【正文】 ............................... 25 七、 鈦的表面熱處理 ...................................................... 25 1. 滲無機(jī)元素表面熱處理 ................................................ 25 A. 滲碳 ............................................................ 26 B. 滲氮 ............................................................ 26 C. 滲硼 ............................................................ 27 2. 滲金屬元素表面熱處理 ................................................ 27 參考文獻(xiàn) .................................................................... 29 材料制備： 鈦合金熱處理綜述 1 引言 鈦是 20 世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，因其具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、耐蝕、耐熱、無磁等一系列優(yōu)良性能，以及形狀記憶、超導(dǎo)、儲(chǔ)氫、生物相容性四大獨(dú)特功能，被廣泛應(yīng)用在航空航天、艦船、軍工、冶金、化工、海水淡化、輕工、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防中占有重要的地位和作用。鈦是金屬材料王國中“全能的金屬”、“海洋金屬”、“太空的金屬”，從工業(yè)價(jià)值、資源壽命和發(fā)展前景來看，鈦被視為繼鐵、鋁之后處于發(fā)展中的“第三金屬”和“戰(zhàn)略金屬”。美、日、俄羅斯以及中國等許多國家都高度重視鈦合金的發(fā)展，各國根據(jù)不同國情和需求進(jìn)行了各自的研發(fā)，現(xiàn)已得到了廣泛的應(yīng)用。其他許多鈦合金都可以看作是Ti6Al4V 合金的改型。除航空外領(lǐng)域，美國也將鈦用在海洋開發(fā)、地?zé)岚l(fā)電以及制作放射性廢物處理的容器等方面，其發(fā)展的趨勢是由軍工到民品，由飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)到機(jī)體，由航空航天到一般產(chǎn)業(yè)。目前美國在航空航天等軍工領(lǐng)域的用鈦量最大，自上世紀(jì) 80 年代后，各種先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)和轟炸機(jī)中，鈦及其合金的用量已穩(wěn)定在 20%以上。我國鈦產(chǎn)品80%以上用于石油、化工等民用工業(yè)，近期發(fā)展的主要目標(biāo)是國內(nèi)市場。 20 世紀(jì) 50～ 60 年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的高溫鈦合金和機(jī)體用的結(jié)構(gòu)鈦合金，70 年代開發(fā)出一批耐蝕鈦合金， 80 年代以來，耐蝕鈦合金和高強(qiáng)鈦合金得到進(jìn)一步發(fā)展。 A2(Ti3Al)和 r（ TiAl）基合金的出現(xiàn)， 使鈦在發(fā)動(dòng)機(jī)的使用部位正由發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端（風(fēng)扇和壓氣機(jī)）向發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端（渦輪）方向推進(jìn)。 另外， 20 世紀(jì) 70 年代以來，還出現(xiàn)了 TiNi、 TiNiFe、 TiNiNb 等形狀記憶合金，并在工程上獲得日益廣泛的應(yīng)用。 據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 2022 年我國化工行業(yè)用鈦量達(dá) 萬噸，比 2022 年有所減少。近些年來，化工行業(yè)一直是鈦加工材最大的用戶，其用量在鈦材總用量的占比一直保持在 50%以上， 2022 年占比高達(dá) 55%。受此影響，其對鈦加工材用量的萎縮也變得順理成章。材料制備： 鈦合金熱處理綜述 2 以當(dāng)前市場表現(xiàn)看來， 2022 年整體經(jīng)濟(jì)的疲軟有可能使得化工用鈦的衰退期提前。 4℃，熔化潛熱 千卡 /克原子，沸點(diǎn) 3260177。鈦的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性能較差，近似或略低于不銹鋼，鈦具有超導(dǎo)性，純鈦的 超導(dǎo)臨界溫度為 。度，熱焓 1149 卡 /克原子，熵為 卡 /克原子178。 鈦具有可塑性，高純鈦的延伸率可達(dá) 5060%，斷面收縮率可達(dá) 7080%，但強(qiáng)度低，不宜作結(jié)構(gòu)材料。 鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。鈦及其合金已成為一種耐蝕結(jié)構(gòu)材料。中國于 1956 年開始鈦和鈦合金研究；60 年代中期開始 鈦材 的工業(yè)化生產(chǎn)并研制成 TB2 合金。 1950 年美國首次在 F84 戰(zhàn)斗轟炸機(jī)上用作后機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機(jī)尾罩等非承力構(gòu)件。鈦合金在軍用飛機(jī)中的用量迅速增加，達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的 20%～ 25%。馬赫數(shù)小于 的飛機(jī)用鈦主要是為了代替鋼，以減輕結(jié)構(gòu)重量。當(dāng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比從 4～ 6 提高到 8～ 10，壓氣機(jī)出口溫度相應(yīng)地從 200～ 300176。 C 時(shí)，原來用鋁制造的低壓壓氣機(jī)盤和葉片就必須改用鈦合金，或用鈦合金代替不銹鋼制造高壓壓氣機(jī)盤和葉片，以減輕結(jié)構(gòu)重量。航天器主要利用 鈦合金的高比強(qiáng)度，耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構(gòu)架和火箭殼體。 作為飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一， 鈦合金 的應(yīng)用水平是衡量飛機(jī)選材先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一，是影響飛機(jī)戰(zhàn)術(shù)性能的一個(gè)重要方面。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的用鈦量也在逐步增加，國外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量已達(dá) 30%左右，例如 V2500 發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量就高達(dá) 31%，第四代發(fā)動(dòng)機(jī) F119 的鈦合金用量為40%?？罩锌蛙嚨拟佊昧恳褟牡谌?A320 的 %增至第四代 A340 的 6%，而即將問世的A350 客機(jī)的鈦用量進(jìn)一步提高至 15%。 60 年來，鈦合金通過持續(xù)的合金創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新和工程應(yīng)用，永不止步地一再挖掘出鈦潛在的能力，其比強(qiáng)度、耐熱性、抗蝕性等方面的優(yōu)越性日益充分地發(fā)揮出來，成本較高的問題則逐漸得到不同程度的解決，使用可靠性也隨設(shè)計(jì)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的日積月累而不斷提高。 飛機(jī)結(jié)構(gòu)鈦合金按抗拉強(qiáng)度這一特征要素可分為低強(qiáng)度鈦合金、中強(qiáng)度鈦合金、高強(qiáng)度鈦合金、超高強(qiáng)度鈦合金。根據(jù)低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金在 各應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用情況分析【確定低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金主干牌號有 TA17（板材）、 TC2（板材）、 TA18（管材）、 Ti31（板材、鍛件、 鈦管 ）、 Ti70（板材）、 ZTi60（鑄件）等】。經(jīng)分析，中強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合金主干牌號有 TA7（板材、鍛件）、 TC4（ 鈦板 、鍛件、絲材）、TA15（厚板、鍛件）、 Ti75（鍛件）、 Ti80（板材、鍛件）。經(jīng)綜合分析，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鈦合 金主干牌號確定為 TC21（鍛件）、 TC16（絲材）、 TB6（鍛件）。我國α型鈦合金的牌號為 TA后加一個(gè)代表合金序號的數(shù)字，如 TA TA TA3 等。 （ 2） α＋ β 型 鈦合金 這種合金是指其退火組織為α＋β相的鈦合金，也稱為兩相鈦合金。 （ 3） β 型 鈦合金 此類合金含β穩(wěn)定元素較多。 β 型 鈦合金 可進(jìn)一步分為熱穩(wěn)定 β 型 合金 、亞穩(wěn)定 β 型 合金 、近 β 型 合金 。時(shí)效 時(shí) ，β 相中析出α 相，時(shí)效后為 β 相和α 相 固溶 處理后，室溫強(qiáng)度低，冷 成形 和冷加工能力強(qiáng)，可焊性好 ； 經(jīng)過時(shí)效 后 ，室溫強(qiáng)度高，在高屈服強(qiáng)度 下 具有高的斷裂韌性，在 350℃ 以上熱穩(wěn)定性差，此類合金淬透性 好 TB1~TBTB8~TB9 近β型 合金 含有 臨界濃度左右的 β 穩(wěn)定元素和一定的中性元素 從 β 相相區(qū)固溶處理后有大量的亞穩(wěn)定 β 相，還有少量的其他亞穩(wěn)定相（ α ’ 或 ω相） ， 時(shí)效后為 β 何 α 相 除 具有亞穩(wěn)定 β 型合金的特點(diǎn)外， β相區(qū)固溶處理后，屈服強(qiáng)度低，均勻伸長率 高。 B. 合金元素作用 工業(yè)鈦合金中常用的合金元素有：鋁、鋯、錫、釩、鉬、錳、鉻、鐵、銅、硅等。鋁在鈦中的極限溶解度為 ％ ,一般加鋁量不超過 7％。 釩和鉬是β穩(wěn)定元素中應(yīng)用最廣的兩種元素，對β相起固溶強(qiáng)化作用，降低相變點(diǎn)，增加合金的淬透性，從而強(qiáng)化熱處理強(qiáng)化效果。 硅的共析轉(zhuǎn)變溫度較高（ 860℃），加硅可改善合金的耐熱性能。稀土元素可顯著地提高合金的瞬時(shí)強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度。 (1)形成馬氏體 定義：α穩(wěn)定元素過飽和的固溶 體為鈦合金的馬氏體。 材料制備： 鈦合金熱處理綜述 8 (2)ω 相變 形成條件： a) 當(dāng)合金成分在臨界濃度 Ck 附近時(shí)，高溫淬火由 β 相形成。 ω 相的特點(diǎn)：硬脆相，位錯(cuò)不能在其中移動(dòng)。 (3)淬火鈦合金的亞穩(wěn)定相圖 材料制備： 鈦合金熱處理綜述 9 歸納起來，不同成分合金自β相區(qū)淬火，可以得到六種組織，即α′、α〞、 α〞＋ βm、 α〞＋ β(ω )、 β(ω )、 βm。但若采用空冷時(shí)，由于 β →α 的相變來不及進(jìn)行到底，在組織中往往殘留有少量的亞穩(wěn)定 β 相。 α 和 β 相分別沿著各自的溶解度曲線（ ACα和 AB)變化。 iii) β 相共析反應(yīng)和等溫轉(zhuǎn)變 材料制備： 鈦合金熱處理綜述 10 (1)共 析反應(yīng) 鈦與鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、硅等元素組成共析相圖。 C. 時(shí)效過程中亞穩(wěn)定相的分解 鈦合金淬火形成的亞穩(wěn)定相α′、α″、ω及β m，在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，加熱時(shí)要發(fā)生分解，其分解過程是比較復(fù)雜的。但最終的分解產(chǎn)物均為平衡狀態(tài)的 α＋ β。因?yàn)樗仨氂屑訜徇^程，故稱熱處理。 熱處理是將鈦材整體進(jìn)行加熱處理的過程。 鈦合金熱處理的特點(diǎn)： （ 1）馬氏體相變不會(huì)引起合金的顯著強(qiáng)化 （ 2）應(yīng)避免形成 ω 相 （ 3）同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變難于細(xì)化晶粒 （ 4）導(dǎo)熱性差 （ 5）化學(xué)性活潑 材料制備： 鈦合金熱處理綜述 12 （ 6） β 相變點(diǎn)差異大 （ 7）在 β 相區(qū)加熱時(shí) β 晶粒長大 傾向大。退火的原理是基于回復(fù)和再結(jié)晶等金屬內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)變化過程。它是冷變形，鈦處于 亞穩(wěn)態(tài)，此時(shí)，容易發(fā)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)，畸變能釋放完，鈦晶格