钛合金材料的简要解读

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一、钛合金的分类    

钛是同素异构体,熔点为1720℃,在低于882℃时,呈密排 六方晶格结构,称为α钛。在882℃以上时,呈体心立方晶格结 构,称为B钛。利用钛的上述两种结构的不同特点,添加适当的 合金元素,使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的 钛合金。在室温下,钛合金有三种基体组织,钛合金也就分为以下三类。

1、α钛合金

α相固溶体组成的单相合金,不论是在一般 温度下,还是在较高的实际应用温度下,均是α相,组织稳定,耐磨性低于纯钛,抗氧化能力强。在500~600℃温度下,仍保持其 强度和抗蠕变性能,但不能进行热处理强化,室温强度不高。     

2、β钛合金

β相固溶体组成的单相合金,未经热处理就 具有较高强度,淬火、时效后合金得到进一步强化,室温抗拉强度 可达1372~1666MPa。但热稳定性差,不宜在高温下使用。    

3、α十β钛合金

双相合金,具有良好的综合性能,组织稳定性好,有良好的韧性、塑性和高温变形性能,能较好地进行热压力加工,能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度比退火状态高50%~100%。高温强度高,可在400~500℃的温度下长期工作,其热稳定性次于α钛合金。

三种钛合金中,最常用的是α钛合金和α十β钛合金。在这三种钛合金中,α钛合金的切削加工性较好,α十β钛合金次之,β钛合金最差,α钛合金的代号为TA,β钛合金的代号为TB,α十β钛合金的代号为TC。

 

二、钛合金的性能特点

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1、强度高

钛合金的密度一般在4.51g/立方厘米左右,仅为钢的60%,纯钛的密度才接近普通钢的密度,一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,见表7-1,可制出单位强度高、刚性好、质轻的零部件。飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。

2、热强度高

使用温度比铝合金高几百度,在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450~500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃~500℃范围内仍有很高的比强度,而铝合金在150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500℃,铝合金则在200℃以下。

3、抗蚀性好

钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作,其抗蚀性远优于不锈钢;对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强;对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。

4、低温性能好

钛合金在低温和超低温下,仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。因此,钛合金也是一种重要的低温结构材料。

5、化学活性大

钛的化学活性大,与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2%时,会在钛合金中形成硬质TiC;温度较高时,与N作用也会形成TiN硬质表层;在600℃以上时,钛吸收氧形成硬度很高的硬化层;氢含量上升,也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1~0.15 mm,硬化程度为20%~30%。钛的化学亲和性也大,易与摩擦表面产生粘附现象。

6、导热弹性小

钛的导热系数λ=15.24W/(m.K)约为镍的1/4,铁的1/5,铝的1/14,而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%。钛合金的弹性模量约为钢的1/2,故其刚性差、易变形,不宜制作细长杆和薄壁件,切削时加工表面的回弹量很大,约为不锈钢的2~3倍,造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。

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