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新聞動(dòng)態(tài)

TA1(TA2)「Tc4」鈦合金差異

鈦合金分類

一般將鈦合金劃分為α型、α+β型、β型鈦合金。根據(jù)鈦合金從β相區(qū)淬火后的相組成與β穩(wěn)定元素含量關(guān)系的示意圖,如圖1所示。鈦合金劃分為以下六種類型,各類鈦合金的主要特征如圖2所示。

 
 

α型鈦合金:包括工業(yè)純鐵和只含α穩(wěn)定元素的合金;

近α型鈦合金:β穩(wěn)定元素含量小于C1的合金;

馬氏體α+β型鈦合金:β穩(wěn)定元素含量從C1到Ck的合金,這類合金可以簡(jiǎn)稱為α+β型鈦合金;

近亞穩(wěn)定β型鈦合金:β穩(wěn)定元素含量從Ck到C3的合金,這類合金可以簡(jiǎn)稱為近β型鈦合金;

亞穩(wěn)定β型鈦合金:β穩(wěn)定元素含量從C3到Cβ的合金,這類合金可以簡(jiǎn)稱為β型鈦合金;

穩(wěn)定β型鈦合金:β穩(wěn)定元素含量超過(guò)Cβ的合金,這類合金可以簡(jiǎn)稱為全β型鈦合金。

 
 
 

 

1 鈦合金從β相區(qū)淬火后的相組成與β穩(wěn)定元素含量關(guān)系示意圖

 

2 各類鈦合金的主要特征

 

3所示為整個(gè)相圖中總體上各合金的抗拉強(qiáng)度分布水平(退火狀態(tài)和固溶時(shí)效狀態(tài))和顯微組織的變化規(guī)律。在Ckp附近的合金具有最細(xì)、最均勻的顯微組織和最高的強(qiáng)度等級(jí)。成分和顯微組織對(duì)鈦合金的性能起著決定性的作用。對(duì)鈦合金的成分-組織-性能的研究中已經(jīng)逐步從定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎垦芯俊?/span>

3 鈦合金β穩(wěn)定元素含量與組織、性能的關(guān)系

Ⅰ-退火狀態(tài);Ⅱ-固溶時(shí)效狀態(tài)

 

鈦的合金元素

 

純鈦的塑性高,但強(qiáng)度很低,限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。為了滿足實(shí)際生產(chǎn)中高強(qiáng)度、耐腐蝕性等要求,人們向純鈦中添加一些合金元素形成鐵合金。根據(jù)合金元素和雜質(zhì)對(duì)鈦的β轉(zhuǎn)變溫度的作用性質(zhì)進(jìn)行分類,可分為α穩(wěn)定元素、β穩(wěn)定元素和中性元素,形成的四種類型的相圖示意圖,如圖4所示。

4 合金元素對(duì)鈦合金相圖的影響示意圖

 

 
  α穩(wěn)定元素
 

提高β轉(zhuǎn)變溫度,擴(kuò)大α相區(qū),增大α相穩(wěn)定性的元素稱為α穩(wěn)定元素[見(jiàn)圖4(a)]。α穩(wěn)定元素主要包括:合金元素鋁、鎵、鍺、硼和雜質(zhì)元素氧、氮、碳等。鋁是工業(yè)中最常用的α穩(wěn)定元素,通過(guò)置換固溶強(qiáng)化,加入適量的鋁元素可以提高室溫和高溫強(qiáng)度以及熱強(qiáng)性。因此,國(guó)內(nèi)外各種類型的鈦合金中幾乎都添加了適量的鋁。但是,鋁含量超過(guò)7wt.%后,易形成脆性的Ti3Al相,在合金設(shè)計(jì)中要避免。鎵和鍺元素在實(shí)際生產(chǎn)中很少采用。硼元素被稱為金屬材料的維生素,在鈦合金中添加少量的硼可以細(xì)化晶粒,改善合金的性能。雜質(zhì)元素氧、氮能大幅度提高鈦的強(qiáng)度,同時(shí)也嚴(yán)重降低合金的塑性,因此,在實(shí)際生產(chǎn)中要嚴(yán)格限制其含量。碳元素對(duì)合金的強(qiáng)度及塑性影響較小,生產(chǎn)中比較容易控制。

 

 
同晶型β穩(wěn)定元素
 

與鈦具有相同的晶格結(jié)構(gòu)和相近的原子半徑,降低β轉(zhuǎn)變溫度,在β相中無(wú)限固溶,擴(kuò)大β相區(qū),增大β相穩(wěn)定性的元素稱為同晶型β穩(wěn)定元素[見(jiàn)圖4(b)]。它包括鉬、釩、鈮、鉭等元素。其中,鉬的強(qiáng)化作用最明顯,可提高室溫和高溫強(qiáng)度,增加淬透性,并提高含鉻和鐵的合金的熱穩(wěn)定性。鉬和釩的應(yīng)用最廣泛。鈮的強(qiáng)化作用較弱,但也經(jīng)常在鈦合金中添加,特別是在Ti-Al系金屬間化合物中添加鈮以提高塑性和韌性。鉭的強(qiáng)化作用最弱,且密度大,因而只有少量合金中添加以提高抗氧化性和抗腐蝕性。

 

 
共析型β穩(wěn)定元素
 

 

降低β轉(zhuǎn)變溫度,擴(kuò)大β相區(qū),還會(huì)引起共析轉(zhuǎn)變的元素,稱為共析型β穩(wěn)定元素[見(jiàn)圖4(c)]。這類元素包含的范圍較廣,且共析反應(yīng)速度相差十分大。其中,鉻、錳、鐵等元素與鈦共析反應(yīng)溫度較低,轉(zhuǎn)變速度極慢,在一般熱處理?xiàng)l件下轉(zhuǎn)變難以進(jìn)行,故稱為非活性共析型元素;反之,硅、銅、氫、鎳、銀等元素,共析轉(zhuǎn)變速度極快,淬火也無(wú)法抑制其進(jìn)行,故不能將β相穩(wěn)定到室溫,稱為活性共析型元素。鐵是最強(qiáng)的β穩(wěn)定元素之一,但熱穩(wěn)定性不好,熔煉時(shí)易產(chǎn)生偏析,因而應(yīng)用較少,某些低成本的鈦合金中可以添加鐵元素替代昂貴的釩。鉻是廣泛添加的元素之一,加鉻的合金具有高的強(qiáng)度和好的塑性,并可熱處理強(qiáng)化,但某些條件下會(huì)因析出化合物而降低塑性。錳是早期合金設(shè)計(jì)廣泛使用的元素,可提高強(qiáng)度和塑性,但某些條件下產(chǎn)生共析分解,不穩(wěn)定。硅是提高熱強(qiáng)性和耐熱性的重要微量元素之一,大多數(shù)高溫鈦合金中都會(huì)添加,但一般不超過(guò)0.5%。氫作為有害元素要嚴(yán)格控制,其主要原因是析出氫化物造成氫脆。其他的元素銅、鎳、銀等應(yīng)用很少。

 

 
中性元素
 

對(duì)β轉(zhuǎn)變溫度的影響不大的元素稱為中性元素,主要有鋯、鉿和錫。鋯和鉿與鈦的性質(zhì)相似,原子尺寸也十分接近,能在α相和β相中無(wú)限固溶。鋯的室溫強(qiáng)化作用弱,但高溫強(qiáng)化作用強(qiáng),通常用于熱強(qiáng)鈦合金;錫的室溫強(qiáng)化更弱,會(huì)發(fā)生共析反應(yīng),但能提高熱強(qiáng)性。

 

雜質(zhì)元素對(duì)鈦和鈦合金的影響

鈦中的雜質(zhì)含量對(duì)鈦的力學(xué)性能影響很大,雜質(zhì)含量增多,可以提高其強(qiáng)度而降低塑性。氧、碳、氮是鈦中經(jīng)常存在的雜質(zhì),它們能提高鈦的強(qiáng)度而降低其塑性,其中氮的影響最大,碳最小。

氫對(duì)鈦的力學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在氫脆上。在鈦中,氫的含量達(dá)到一定數(shù)值后,將大大提高鈦對(duì)缺口的敏感性,從而急劇降低缺口試樣的沖擊韌性等性能。一般認(rèn)為,鈦中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)低于0.007%~0.008%,而不允許高于0.0125%~0.015%,因?yàn)楦哂谶@個(gè)含量,在組織上將析出氫化物,并出現(xiàn)明顯的氫脆現(xiàn)象。

除氧、碳、氮外,對(duì)提高鈦的強(qiáng)度影響較大的元素是硼、鈹和鋁。其他元素對(duì)鈦的強(qiáng)度影響不那么強(qiáng)烈,影響程度依次為:鉻、鈷、鈮、錳、鐵、釩和錫。

雜質(zhì)(N、OC)含量wt.%

RB

σb/MPa

(抗拉強(qiáng)度)

δ/%

(斷后伸長(zhǎng)率)

ψ/%

(斷面收縮率)

碘化法純鈦

53

29.1

42.9

72.7

氮含量 wt.%

 

0.05

82

40.8

21.4

51

0.134

102

79.5

14.7

-

0.157

104

84.5

-

46

0.236

105

92

15.9

36

氧含量 wt.%

 

0.04

61

38.5

37.7

72.6

0.10

80

39.4

32.5

71.7

0.25

86

54.2

20.8

46.1

0.46

99

70

19.4

34.6

0.82

104

-

 

-

碳含量 wt.%

 

0.03

80

34.4

26.4

48

0.54

91

52.4

19.7

45

0.8

93

48.1

17.2

27.6

 

稀土元素對(duì)鈦合金的影響

 

Y(釔)

原始合金

原始合金中各個(gè)組分的含量

添加稀土元素的含量

稀土元素的添加方式

稀土元素對(duì)其性能的影響

Ti600

Ti-6Al-2.8Sn-

4Zr-0.5Mo-0.4Si

0.1%Y

Al-Y 中間合金

高溫工作溫度可達(dá)600;室溫抗拉強(qiáng)度1068MPa;屈服強(qiáng)度1050MPa;延伸率11%;

Ti-6Al-3Sn-3Zr-0.5Mo-0.35Si

0.3%Y

Al-Y 中間合金

細(xì)化合金晶粒尺寸;氧化表面均勻、致密、平整,氧化物顆粒細(xì)??;0.3%Y 的添加促進(jìn)了致密的Al2O3保護(hù)層的形成,改善了合金的抗氧化性;加入Y后,合金的流動(dòng)性由于原始合金;硬度值由373.7提高到471.3,壓縮強(qiáng)度由1764MPa增加到2083MPa,提高了319MPa,而屈服強(qiáng)度和壓縮率也有所提高

TC4

Ti-6Al-4V

0.02%;0.1%;0.038%Y2O3(0.03%Y)0.3%Y;0.075%Y2O3(0.06%Y);0.114%Y2O3(0.09%Y)

金屬YY2O3

加入0.02%Y0.1%Y)時(shí),合金晶粒平均直徑由0.52mm減小至0.062mm0.0222mm);加入YY2O3都可以使合金的晶粒尺寸變小,延伸率增大至近1倍,抗拉強(qiáng)度由855MPa最高增加至896MPa

 

工業(yè)純鈦

 

0.022%;0.049%0.059%;0.116%Y

金屬Y(99.9%)

加入稀土元素Y后峰溫向高溫移動(dòng),峰高下降。

 

IMI829

Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si

0.2%Y

Al-Y 中間合金

加入Y后,可細(xì)化合金顯微組織和晶粒;在合金中由彌散的沉淀小顆粒物;室溫抗拉強(qiáng)度為996.7MPa,相比加入Y前有所下降;熱處理后具有550℃高溫蠕變性能。

Ti-14Al-21Nb

0.1%Y

Al-Y 中間合金

加入Y后,可細(xì)化合金顯微組織和晶粒;在合金中由彌散的沉淀小顆粒物;熱處理后700℃、800℃的高溫力學(xué)性能都很好。

Ti-23Al-25Nb

0.3%Y

Al-Y 中間合金

細(xì)化了合金晶粒尺寸(6-8倍);加Y后合金氧化表面均勻、致密、平整、氧化物顆粒細(xì)小;添加稀土Y后的合金抗氧化性能顯著提高,氧化增重曲線遵循拋物線規(guī)律,氧化膜厚度變薄,氧化增重量減少;800℃以上溫度時(shí),稀土Y對(duì)合金的抗氧化性能的影響不明顯;850℃氧化截面觀察發(fā)現(xiàn)Ti-23Al-25Nb合金氧化膜呈循環(huán)逐層氧化規(guī)律,加入Y后氧化膜粘附性提高,且厚度減小;

 

 

Ti-45Al-5Nb

0.3%Y

Al-Y 中間合金

細(xì)化了合金晶粒尺寸;加Y后合金氧化表面均勻、致密、平整、氧化物顆粒細(xì)小;添加Y后,合金由粗大的全層片組織變?yōu)榧?xì)小的等軸晶層片組織,層片間距減小,增加了網(wǎng)絡(luò)狀或點(diǎn)狀析出相,并且合金層片晶團(tuán)尺寸較原始合金明顯減小;

 

Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.5Mo

0.3%Y

Al-Y 中間合金

極大改善了Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.5Mo合金的抗氧化性,氧化層粘附性提高;基體/氧化層界面大量出現(xiàn)波浪形,增加了氧化層與基體的接觸面積,也可以提高氧化層的粘附性;

NbTi50

 

0.1%Y0.2%Y;0.3%Y

金屬Y

細(xì)化晶粒,且隨著Y含量的增加細(xì)化效果越好;硬度和強(qiáng)度降低;塑性提高;

Ti-47Al-2Nb

0.1%Y;0.3%Y0.5%Y;0.8%Y;1.6%Y

金屬Y

0.1-0.8%Y合金的一次枝晶間距隨Y含量的增加而減小,含1.6%Y合金的一次枝晶間距略有升高。二次枝晶間距隨Y含量的增加而減小。Y先與合金中的O發(fā)生反應(yīng),當(dāng)Y的含量達(dá)到0.5.%時(shí),Y在吸收合金中O的同時(shí),也開(kāi)始與Al反應(yīng),生成Al-Y化合物。當(dāng)Y含量在0.1-0.3%時(shí),壓縮應(yīng)力、壓縮應(yīng)變和硬度隨Y含量的增加而增加,超過(guò)0.3%Y的合金的壓縮應(yīng)力、壓縮應(yīng)變隨著Y含量的增加而降低。合金的硬度在0.3-0.8at.%Y時(shí)隨Y含量的增加而顯著下降,1.6%Y合金的硬度又得到了上升。

Ti-47Al-5Nb

0.1%Y;0.3%Y;0.5%Y;0.8%Y;1.6%Y

金屬Y

0.1-0.5%Y合金的一次枝晶間距隨Y含量的增加而減小,含0.8%Y合金的一次枝晶間距略有升高。二次枝晶間距隨Y含量的增加而減小,最后趨于平緩趨勢(shì)。少量的Y首先與O發(fā)生反應(yīng),當(dāng)Y的含量達(dá)到0.3%時(shí),也開(kāi)始與Al反應(yīng)生成Al-Y化合物。

該合金的壓縮應(yīng)力并沒(méi)有隨著Y含量的變化有很大的提高。壓縮應(yīng)變以Y含量為0.3at.%時(shí)為分界,當(dāng)Y含量小于0.3at.%時(shí),壓縮應(yīng)變隨Y含量的增加而增加;當(dāng)Y含量大于0.3at.%時(shí),則相反。硬度大致隨Y含量的增加而上升。

 

 

Ce(鈰)

原始合金

原始合金中各個(gè)組分的含量

添加稀土元素的含量

稀土元素的添加方式

稀土元素對(duì)其性能的影響

TC4

Ti-6Al-4V

 

Ce鹽,陽(yáng)極氧化

陽(yáng)極氧化膜完整;氧化膜層厚度由原來(lái)的<1μm增至>2μm;提高氧化膜抗點(diǎn)蝕能力。

純鈦

 

0.1%Ce

Ce-Y中間合金

氧化鈰周圍的位錯(cuò)環(huán)為±1/3[1120]型的間隙環(huán)。其慣習(xí)面為[1120];

位錯(cuò)環(huán)移動(dòng)所需臨界切應(yīng)力為7.8x10-4G

 

Nd(釹)

原始合金

原始合金中各個(gè)組分的含量

添加稀土元素的含量

稀土元素的添加方式

稀土元素對(duì)其性能的影響

 

Ti-6Al-3Sn-3.6Zr-0.5Mo-0.45Si

0.0%;0.5%1.0%;1.5%Nd

Al-Nd 中間合金

Nb元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%時(shí),合金的組織為網(wǎng)籃組織,室溫壓縮性能出現(xiàn)峰值,抗壓強(qiáng)度為1772.93MPa,屈服強(qiáng)度為1068.34MPa,壓縮率為36.38%;

BT18Y

Ti-6.5Al-2.5Sn-4Zr-0.7Mo-0.25Si-0.7W

1.0%Nd

Al-Nd 中間合金

高溫工作溫度可達(dá)550-600

Ti55

Ti-5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.25Si

1.0%Nd

Al-Nd 中間合金

高溫工作溫度可達(dá)550

Ti53311S

Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Mo-0.3Si

1.0%Nd

Al-Nd 中間合金

高溫工作溫度可達(dá)550

Ti60

Ti-5.8Al-4.8Sn-2Zr-1Mo-0.35Si

0.85%Nd

Al-Nd 中間合金

高溫工作溫度可達(dá)600

 

Gd(釓)

原始合金

原始合金中各個(gè)組分的含量

添加稀土元素的含量

稀土元素的添加方式

稀土元素對(duì)其性能的影響

Ti633G

Ti-6.5Al-3Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo

0.2%Gd

Al-Gd 中間合金

添加0.2Gd可使IMI829合金的平均β晶粒尺寸由500μm減小到100μm,并抑制高溫下β晶粒長(zhǎng)大。

蠕變能力提高近1;提升了合金抵抗氧化的能力;強(qiáng)度降低,塑性提高;熱穩(wěn)定性提高;疲勞性能分散性較?。?/span>

TC4

Ti-6Al-4V

0.25%-1.0%Gd;

Al-Gd 中間合金

添加0.25~1.0wt%Gd,產(chǎn)生0.5~6μm的稀土沉淀物粒子,隨著Gd含量的增加,沉淀物粒子尺寸增大,數(shù)量增多,并且以長(zhǎng)條狀分布于晶界處;含Gd量大于0.5wt%的合金是難以鍛造的;

 

IMI829

 

Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.3Mo-0.3Si

0.1%-1.0%Gd

Al-Gd 中間合金

沉淀物粒子的尺寸和分布的不均勻性隨Gd含量的提高而增加;Gd可細(xì)化該合金的組織,能同時(shí)提高IMI829合金的室溫及540℃下的拉伸強(qiáng)度和塑性;添加0.2wt%Gd,能獲得最佳的室溫和高溫拉伸性能。高含量的稀土Gd不降低IMI829合金的可鍛性和拉伸塑性;含lwt%GdIMI829合金,其室溫延伸率達(dá)10.7%,斷面收縮率達(dá)23.0%.

 

 

Ti-47Al-2Nb

0.15%;0.3%Gd

金屬Gd

當(dāng)Gd含量為0.15%時(shí),合金的一次和二次枝晶間距最小。0.3%Gd合金的一次和二次枝晶間距增大。含Gd合金的稀土相形貌均呈顆粒狀,條狀,島嶼狀三種形態(tài)。0.15%0.3%Gd合金中均含有Gd-OGd-Al化合物。0.15%Gd合金的壓縮應(yīng)力、壓縮應(yīng)變、硬度均得到很大程度的提高。但0.3at.%Gd均使合金的壓縮應(yīng)力、壓縮應(yīng)變和硬度下降。

 

 

Ti-47Al-5Nb

0.15%;0.3%Gd

金屬Gd

當(dāng)Gd含量為0.15%時(shí),合金的一次和二次枝晶間距最小。0.3%Gd合金的一次和二次枝晶間距增大。含Gd合金的稀土相形貌均呈顆粒狀,條狀,島嶼狀三種形態(tài)。0.15%0.3%Gd合金中均含有Gd-OGd-Al化合物。0.15%Gd合金的壓縮應(yīng)力、壓縮應(yīng)變、硬度均得到很大程度的提高。但0.3at.%Gd均使合金的壓縮應(yīng)力、壓縮應(yīng)變和硬度下降。

 

 

Er(鉺)

原始合金

原始合金中各個(gè)組分的含量

添加稀土元素的含量

稀土元素的添加方式

稀土元素對(duì)其性能的影響

 

Ti-47Al-2Nb

0.2%;0.4%Er

金屬Er

合金的一次和二次枝晶間距均減小,合金的析出相由點(diǎn)狀,棒狀,分布不均勻的形態(tài)變?yōu)轭w粒狀,條狀和島嶼狀。含有Er-OEr-Al化合物;合金的壓縮應(yīng)力、壓縮應(yīng)變和硬度均隨Er含量的增加而降低。

 

Ti-47Al-5Nb

0.2%;0.4%Er

金屬Er

合金的一次和二次枝晶間距均減小,合金的析出相由點(diǎn)狀,棒狀,分布不均勻的形態(tài)變?yōu)轭w粒狀,條狀和島嶼狀。合金的析出相較均勻;含有Er-OEr-Al化合物;0.2at.%Er合金的壓縮應(yīng)

力、壓縮應(yīng)變和硬度得到了顯著的提高,0.4at.%Er合金的性能降低,但仍比Ti-47Al-5Nb合金的要高。

 

Ti-16Al-27Nb

0.3%;0.6%;1.2%;1.6%;2.0%

金屬Er

添加微量Er可以細(xì)化合金的晶粒,但不改變合金基體的相組成;當(dāng)Er含量較低時(shí),主要以固溶形式存在于合金中;當(dāng)Er含量約為0.6%時(shí),合金中將析出富Er相,并彌散分布于基體中,隨著Er含量的增加,富Er相尺寸變大且沿晶界聚集,導(dǎo)致合金性能下降。固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化是微量 Er元素改善合金性能的原因,當(dāng)添加0.6%Er時(shí),合金具有優(yōu)良的塑性變形能力。

 

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