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β鈦合金的特性及應用

來源:鈦棒,鈦板,鈦管,鈦絲,鈦設備,鈦合金,鈦材 發布時間:2016-5-17 10:04:40
β穩定元素在鈦及鈦合金中主要起固溶強化和穩定β相的作用。當β穩定元素超過一定數量時,鈦合金具有熱處理強化效應。β穩定元素包括元素周期表中位于鈦右邊的幾乎所有過渡族元素以及IB族元素,約有30種。實際常用的僅有十幾種。其中同晶型β穩定元素有鉬、釩、鉭、鈮,共析型β穩定元素有鐵、鉻、錳、銅、鈷、鎳、鎢、鈀和氫。氫對鈦合金的獨特作用將在有關間隙元素對鈦影響的內容中敘述。 
 
β穩定元素都不同程度的降低鈦的a+β/β相變點,并按鉭、鈮、鉬、釩、硅、銅、鉻、錳、鐵的順序遞增。β穩定元素都降低鈦的馬氏體轉變開始溫度。β穩定元素逐漸增加,可使鈦的M點降低到室溫,當鈦合金由β相區快速冷卻到室溫時,可將高溫β相保留到室溫。此時鈦合金元素的含量為臨界濃度。顯然,臨界濃度是衡量合金元素對穩定β相的能力的一種指標。鈦合金元素穩定β相的能力是按鉭、鈮、釩、鎢、銅、鉬、鎳、鈷、鉻、錳、鐵的順序遞增的。同晶型元素是弱的β穩定元素,共析型元素是較強的。 
 
1.鈦-鉬系鈦合金
鉬與β具有相同的晶格類型,鉬在β鈦中無限固溶。鉬在a鈦中的固溶度在600℃時為0.8%,當鉬含量超過24~28%時,在650℃就形成單一β相。鈦-鉬二元系在固態僅有a~β多型性轉變。鉬在a鈦中的固溶度隨溫度的降低而增加,鈦合金中沒有過飽和a相分解問題。
2.鈦-釩系鈦合金
在固態發生的轉變與鈦-鉬系完全相同。釩與β鈦具有同一晶格類型,釩在β鈦中是無限固溶的。600℃時釩在a鈦中的固溶度為3.5%。在650℃時,當釩含量超過18.5~20%時則形成單一β相固溶體。在液-固轉變中,鈦-釩二元系液相線出現一個最低點。釩在a相中的固溶度亦隨溫度下降而增加,鈦合金中沒有過飽和a相及其分解問題。
3.鈦-鈮系鈦合金
其固態的轉變與鈦-釩系相同,液-固轉變類似于鈦-鉬系。鈮與β鈦無限固溶。在600℃時鈮在a鈦中的固溶度為4%,當鈮含量超過50%左右時則形成單一β固溶體。其a/a+β相線的形狀與鈦-鉬系相似。亦沒有過飽和固溶體分解問題。
4.鈦-鉭系鈦合金
鉭在β鈦中也是無限固溶的。600℃時,鉭在a鈦中的固溶度為11%,當鉭含量大約超過65%時則形成單一β固溶體。
5.鈦-鐵系鈦合金
鐵在β鈦中最大固溶度為25%,出現在1085℃。鐵在a鈦中的最大固溶度為0.5%,在590℃左右出現,并在此溫度發生下列共析轉變,其共析點的固溶度約為15%。β=a+TiFe
6.鈦-錳系鈦合金
它的富鈦部分與鈦-鐵系二元相圖的富鈦部分相似。錳在β鈦中的最大固溶度約為33%,出現在1175℃。錳在a鈦中的最大固溶度約為0.5%,出現在550℃。在此溫度發生共析轉變,其共析點的固溶度約為20%。β=a+TiMn
 
隨著我國新一代渦扇航空發動機和第 3 代戰斗機的研制生產,鈦合金在我國航空工業中的應用得到了快速發展,同時也對鈦合金的性能提出越來越高的要求。這種要求集中表現在兩個方面,一是更高的斷裂韌性,二是在保證足夠斷裂韌性的基礎上獲得超過1100MPa的高強度。以往的事故分析表明,飛機機體結構常會出現一種低應力斷裂現象,即構件的工作應力低于材料的屈服強度而發生的脆性斷裂,這是由于構件內部存在由鑄造、鍛造、熱處理,甚至機械加工所產生的微裂紋。這種帶有裂紋的構件使用時的安全性、可靠性和壽命,取決于裂紋失穩擴展的抵抗能力,這個能力就是以斷裂韌性為標志:KIC。研究表明,β型鈦合金可以在更高的強度水平上具有比α型鈦合金與α+β兩相鈦合金更好的斷裂韌性,滿足提高飛機構件的結構效益和構件壽命的要求。與此同時,隨著我國航空航天工業的迅速發展,新一代標準件要求材料強度水平達1100~ 1300MPa級以上,所以研發1100~1300MPa級以上的β型鈦材及其加工工藝成為我國材料工程技術人員的當務之急。 TB6鈦合金(Ti-10V-2Fe-3Al),是迄今為止應用最為廣泛的一種高強高韌近β型鈦合金,是一種為適應損傷容限性設計原則而產生的高結構效益、高可靠性和低制造成本的鈦合金,合金中以Fe和V為主要β穩定元素。常規使用狀態下 Rm≥1100 MPa,KIC≥60 MPa·m1 /2,已經應用于波音777 客機起落架主梁、A380主起落架支撐等部件。該合金研制的技術難點是避免β穩定元素的偏析。 TC18 鈦合金(Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe),是一種近β型合金,具有高強、高韌、高淬透性,強度極限在退火狀態下可達1080 MPa,在強化熱處理狀態下可達1200 MPa 或更高,具有滿意的延伸率、斷面收縮率和沖擊韌性。我國西北有色金屬研究院、北京航空材料研究院等單位聯合研制的TC21(Ti-6Al-2Mo-1.5Cr-2Zr-2Sn-2Nb),是具有我國自主知識產權的第一個高強高韌損傷容限鈦合金。目前使用狀態下 Rm≥1100MPa,KIC≥70 MPa·m1 /2。該合金已經在我國第 3 代先進飛機上獲得了工程化應用。 用作為鈦合金β相穩定元素有一個缺點,即V的抗氧化能力很差,所以這些β鈦合金的使用溫度一般不超過300℃。為了使合金具有良好的抗氧化性能和高溫性能,要選用抗氧化性能良好的的高熔點Mo和Nb作為β相穩定元素。TB8鈦合金(Ti-3Al-15Mo-2.7Nb-0.25Si)是針對抗氧化金屬及復合材料基體的需求而研制的一種β型鈦合金。該鈦合金不僅具有優異成形性、深淬透性、良好的抗腐蝕能力,還具有優異的高溫抗氧化性能,可用于制作有溫度要求的飛機結構件或發動機部件緊固件和液壓管材等。
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