鈦合金是以鈦為基礎加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質(zhì)異晶體:882℃以下為密排六方結構á鈦,882℃以上為體心立方的a鈦。 合金元素根據(jù)它們對相變溫度的影響可分為三類: ①穩(wěn)定á相、提高相轉變溫度的元素為á穩(wěn)定元素,有鋁、碳、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素,它對提高合金的常溫和高溫強度、降低比重、增加彈性模量有明顯效果。 ②穩(wěn)定a相、降低相變溫度的元素為a穩(wěn)定元素,又可分同晶型和共析型二種。 應用了鈦合金的產(chǎn)品
前者有鉬、鈮、釩等;后者有鉻、錳、銅、鐵、硅等。 ③對相變溫度影響不大的元素為中性元素,有鋯、錫等。 氧、氮、碳和氫是鈦合金的主要雜質(zhì)。氧和氮在á相中有較大的溶解度,對鈦合金有顯著強化效果,但卻使塑性下降。通常規(guī)定鈦中氧和氮的含量分別在0.15~0.2%和0.04~0.05%以下。氫在á相中溶解度很小,鈦合金中溶解過多的氫會產(chǎn)生氫化物,使合金變脆。通常鈦合金中氫含量控制在 0.015%以下。氫在鈦中的溶解是可逆的,可以用真空退火除去。
鈦是一種新型金屬,鈦的性能與所含碳、氮、氫、氧等雜質(zhì)含量有關,純的碘化鈦雜質(zhì)含量不超過
0.1%,但其強度低、塑性高。
99.5%工業(yè)純鈦的性能為:密度
ñ=4.5g/cm3,熔點為
1725℃,導熱系數(shù)
ë=15.24W/(m.K),抗拉強度
ób=539MPa,伸長率
ä=25%,斷面收縮率
ø=25%,彈性模量
E=1.078×105MPa,硬度
HB195。
強度高
鈦合金的密度一般在
4.51g/cm3左右,僅為鋼的
60%,純鈦的強度才接近普通鋼的強度,一些高強度鈦合金超過了許多合金結構鋼的強度。因此鈦合金的比強度
(強度
/密度
)遠大于其他金屬結構材料,見表
7-1,可制出單位強度高、剛性好、質(zhì)輕的零、部件。目前飛機的發(fā)動機構件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。
熱強度高
使用溫度比鋁合金高幾百度,在中等溫度下仍能保持所要求的強度
,可在
450~
500℃的溫度下長期工作這兩類鈦合金在
150℃~
500℃范圍內(nèi)仍有很高的比強度,而鋁合金在
150℃時比強度明顯下降。鈦合金的工作溫度可達
500℃,鋁合金則在
200℃以下。
抗蝕性好
鈦合金在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作,其抗蝕性遠優(yōu)于不銹鋼;對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力特別強;對堿、氯化物、氯的有機物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗蝕性差。
低溫性能好
鈦合金在低溫和超低溫下,仍能保持其力學性能。低溫性能好
,間隙元素極低的鈦合金
,如
TA7,在
-253℃下還能保持一定的塑性。因此,鈦合金也是一種重要的低溫結構材料。
化學活性大
鈦的化學活性大,與大氣中
O、
N、
H、
CO、
CO2、水蒸氣、氨氣等產(chǎn)生強烈的化學反應。含碳量大于
0.2%時,會在鈦合金中形成硬質(zhì)
TiC;溫度較高時,與
N作用也會形成
TiN 鈦合金制品
硬質(zhì)表層;在
600℃以上時,鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層;氫含量上升,也會形成脆化層。吸收氣體而產(chǎn)生的硬脆表層深度可達
0.1~
0.15 mm,硬化程度為
20%~
30%。鈦的化學親和性也大,易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。熱處理
常用的熱處理方法有退火、固溶和時效處理。退火是為了消除內(nèi)應力、提高塑性和組織穩(wěn)定性,以獲得較好的綜合性能。通常
á合金和(
á+a)合金退火溫度選在(
á+a)
─→a相轉變點以下
120~
200℃;固溶和時效處理是從高溫區(qū)快冷
,以得到馬氏體
á′相和亞穩(wěn)定的
a相
,然后在中溫區(qū)保溫使這些亞穩(wěn)定相分解,得到
á相或化合物等細小彌散的第二相質(zhì)點,達到使合金強化的目的。通常
(á+a)合金的淬火在
(á+a)─→a相轉變點以下
40~
100℃進行,亞穩(wěn)定
a合金淬火在
(á+a)─→a相轉變點以上
40~
80℃進行。時效處理溫度一般為
450~
550℃。 總結,鈦合金的熱處理工藝可以歸納為: (
1)消除應力退火:目的是為消除或減少加工過程中產(chǎn)生的殘余應力。防止在一些腐蝕環(huán)境中的化學侵蝕和減少變形。 (
2)完全退火:目的是為了獲得好的韌性,改善加工性能,有利于再加工以及提高尺寸和組織的穩(wěn)定性。 (
3)固溶處理和時效:目的是為了提高其強度,
á鈦合金和穩(wěn)定的
a鈦合金不能進行強化熱處理,在生產(chǎn)中只進行退火。
á+a鈦合金和含有少量
á相的亞穩(wěn)
a鈦合金可以通過固溶處理和時效使合金進一步強化。
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