钛合金的热处理强化与应用研究
第３６卷第５期
２００７年ｌＯ月
有色金属加工
ＮＯＮＦＥＲＲＯＵＳＭＥＴＡＬＳＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ
ＶＯＬ３６
Ｎｏ．５
Ｏｃｔｏｂｅｒ２００７
钛合金的热处理强化与应用研究
王荣滨
（南弯工具厂，江西南昌３３０００２）
摘要：本文详细介绍了钍台金的化学成分、性能和市场应用前景；着重论述了铁台金的热处理原理、强化机制、热加工工艺及热处理工艺。
关键词：钛台金；同溶淬火；时效强化；应用实例
中图分类号：ＴＣｌ６６
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７１—６７９５（２００７）０５—００１０—０４
钛合金具有一系列优秀性能：高的屈服强度／密度比、疲劳强度／密度比及蠕变极限；良好的高低温力学性能、热稳定性及抗蚀性；密度小，可减轻结构重量；在常温及超低温下，比强度高，有足够的韧性与塑性；在氧化性与中性介质、海水和海洋气氛下，具有优异耐腐蚀性能；通过合金化可进一步改善和提高在还原介质中的抗蚀性能；活性高，能吸收Ｏ：、Ｎ：、Ｈ：、ＣＯ。甲烷等气体。对人体液有极好的耐蚀性，无毒性、与人体肌肉组织亲合性能良好。因此，钛合金广泛应用于民用、军工、化工、舰船、宇航、冶金、医疗卫生等工业部门，且发展前景广阔。
按显微组织不同，钛合金分为ａ型钛合金、口型钛合金和ａ＋口型钛合金三类。对钛合金进行固溶淬火＋时效强化处理，能获得优异的工艺性能和使用
性能。
型固溶体单相状态，不能热处理强化；其室温强度高于工业纯钛，但低于口型和ａ＋卢型钛合金．而且室温塑性及冲压性能较差；在５００—６００℃的高温强度和蠕变强度高于卢型和ａ＋卢型钛合金．且组织稳定，抗氧化性、焊接性、耐蚀性、冷切削加工性和热塑性良好。真空冶炼的ａ型钛合金，Ｈ。Ｏ。Ｎ。等杂质元素的含量极少．纯度高，在超低温下具有良好的塑性、韧性、物理性能、力学性能，因而是优良的超低温材料。
１．２口型钛合金
口型钛合金含有Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔ４和Ｆｏ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ⅳｉ、ｃｕ、ｓｉ等元素。其中，Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔ冉在元素周期表中的位置与ＴＩ接近，且具有与骨一Ｔｔ相同的体心立方晶格，能无限溶于卢－Ｔｉ中，是稳定的詹相同晶元素Ｉ而Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｉ等元索只能有限固溶于＃－Ｔｉ
中，形成的／３相在低温时会发生共析分解，是稳定／３相的共析元素。随着上述元素含量的增加，合金的口
—÷卢转变温度急剧降低，扩大了芦稳定相的温度范围。ＩＢ型钛合金的主要牌号有ＴＢＩ、ＴＢ２等。可热处理强
１
钛合金的类型及主要合金元素的作用
钛金属在固体状态下存在同素异构转变，温度低
化，在ｐ单相区内加热、保温、空冷正火或固溶淬火。
于８８３℃时具有密排六方结构，即ａ－Ｔｉ；高于８８３℃时具有体心立方结构，即口－Ｔｉ；熔点为１６７２℃。各种台金元素对钛的同素异构转变影响不同，因而形成不同类型的钛台金。
１．１
可以将高温／３相保留到室温，得到介稳定卢固溶体单
相组织，再经时效强化，可获得较高的强度和硬度。这类合金的焊接性能与冷压力加工性能良好，但性能不够稳定．熔炼工艺较复杂。
１．３
ａ型钛合金
ａ＋口型钍合金
ｏＥ＋卢型钛合金是三类钛合金中应用最普遍、最重
当钛合金中含有Ａｌ、Ｓｎ、Ｎ、ｃ等元素时，可形成稳定的口固溶体。这类元素在ｄ－Ｔｉ中的固溶度大，且随
含量的增加可使ａ卅转变温度升高，扩大ａ稳定相
的温度范围。ｎ型钛合金的主要牌号有ＴＡ４、ＴＡ５、ＴＡ６、ＴＡ７等。这类钛合金在室温和使用温度下呈ａ
要的钛合金。这类合金中含有的ｚｒ、Ｈｆ等元素在元素周期表中与ＴＩ同属ＩＶＢ族．晶体结构与Ｔｉ相同，原子．体积相近，因而能无限固溶于ｏｃ－Ｔｉ和口－Ｔｉ中。ａ＋卢型合金中稳定卢相的合金元素台量较卢型钛合金少．退火后的显徽组织由ｑ相和｜８楣组成，可通过嗣溶淬火＋时效达到强化。这类合金有１０种牌号：ＴＣＩ、
收稿日期：２００７－３－２９
第５期有色金属加工
Ｔｃ２、ＴＣ３、ＴＣ４、ＴＣ５、ＴＣ６、ＴＣ７、ＴＣ８、ＴＣ９、ＴＣｌ０。除ＴＣＩ、ＴＣ２、ＴＣ７不能热处理强化外。其它牌号合金均可热处理强化．而且锻造、冲压、焊接及冷切削加工性能良好，经固溶淬火、时效后。综台物理性能优良，室温强度高，在１５０—５００℃之间的耐热性能良好。ＴＣｌ一ＴＣ４有良好的低温韧性及抗海水、抗热盐应力腐蚀性能；其中．ＴＣ４台金应用最广，不仅有良好的室温、高
衰１
温、低温化学性能和物理性能，而且冷、热成形性良好，可焊接、热加工、热处理强化。２
主要合金牌号、性能和热加工工艺参数
主要钛合金的合金牌号、化学成分、机械性能及
热加工（锻造）温度见表１一表３。
主要钛台金牌号豆其化学成分（质量分数／％）
过固溶淬火得到亚稳定的过饱和固溶体，然后再进行
表２主要钛台金的热处理方式爰室温力学性能
时效．从而达到强化目的。影响强化效果的三要素是固溶加热温度、淬火冷却速度和口相合金元素含量。
声型合金固溶处理时，加热到卢单相区后充分保温．使合金元素充分溶入口相固溶体中，小件和薄件可空冷淬火，大件和厚件水冷淬火；ａ＋卢型合金固溶加热温度不宜超过口单相区，否则会引起卢相晶粒急剧长大，产生口脆性。因此，固溶处理时应加热到ａ＋口两相区上部温区，经充分保温使台金元素充分溶人固溶体中，然后水冷淬火。
固溶淬火加热温度既不能过高，又不能过低。若
表３钛台金热加工（锻造）温度
单位：℃
成品加热温度
９９０－１０１０８５０－８９０
加热温度过高将会引起ＩＢ相晶粒急剧长大．造成卢相变脆，韧性、塑性急剧降低。钛合金晶粒粗大化后不能象钢那样可以通过退火进行晶粒细化．必须再次进行热塑性变形或冷变形后再结晶退火，但此方法只适于有足够加工余量且形状简单的半成品．对于复杂件和成品件，由于无法进行二次塑性变形，只能报废。锻造（铸锭开坯除外）加热温度同样不宜超过ｉｓ／ａ＋卢相变点温度；固溶淬火加热温度也不宜过低，否则，卢相溶入的合金元素少，固溶强化效果差，淬火后卢相无法保持到室温，从而得不到无扩散ａ７马氏体（通过马氏体相变形成的口－Ｔｉ为基的过饱和固溶体）．因此达不到所需的机械性能。ｎ４－卢型钛合金在ａ＋卢两相区内加热淬火时，ｑ相随淬火温度升高而减少，而卢相和ａ’马氏体总量随淬火温度升高而增加，时效时将产生较大的时效强化效应。表４为钛台金淬火时可
牌号裟
ＴＢ２
ＴＣｌ
７０５±５
铸锭
加热
终锻
变形坯科
加鼎温度１０１０－１０９０９００－９５０９００－９５０
９５０一１０５０
终锻
强度
８００
缚锻
温度
８００
温度
１１４０．１１６０
温度
８５０
７５０
９１０－９３０９２０－９４０９６０－９７０９８０－９９０
９，０＿９８０
Ｉ∞０一１０２０
１１００．１１２０１１００—１１５０
７５０
８００
７５０
Ｔｃ２Ｔｃ３
ＴＣ．４
８２０
８５０
８５０Ⅻ７５０
９５０．．９７０９００－９５０９５０４８０
７５０７５０
８００８００
８００８００
ｌｌ∞一儿４０１１３０．１ｌ∞
１１３０．１１５０１１４０－１１６０
１１００一１１５０
８５０８５０８５０
８，０
９６０ｄ１００１０００．１０５０
１０００一１０５０
’ｒｃ６
Ｔｈ－＂／１０１０—１０３０ＴＣ９
１℃１０
ｍ９５０－９８０啪．
９５０．９７０
８００
１０００．１０２０
９３５±５
１０５０．１０９０８００
８００
８００１０００－１０５０９３０母４０∞０
３钛合金固溶强化热处理
３．１同溶淬火
卢型和ｑ＋卢型钛合金均可进行强化热处理，即通
将口相完全保持到室温所需合金元素的最低含量（即
１２
有色金属加工
第３６卷
稳定口相所需合金元素的最低含量）；表５为钛合金经不同热处理后的力学性能。
采４稳定卢相所需台盒元素的最低含量
钛合金淬火时形成的马氏体具有钢铁马氏体的某些特征，但却无高碳马氏体所具有的高强度、高硬度、高耐磨性。这是因为钛合金中仅有微量Ｃ、Ｆｅ杂质存在，其马氏体中的合金元素以置换原子形式存在，不象钢马氏体中ｃ原子以间隙式原子存在。因此，钛台金阻碍位错运动的能力低，其马氏体仍保持ａ相软而韧的性能。钛合金热处理强化是利用固溶淬火后获得准稳定口相和时效过程中发生的ａ’马氏体沉淀硬化效应，其前提是口相应有足够的合金元素含量。
为确保钛合金淬火质量和时效后有较高的机械性能及所需的组织结构，必须采用合理的加热温度、足够长的保温时间和较快的淬火冷却速度。要求自出炉至淬火前工件在空气中的停留时间控制在４－７
８
表５钛台金室温机械性能与赫处理的关系
之间，若在空气中缓冷时同长，将导致从过饱和的卢相中析出韧性低、硬度高、脆性大的ｍ相。ｏＪ脆性相是过渡共格相，晶粒极细小，在高倍电子镜下才能发现。确保口相中合金元素达到规定临界含量，加之足够快的淬火冷却速度，便可将高温口相保持到室温，
∞峙∞坫∞
ＴＢｌ
ＴＩ－３ＡＩ－ＳＭｏ—１１Ｃｒ棒材
时艘谇火时效
退火
Ｔｉ＿６ＡＩ－４Ｖ
１３００
淬火
１１００
ＴＢ２焉？棒材
代４
棒材
１０００
１４００
”５博７ｍ８ｍ
６
９５０１１００１０５０
１２００１０５０１０５０
避免淬火冷却过程中从口相中析出脆性ｍ相和发生共析分解。着卢相中合金元素含量低于临界含量，则会导致口相马氏体转变开始温度（Ｍｓ）高于室温，淬火冷却时其中一部分将转变成无扩散型ａ’马氏体，达不到固溶淬火强化效果。推荐的钛合金热处理工艺参
时效
ＴＣｓ。Ｔｉ～－６．５Ａ。Ｉ篡
锻件
遇火
时效退火
．∞
ＴＣ，ｏ：：器－，２。Ｓｎ轧棒
棒材
遇火时被
ｎ幢８
１２００数见表６。
．
裹６推荐的钛合金热处理工艺参数
３．２时效处理
脆性相．需很长的时效时间，周期长、效率低，增加生产成本。
淬火钛合金在３５０—５００℃时效时．卢相的转变过程如下：
卢。＿＋卢，４－脚－÷口，４－∞＋ａ－÷且＇４－ａ
（１）
钛合金固溶淬火后进行时效处理，介稳定的过饱和卢相和ａ固溶体发生脱溶沉淀．从而达到强硬化效果。时效温度一般在３５０—５００℃之间选择，取决于合金品种和组织性能要求。若时效温度太高，会使脱溶粒子粗大，降低强韧性；若时效温度太低，为消除ｍ
卢．＿＋卢ｒ＋∞－＋卢，＋∞＋ａ．÷且＋ａ＿＋ｑ＋Ｔｉ。屿（２）
一竺！塑
蔓皇皇！塑三
ａ’’ａ＋卢
ａ’．＋ｑ＋Ｔｉ。Ｍ，
！！
（３）（４）
式中，ｐ。为淬火后保持下来的口相；芦，为脱溶出ｍ或ｄ相、富集合金元素较舟。高的／３相；口。为口相处于平衡状态的卢相；ｔｏ为在ａ相脱溶前形成的台金元素含量较／３。低的六方结构过渡共格相；Ｔｊ。Ｍ，为最终形成的金属问化合物。（１）式适用于低温下无共析反应的钛台金；（２，式适用于低温下存在共析反应的镀台金。
若在较低温度（１００一３５０℃）下进行时效，因反应速度慢，时效过程只能进行到第一阶段，即卢。一卢，＋∞；若在较高温度（５００℃）下进行时效，则在时效过程中的第一、第二阶段，ａ相直接从ｐ。相中脱溶。
淬火钛合金时效过程中，伴随形成过渡共格ｍ相，材科变硬变脆。科学合理地选择时效温度和保温时间，其∞脆性相可转变为高度弥散的ｎ相，使台金获得较高的强度和良好的塑性；反之，若长时间高温时效，因ａ相粒子长大，导致强度和塑性降低，还可能脱溶出脆性Ｔｉ。Ｍ．金属问化合物。因此，时效过程在ｍ相刷被弥散ｄ相取代对终止，可获得挠良的组织和机械性能。
若淬火钛台金中存在ａ’马氏体，则时效过程中会发生以下反应：
应用领域喷气发动机飞机机身火箭、导弹、宇宙飞船
船舶、舰艇化学和石油工业
。
（３）式适用于低温下无共析反应的钛合金；（４）式适用于低温下存在共析反应的钛合金。上述转变为ａ’马氏体回火转变，实质是从过饱和固溶体中脱溶出第二裙，即在母相基体串形成弥数第二楣脱溶物，使钛合金弥散硬化与强化。
表７所示为淬火温度（时效制度相同，均为（５４０
±１０）℃ｘ４ｈ，空冷）对ＴＣ４钛台金力学性能的影响。襄７淬火羞度（时效制度相同）对ＴＣ４钍台盒力学性健的影响
洼：时效工艺（５４０±１０）ｔ
ｘ４
ｈ．空降。
４钛合金的应用
钛合金的应用详见表８。
表８技台金的应用实例
材辐使用特性
应用部位
压气盘、静舛片ｔ动蚌片、枫壳、燃烧爿‘壳、搏气机壳、中心件和喷气管等。，。
防火壁、蒙皮、大集、起落蔡、拉杆、坚固件、船门、导营等
在５∞℃以下ｒ具有高鼬屈厦强度７密度比和疲劳釜度；良好热稳定性．优异的抗大气腐蚀性能，可减轻重量。在３００℃以下．比强度高．看足够塑性与韧性。在常温及超低温下比强度高，具有优良塑性与钶性。比强度高；在海水及海洋气氛下有优异耐腐蚀性能。在氧化性和中性介质中有良好耐腐蚀性；在还原性舟质中，研通过台金诧和表面改性热娃理强化．握商抗礁性。卺度小、耐腐蚀性高。
蚌；有高的化学活性．能吸附ｚ、Ｎｚ、Ｈ：、
、ｃ也和甲垸
喜苎妻器、燃料贮箱、火箭发动机、飞船舱、结构骨架、壁竺苎艇悻、结构件。浮力系统球体、泵体、推进器、推进
在石油化工、化肥、酸氍、蕾气及拇永菠化等工盘中作热交接器、反廑塔。蔫商矗、两门、泵、昔道等。
火炮尾架、迫击擅底耘、坦克车栝；履带、装甲板等。
常规武器
一…
医疗卫生工业
＝：一……～明………………：等嚣鬻嚣：需ｏ：：之篇ＣＯ！搿：：一籼…枞…蝴舯埘离子
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Ｓｔｕｄｙ
ｏｎ
ＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＴｉｔａｎｉｕｍＡｌｌｏｙｓ
ＷＡＮＧ
（Ｎａｎｗａｎ
Ｔｏｏｌ
Ｒｏｎｇ－ｂｉｎ
Ｐｌａｎｔ．Ｎａｎｅｈａｎｇ．Ｊｈ，ｎ曲，３３０００２．Ｃｈｉｎａ）
ａｎｄａｐｐｌｌｏａｔｌｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆ１３ａｌｌｏｙｓ，ａｎｄｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｐａｐｅｒＩｎｔｒｏｄｕｃｅｓｉｎｄｅｔａｉｌ
ｔｈｅ∞ｍｐｏｓｍｏｎ，ｃｈａｒａｃｔｅｄｓｔｌｏａ
ｅｘｐｏｕｎｄｓｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ０ｆｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ．ｈｏｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｉｔａｎｉｕｍ
ａｌｌｏｙｓ．
Ｋａｙｗｏｒｄａ：ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙ；ｓｏｌｕｔｉｏｎｑｕｅｎｃｈｉｎｇ；ａｇｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ；ｌｉｖｉｎｇｅｘａｍｐｌｅ
钛合金的热处理强化与应用研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
王荣滨， WANG Rong-bin南弯工具厂,江西南昌,330002有色金属加工
NONFERROUS METALS PROCESSING2007,36(5)1次
参考文献(3条)
1.K H Miska 查看详情 1974(01)
2.中国科学院金属研究所 美国钛合金手册 19753.候增寿 金属学原理 1990
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