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    (α+β)型铸造钛合金辅助强化元素和杂质元素以及有关工艺措施的影响作用


    在标准GB/T15073中,属于(α+β)型铸造钛合金的有ZTC4和ZTC21。


    在(α+β)型铸造钛合金中,铝是主合金化元素,铝在钛中主要溶于α固溶体,少量溶于β相。在室温下铝在α-Ti中的溶解度达7%,故有明显的固溶强化效果。铝还能提高钛合金的热稳定性和弹性模数模量,Ti-Al合金的密度小,所以铝是钛合金中重要的合金元素,也是典型的α稳定元素。


    但是,也不应忽视其他辅助强化元素和杂质元素以及有关工艺措施的影响作用:


    (1)其他辅助强化元素的影响作用


    钒  钒与β-Ti属于同晶元素,具有β稳定化作用。钒在β-Ti中无限固溶,而在α-Ti中也有一定的固溶度,具有显著的固溶强化作用,在提高合金强度的同时,能保持良好的塑性,此外,钒还能提高钛合金的热稳定性。


    钼  钼在钛合金中的性质和作用与钒相似。


    铌  铌在钛合金中的性质和作用与钒、钼相似。


    锡  锡属于中性元素,在α-Ti和β-Ti中都有较大的固溶度。锡具有有效的强化作用,在提高合金强度的同时,不明显降低塑性,此外,还能提高合金的抗蠕变能力,是耐热钛合金中主要的合金元素之一。


    (2)杂质元素的影响作用


    (α+β)型铸造钛合金中的杂质元素主要有0、N、H、C、Fe和Si,它们的有害作用如下:


    O  是钛合金的主要杂质元素,它与Ti形成间隙型固溶体,引起晶格畸变,因而使合金的塑性降低。但它在降低性能方面的作用不剧烈,因而在钛合金中氧的允许含量可达0.15%。


    N  作用与氧相同,降低合金的塑性,其作用比氧剧烈,因此氮的允许含量比氧低,不超过0.04%~0.05%。


    C  与氧和氮相似,也是间隙型杂质元素之一。碳的存在使合金的塑性显著降低。在钛合金中碳的允许含量为0.1%。


    H  是杂质元素中most有害的元素,氢能使钛变脆,称为氢脆。造成氢脆的原因是在钛或钛合金的凝固和冷却过程中,氢的溶解度大大降低,因而促使氢以TiH2化合物形态析出。这是一种脆性的片状化合物,沿晶界析出,从而使合金的韧性降低。氢在纯钛中的固溶度很小,0.007%的含量即足以使钛变脆。氢在钛合金中的固溶度比在纯钛中大得多,因而钛合金中氢的允许含量也较高。在钛合金的两种固溶体α和β中,氢在β相的固溶度大于在α相中的固溶度,因此氢在α钛合金中的危害比在β钛合金中要大。为了避免氢脆,在α钛合金中氢的允许含量为0.01%~0.015%。


    Fe  也是钛合金中常见的杂质元素。铁与钛形成置换型固溶体,也降低合金的塑性。但其作用较几种间隙型杂质元素小,在钛合金中铁的允许含量为0.3%。


    Si  当钛合金中硅的质量分数小于0.2%时,仅固溶于α相或β相中,造成晶格畸变,降低合金的塑性。当质量分数大于0.2%时,除固溶外,还与钛形成Ti5Si3,析出在晶界上,阻止合金在受力时沿晶面产生的滑移。提高钛合金抗蠕变的能力。因此在少数钛合金中作为合金元素使用,其质量分数可达0.4%。


    (3)有关工艺措施的影响作用


    (α+β)型铸造钛合金是同时加入α稳定元素和β稳定元素,使α和β相都得到强化,这类合金的性能特点是常温强化、耐热强度及塑性比较好,并可进行热处理强化,但合金组织不够稳定,且焊接性能不如α钛合金。


    ZTC4合金是(α+β)型铸造钛合金的典型。合金中ωAl5.5%~6.8%、ωV3.5%~4.5%,铸态显微组织为粗晶的魏氏体,其中α相与β相以层状交替重叠。经过退火后的显微组织是以α为基体,在基体之间分布着短杆状和点状的β相,β相的数量约占7%~10%。ZTC4合金兼有良好的强度和塑性,经过退火(750~800℃保温1h,空冷)处理后,合金的力学性能为:σb950MPa、σ0.2858 MPa、δ10%。当合金用于铸制较薄的铸件时,还可进行固溶和时效处理,以进一步提高其性能。合金经800~850℃固溶处理1h,水淬,然后450~550℃时效2~4h后,其强度可比退火状态提高约20%~25%,但塑性则相应有所降低。


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