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高温合金

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TC4♂TC4♀

发布时间:2019/11/05 点击量:
钛合金分类

一般将钛合金划分为α型、α+β型、β型钛合金。根据钛合金从β相区淬火后的相组成与β稳定元素含量关系的示意图,如图1所示。钛合金划分为以下六种类型,各类钛合金的主要特征如图2所示。

 
 

α型钛合金:包括工业纯铁和只含α稳定元素的合金;

近α型钛合金:β稳定元素含量小于C1的合金;

马氏体α+β型钛合金:β稳定元素含量从C1到Ck的合金,这类合金可以简称为α+β型钛合金;

近亚稳定β型钛合金:β稳定元素含量从Ck到C3的合金,这类合金可以简称为近β型钛合金;

亚稳定β型钛合金:β稳定元素含量从C3到Cβ的合金,这类合金可以简称为β型钛合金;

稳定β型钛合金:β稳定元素含量超过Cβ的合金,这类合金可以简称为全β型钛合金。

 
 
 

 

1 钛合金从β相区淬火后的相组成与β稳定元素含量关系示意图

 

2 各类钛合金的主要特征

 

3所示为整个相图中总体上各合金的抗拉强度分布水平(退火状态和固溶时效状态)和显微组织的变化规律。在Ckp附近的合金具有最细、最均匀的显微组织和最高的强度等级。成分和显微组织对钛合金的性能起着决定性的作用。对钛合金的成分-组织-性能的研究中已经逐步从定性分析转变为定量研究。

3 钛合金β稳定元素含量与组织、性能的关系

Ⅰ-退火状态;Ⅱ-固溶时效状态

 

钛的合金元素

 

纯钛的塑性高,但强度很低,限制了其在工业生产中的应用。为了满足实际生产中高强度、耐腐蚀性等要求,人们向纯钛中添加一些合金元素形成铁合金。根据合金元素和杂质对钛的β转变温度的作用性质进行分类,可分为α稳定元素、β稳定元素和中性元素,形成的四种类型的相图示意图,如图4所示。

4 合金元素对钛合金相图的影响示意图

 

  α稳定元素

提高β转变温度,扩大α相区,增大α相稳定性的元素称为α稳定元素[见图4(a)]。α稳定元素主要包括:合金元素铝、镓、锗、硼和杂质元素氧、氮、碳等。铝是工业中最常用的α稳定元素,通过置换固溶强化,加入适量的铝元素可以提高室温和高温强度以及热强性。因此,国内外各种类型的钛合金中几乎都添加了适量的铝。但是,铝含量超过7wt.%后,易形成脆性的Ti3Al相,在合金设计中要避免。镓和锗元素在实际生产中很少采用。硼元素被称为金属材料的维生素,在钛合金中添加少量的硼可以细化晶粒,改善合金的性能。杂质元素氧、氮能大幅度提高钛的强度,同时也严重降低合金的塑性,因此,在实际生产中要严格限制其含量。碳元素对合金的强度及塑性影响较小,生产中比较容易控制。

 

同晶型β稳定元素

与钛具有相同的晶格结构和相近的原子半径,降低β转变温度,在β相中无限固溶,扩大β相区,增大β相稳定性的元素称为同晶型β稳定元素[见图4(b)]。它包括钼、钒、铌、钽等元素。其中,钼的强化作用最明显,可提高室温和高温强度,增加淬透性,并提高含铬和铁的合金的热稳定性。钼和钒的应用最广泛。铌的强化作用较弱,但也经常在钛合金中添加,特别是在Ti-Al系金属间化合物中添加铌以提高塑性和韧性。钽的强化作用最弱,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蚀性。

 

共析型β稳定元素

 

降低β转变温度,扩大β相区,还会引起共析转变的元素,称为共析型β稳定元素[见图4(c)]。这类元素包含的范围较广,且共析反应速度相差十分大。其中,铬、锰、铁等元素与钛共析反应温度较低,转变速度极慢,在一般热处理条件下转变难以进行,故称为非活性共析型元素;反之,硅、铜、氢、镍、银等元素,共析转变速度极快,淬火也无法抑制其进行,故不能将β相稳定到室温,称为活性共析型元素。铁是最强的β稳定元素之一,但热稳定性不好,熔炼时易产生偏析,因而应用较少,某些低成本的钛合金中可以添加铁元素替代昂贵的钒。铬是广泛添加的元素之一,加铬的合金具有高的强度和好的塑性,并可热处理强化,但某些条件下会因析出化合物而降低塑性。锰是早期合金设计广泛使用的元素,可提高强度和塑性,但某些条件下产生共析分解,不稳定。硅是提高热强性和耐热性的重要微量元素之一,大多数高温钛合金中都会添加,但一般不超过0.5%。氢作为有害元素要严格控制,其主要原因是析出氢化物造成氢脆。其他的元素铜、镍、银等应用很少。

 

中性元素

β转变温度的影响不大的元素称为中性元素,主要有锆、铪和锡。锆和铪与钛的性质相似,原子尺寸也十分接近,能在α相和β相中无限固溶。锆的室温强化作用弱,但高温强化作用强,通常用于热强钛合金;锡的室温强化更弱,会发生共析反应,但能提高热强性。

 

杂质元素对钛和钛合金的影响

钛中的杂质含量对钛的力学性能影响很大,杂质含量增多,可以提高其强度而降低塑性。氧、碳、氮是钛中经常存在的杂质,它们能提高钛的强度而降低其塑性,其中氮的影响最大,碳最小。

氢对钛的力学性能的影响主要体现在氢脆上。在钛中,氢的含量达到一定数值后,将大大提高钛对缺口的敏感性,从而急剧降低缺口试样的冲击韧性等性能。一般认为,钛中氢的质量分数应低于0.007%~0.008%,而不允许高于0.0125%~0.015%,因为高于这个含量,在组织上将析出氢化物,并出现明显的氢脆现象。

除氧、碳、氮外,对提高钛的强度影响较大的元素是硼、铍和铝。其他元素对钛的强度影响不那么强烈,影响程度依次为:铬、钴、铌、锰、铁、钒和锡。

杂质(NOC)含量wt.%

RB

σb/MPa

(抗拉强度)

δ/%

(断后伸长率)

ψ/%

(断面收缩率)

碘化法纯钛

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

 

稀土元素对钛合金的影响

 

Y(钇)

原始合金

原始合金中各个组分的含量

添加稀土元素的含量

稀土元素的添加方式

稀土元素对其性能的影响

Ti600

Ti-6Al-2.8Sn-

4Zr-0.5Mo-0.4Si

0.1%Y

Al-Y 中间合金

高温工作温度可达600;室温抗拉强度1068MPa;屈服强度1050MPa;延伸率11%;

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

0.3%Y

Al-Y 中间合金

细化合金晶粒尺寸;氧化表面均匀、致密、平整,氧化物颗粒细小;0.3%Y 的添加促进了致密的Al2O3保护层的形成,改善了合金的抗氧化性;加入Y后,合金的流动性由于原始合金;硬度值由373.7提高到471.3,压缩强度由1764MPa增加到2083MPa,提高了319MPa,而屈服强度和压缩率也有所提高

TC4

Ti-6Al-4V

0.02%0.1%0.038%Y2O3(0.03%Y)0.3%Y0.075%Y2O3(0.06%Y);0.114%Y2O3(0.09%Y)

金属YY2O3

加入0.02%Y0.1%Y)时,合金晶粒平均直径由0.52mm减小至0.062mm0.0222mm);加入YY2O3都可以使合金的晶粒尺寸变小,延伸率增大至近1倍,抗拉强度由855MPa最高增加至896MPa

 

工业纯钛

 

0.022%0.049%0.059%0.116%Y

金属Y(99.9%)

加入稀土元素Y后峰温向高温移动,峰高下降。

 

IMI829

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

0.2%Y

Al-Y 中间合金

加入Y后,可细化合金显微组织和晶粒;在合金中由弥散的沉淀小颗粒物;室温抗拉强度为996.7MPa,相比加入Y前有所下降;热处理后具有550℃高温蠕变性能。

Ti-14Al-21Nb

0.1%Y

Al-Y 中间合金

加入Y后,可细化合金显微组织和晶粒;在合金中由弥散的沉淀小颗粒物;热处理后700℃、800℃的高温力学性能都很好。

Ti-23Al-25Nb

0.3%Y

Al-Y 中间合金

细化了合金晶粒尺寸(6-8倍);加Y后合金氧化表面均匀、致密、平整、氧化物颗粒细小;添加稀土Y后的合金抗氧化性能显著提高,氧化增重曲线遵循抛物线规律,氧化膜厚度变薄,氧化增重量减少;800℃以上温度时,稀土Y对合金的抗氧化性能的影响不明显;850℃氧化截面观察发现Ti-23Al-25Nb合金氧化膜呈循环逐层氧化规律,加入Y后氧化膜粘附性提高,且厚度减小;

 

 

Ti-45Al-5Nb

0.3%Y

Al-Y 中间合金

细化了合金晶粒尺寸;加Y后合金氧化表面均匀、致密、平整、氧化物颗粒细小;添加Y后,合金由粗大的全层片组织变为细小的等轴晶层片组织,层片间距减小,增加了网络状或点状析出相,并且合金层片晶团尺寸较原始合金明显减小;

 

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

0.3%Y

Al-Y 中间合金

极大改善了Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.5Mo合金的抗氧化性,氧化层粘附性提高;基体/氧化层界面大量出现波浪形,增加了氧化层与基体的接触面积,也可以提高氧化层的粘附性;

NbTi50

 

0.1%Y0.2%Y0.3%Y

金属Y

细化晶粒,且随着Y含量的增加细化效果越好;硬度和强度降低;塑性提高;

Ti-47Al-2Nb

0.1%Y0.3%Y0.5%Y0.8%Y1.6%Y

金属Y

0.1-0.8%Y合金的一次枝晶间距随Y含量的增加而减小,含1.6%Y合金的一次枝晶间距略有升高。二次枝晶间距随Y含量的增加而减小。Y先与合金中的O发生反应,当Y的含量达到0.5.%时,Y在吸收合金中O的同时,也开始与Al反应,生成Al-Y化合物。当Y含量在0.1-0.3%时,压缩应力、压缩应变和硬度随Y含量的增加而增加,超过0.3%Y的合金的压缩应力、压缩应变随着Y含量的增加而降低。合金的硬度在0.3-0.8at.%Y时随Y含量的增加而显著下降,1.6%Y合金的硬度又得到了上升。

Ti-47Al-5Nb

0.1%Y0.3%Y0.5%Y0.8%Y1.6%Y

金属Y

0.1-0.5%Y合金的一次枝晶间距随Y含量的增加而减小,含0.8%Y合金的一次枝晶间距略有升高。二次枝晶间距随Y含量的增加而减小,最后趋于平缓趋势。少量的Y首先与O发生反应,当Y的含量达到0.3%时,也开始与Al反应生成Al-Y化合物。

该合金的压缩应力并没有随着Y含量的变化有很大的提高。压缩应变以Y含量为0.3at.%时为分界,当Y含量小于0.3at.%时,压缩应变随Y含量的增加而增加;当Y含量大于0.3at.%时,则相反。硬度大致随Y含量的增加而上升。

 

 

Ce(铈)

原始合金

原始合金中各个组分的含量

添加稀土元素的含量

稀土元素的添加方式

稀土元素对其性能的影响

TC4

Ti-6Al-4V

 

Ce盐,阳极氧化

阳极氧化膜完整;氧化膜层厚度由原来的<1μm增至>2μm;提高氧化膜抗点蚀能力。

纯钛

 

0.1%Ce

Ce-Y中间合金

氧化铈周围的位错环为±1/3[1120]型的间隙环。其惯习面为[1120]

位错环移动所需临界切应力为7.8x10-4G

 

Nd(钕)

原始合金

原始合金中各个组分的含量

添加稀土元素的含量

稀土元素的添加方式

稀土元素对其性能的影响

 

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

0.0%0.5%1.0%1.5%Nd

Al-Nd 中间合金

Nb元素的质量分数1.0%时,合金的组织为网篮组织,室温压缩性能出现峰值,抗压强度为1772.93MPa,屈服强度为1068.34MPa,压缩率为36.38%

BT18Y

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

1.0%Nd

Al-Nd 中间合金

高温工作温度可达550-600

Ti55

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

1.0%Nd

Al-Nd 中间合金

高温工作温度可达550

Ti53311S

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

1.0%Nd

Al-Nd 中间合金

高温工作温度可达550

Ti60

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

0.85%Nd

Al-Nd 中间合金

高温工作温度可达600

 

Gd(钆)

原始合金

原始合金中各个组分的含量

添加稀土元素的含量

稀土元素的添加方式

稀土元素对其性能的影响

Ti633G

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

0.2%Gd

Al-Gd 中间合金

添加0.2Gd可使IMI829合金的平均β晶粒尺寸由500μm减小到100μm,并抑制高温下β晶粒长大。

蠕变能力提高近1;提升了合金抵抗氧化的能力;强度降低,塑性提高;热稳定性提高;疲劳性能分散性较小;

TC4

Ti-6Al-4V

0.25%-1.0%Gd

Al-Gd 中间合金

添加0.25~1.0wt%Gd,产生0.5~6μm的稀土沉淀物粒子,随着Gd含量的增加,沉淀物粒子尺寸增大,数量增多,并且以长条状分布于晶界处;含Gd量大于0.5wt%的合金是难以锻造的;

 

IMI829

 

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

0.1%-1.0%Gd

Al-Gd 中间合金

沉淀物粒子的尺寸和分布的不均匀性随Gd含量的提高而增加;Gd可细化该合金的组织,能同时提高IMI829合金的室温及540℃下的拉伸强度和塑性;添加0.2wt%Gd,能获得最佳的室温和高温拉伸性能。高含量的稀土Gd不降低IMI829合金的可锻性和拉伸塑性;含lwt%GdIMI829合金,其室温延伸率达10.7%,断面收缩率达23.0%.

 

 

Ti-47Al-2Nb

0.15%0.3%Gd

金属Gd

Gd含量为0.15%时,合金的一次和二次枝晶间距最小。0.3%Gd合金的一次和二次枝晶间距增大。含Gd合金的稀土相形貌均呈颗粒状,条状,岛屿状三种形态。0.15%0.3%Gd合金中均含有Gd-OGd-Al化合物。0.15%Gd合金的压缩应力、压缩应变、硬度均得到很大程度的提高。但0.3at.%Gd均使合金的压缩应力、压缩应变和硬度下降。

 

 

Ti-47Al-5Nb

0.15%0.3%Gd

金属Gd

Gd含量为0.15%时,合金的一次和二次枝晶间距最小。0.3%Gd合金的一次和二次枝晶间距增大。含Gd合金的稀土相形貌均呈颗粒状,条状,岛屿状三种形态。0.15%0.3%Gd合金中均含有Gd-OGd-Al化合物。0.15%Gd合金的压缩应力、压缩应变、硬度均得到很大程度的提高。但0.3at.%Gd均使合金的压缩应力、压缩应变和硬度下降。

 

 

Er(铒)

原始合金

原始合金中各个组分的含量

添加稀土元素的含量

稀土元素的添加方式

稀土元素对其性能的影响

 

Ti-47Al-2Nb

0.2%0.4%Er

金属Er

合金的一次和二次枝晶间距均减小,合金的析出相由点状,棒状,分布不均匀的形态变为颗粒状,条状和岛屿状。含有Er-OEr-Al化合物;合金的压缩应力、压缩应变和硬度均随Er含量的增加而降低。

 

Ti-47Al-5Nb

0.2%0.4%Er

金属Er

合金的一次和二次枝晶间距均减小,合金的析出相由点状,棒状,分布不均匀的形态变为颗粒状,条状和岛屿状。合金的析出相较均匀;含有Er-OEr-Al化合物;0.2at.%Er合金的压缩应

力、压缩应变和硬度得到了显著的提高,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%

金属Er

添加微量Er可以细化合金的晶粒,但不改变合金基体的相组成;当Er含量较低时,主要以固溶形式存在于合金中;当Er含量约为0.6%时,合金中将析出富Er相,并弥散分布于基体中,随着Er含量的增加,富Er相尺寸变大且沿晶界聚集,导致合金性能下降。固溶强化和弥散强化是微量 Er元素改善合金性能的原因,当添加0.6%Er时,合金具有优良的塑性变形能力。