩散越厉害。 氧对钛金属玷污的程度∝T·H · CM成正比 由上表可见: ● 加热温度越高，时间越长，玷污深度越大。 ● 比钢锻件产生的氧化皮小得多，最大只有0.2mm 可是，其危害不能小视。 为什么？ ● 导致材料表面变脆，由于氧的渗透，在金属表 面形成一层富氧层（TiO2）。 众所周知，金属凡是与氧结合形成的氧化物，几乎都是脆性的，所以富氧层更确切的含义应该叫做富氧脆性层，实际上常说的“氧脆”就是这个意思。 ● 形成微裂纹，使材料的热稳定性下降。 什么叫热稳定性？ 简单地讲，金属材料（试样）或者构件在温度场，或者在温度场和应力场共同作用下，其组织和性能变化的程度。 ● 表面稳定性 那么用什么指标来衡量呢？ ● 宏观指标，ψ 在做室温拉伸时，可以测得一个断面缩率，叫ψ1。