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β钛合金的特性及应用

来源:钛棒,钛板,钛管,钛丝,钛设备,钛合金,钛材 发布时间:2016-5-17 10:04:40
β稳定元素在钛及钛合金中主要起固溶强化和稳定β相的作用。当β稳定元素超过一定数量时,钛合金具有热处理强化效应。β稳定元素包括元素周期表中位于钛右边的几乎所有过渡族元素以及IB族元素,约有30种。实际常用的仅有十几种。其中同晶型β稳定元素有钼、钒、钽、铌,共析型β稳定元素有铁、铬、锰、铜、钴、镍、钨、钯和氢。氢对钛合金的独特作用将在有关间隙元素对钛影响的内容中叙述。 
 
β稳定元素都不同程度的降低钛的a+β/β相变点,并按钽、铌、钼、钒、硅、铜、铬、锰、铁的顺序递增。β稳定元素都降低钛的马氏体转变开始温度。β稳定元素逐渐增加,可使钛的M点降低到室温,当钛合金由β相区快速冷却到室温时,可将高温β相保留到室温。此时钛合金元素的含量为临界浓度。显然,临界浓度是衡量合金元素对稳定β相的能力的一种指标。钛合金元素稳定β相的能力是按钽、铌、钒、钨、铜、钼、镍、钴、铬、锰、铁的顺序递增的。同晶型元素是弱的β稳定元素,共析型元素是较强的。 
 
1.钛-钼系钛合金
钼与β具有相同的晶格类型,钼在β钛中无限固溶。钼在a钛中的固溶度在600℃时为0.8%,当钼含量超过24~28%时,在650℃就形成单一β相。钛-钼二元系在固态仅有a~β多型性转变。钼在a钛中的固溶度随温度的降低而增加,钛合金中没有过饱和a相分解问题。
2.钛-钒系钛合金
在固态发生的转变与钛-钼系完全相同。钒与β钛具有同一晶格类型,钒在β钛中是无限固溶的。600℃时钒在a钛中的固溶度为3.5%。在650℃时,当钒含量超过18.5~20%时则形成单一β相固溶体。在液-固转变中,钛-钒二元系液相线出现一个最低点。钒在a相中的固溶度亦随温度下降而增加,钛合金中没有过饱和a相及其分解问题。
3.钛-铌系钛合金
其固态的转变与钛-钒系相同,液-固转变类似于钛-钼系。铌与β钛无限固溶。在600℃时铌在a钛中的固溶度为4%,当铌含量超过50%左右时则形成单一β固溶体。其a/a+β相线的形状与钛-钼系相似。亦没有过饱和固溶体分解问题。
4.钛-钽系钛合金
钽在β钛中也是无限固溶的。600℃时,钽在a钛中的固溶度为11%,当钽含量大约超过65%时则形成单一β固溶体。
5.钛-铁系钛合金
铁在β钛中最大固溶度为25%,出现在1085℃。铁在a钛中的最大固溶度为0.5%,在590℃左右出现,并在此温度发生下列共析转变,其共析点的固溶度约为15%。β=a+TiFe
6.钛-锰系钛合金
它的富钛部分与钛-铁系二元相图的富钛部分相似。锰在β钛中的最大固溶度约为33%,出现在1175℃。锰在a钛中的最大固溶度约为0.5%,出现在550℃。在此温度发生共析转变,其共析点的固溶度约为20%。β=a+TiMn
 
随着我国新一代涡扇航空发动机和第 3 代战斗机的研制生产,钛合金在我国航空工业中的应用得到了快速发展,同时也对钛合金的性能提出越来越高的要求。这种要求集中表现在两个方面,一是更高的断裂韧性,二是在保证足够断裂韧性的基础上获得超过1100MPa的高强度。以往的事故分析表明,飞机机体结构常会出现一种低应力断裂现象,即构件的工作应力低于材料的屈服强度而发生的脆性断裂,这是由于构件内部存在由铸造、锻造、热处理,甚至机械加工所产生的微裂纹。这种带有裂纹的构件使用时的安全性、可靠性和寿命,取决于裂纹失稳扩展的抵抗能力,这个能力就是以断裂韧性为标志:KIC。研究表明,β型钛合金可以在更高的强度水平上具有比α型钛合金与α+β两相钛合金更好的断裂韧性,满足提高飞机构件的结构效益和构件寿命的要求。与此同时,随着我国航空航天工业的迅速发展,新一代标准件要求材料强度水平达1100~ 1300MPa级以上,所以研发1100~1300MPa级以上的β型钛材及其加工工艺成为我国材料工程技术人员的当务之急。 TB6钛合金(Ti-10V-2Fe-3Al),是迄今为止应用最为广泛的一种高强高韧近β型钛合金,是一种为适应损伤容限性设计原则而产生的高结构效益、高可靠性和低制造成本的钛合金,合金中以Fe和V为主要β稳定元素。常规使用状态下 Rm≥1100 MPa,KIC≥60 MPa·m1 /2,已经应用于波音777 客机起落架主梁、A380主起落架支撑等部件。该合金研制的技术难点是避免β稳定元素的偏析。 TC18 钛合金(Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe),是一种近β型合金,具有高强、高韧、高淬透性,强度极限在退火状态下可达1080 MPa,在强化热处理状态下可达1200 MPa 或更高,具有满意的延伸率、断面收缩率和冲击韧性。我国西北有色金属研究院、北京航空材料研究院等单位联合研制的TC21(Ti-6Al-2Mo-1.5Cr-2Zr-2Sn-2Nb),是具有我国自主知识产权的第一个高强高韧损伤容限钛合金。目前使用状态下 Rm≥1100MPa,KIC≥70 MPa·m1 /2。该合金已经在我国第 3 代先进飞机上获得了工程化应用。 用作为钛合金β相稳定元素有一个缺点,即V的抗氧化能力很差,所以这些β钛合金的使用温度一般不超过300℃。为了使合金具有良好的抗氧化性能和高温性能,要选用抗氧化性能良好的的高熔点Mo和Nb作为β相稳定元素。TB8钛合金(Ti-3Al-15Mo-2.7Nb-0.25Si)是针对抗氧化金属及复合材料基体的需求而研制的一种β型钛合金。该钛合金不仅具有优异成形性、深淬透性、良好的抗腐蚀能力,还具有优异的高温抗氧化性能,可用于制作有温度要求的飞机结构件或发动机部件紧固件和液压管材等。
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