ti2.5cu合金的时效性能研究
研究了Ti-2.5Cu合金固溶后经过不同变形量后的时效性能。结果表明，Ti-2.5Cu合金在经过805℃固溶处理后，获得了单一的α相组织，对其进行变形，发现随着变形量的增加，晶粒变得细长，晶界由清晰变得模糊。同时，由于形变的影响，材料的硬度不断提高。时效处理后，析出细小的Ti2Cu相提高了合金的强度。随着变形量的增加，试样的强度出现峰值，进一步增加变形量加速了合金的过时效过程，反而使强度有所下降。对未变形的Ti-2.5Cu合金进行电化学测试，结果发现时效后的合金耐腐蚀性能有所提高。关 键 词 Ti-2.5Cu合金，力学性能，组织结构，固溶
目 录
1 绪论 1
1.1 钛及钛合金 1
1.2 钛合金的热处理 3
1.3 钛及钛合金的强化机制 4
1.4 本论文研究意义、内容和技术路线 5
2 实验材料与实验方法 6
2.1 实验材料与实验设备 6
2.2 实验方法 9
3 实验结果与讨论 10
3.1 固溶变形处理后的组织与力学性能变化 10
3.2 时效处理后的组织及力学性能 13
3.3 固溶与时效后的电化学腐蚀 17
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 绪论
1.1 钛及钛合金
钛仅有50多年的工业生产历史，因为钛及其合金具有密度小、耐高温、耐腐蚀、强度高等突出优点，而且具有丰富的资源，目前已经广泛应用于航天、化工、生物医疗、汽车等领域[1]。此外，钛和一些钛合金还是一种理想的低温结构材料。
1.1.1 钛合金的基本性质
纯钛的密度是4.507g/cm3，熔点是1688℃。众所周知，钛合金组织具有多样性，其力学性能主要受其中几个关键的特征量影响，我们称这些特征量为组织特征参数。钛存在两种同素异构转变，在882℃以下，钛及大多数钛合金具有接近理想状态的密排六方结构，我们称之为α-Ti；在882℃以上时，钛及大多数钛合金变为体心立方结构，我们称之为β-Ti[2]，本文研究的Ti-2.5Cu合金是二元近α钛合金[3]。钛因为具有的这两种不同晶体结构，而导致钛及其合金具有各种不同的性能。而且材料的扩散速率与塑形变形都受晶体结构影响。
同时，钛还具有比强度高、断裂韧性高、低温性能好、耐高温、耐腐蚀等基本性质[4]。
比强度高[5]。比强度(强度／密度)是衡量结构材料的主要参数之一。钛及钛合金与钢材相比，强度相当但重量与之相比较轻，大概是钢材的57％、铜的50％，所以比强度比它们高。如Ti-6A1-4V钛合金比强度为21.7，而LYl2铝合金为16.7，30CrMnS5钢为14.1-14.5。所以，在航空航天和超高速齿轮等方面钛合金得到了大量的应用。
高、低温的力学性能好[5]。当飞机、导弹、火箭等高速飞行时发动机和机体表面的温度会上升。当飞行速度超过2.3马赫时，温度会升到220ºC以上，这时铝合金将失去其原有的机械性能，不可以使用。当飞行速速超过3马赫时，温度上升高到230℃以上，此时不锈钢的机械性能也会受到影响，而钛合金可以在500-600℃下长时间使用并且其机械性能不受影响。
屈服强度／抗拉强度比值大[5]。钛合金的屈强比大于铝合金和不锈钢，它的弹性模量是钢的55％。我们用钛合金代替钢作弹簧时所需的圈数会减少，同样大小的抗力弹簧，钛合金弹簧重量仅为钢簧的28％。
耐腐蚀性能高[5]。由于钛及钛合金易与空气中的氧结合在表面形成致密的氧化膜，从而阻碍了进一步的氧化腐蚀，所以钛及钛合金具有极其优异的耐蚀性能。用钛代替传统材料，用于化工、电力、轻工、冶金、能源等行业时，通常可以起到增产、降耗、节能、环保等综合效益。在海洋环境中，钛材由于特别耐氯离子腐蚀，比钢、铝、镁、铜要优越得多，这使得钛材广泛应用于海上交通、海洋环境监测、海洋能源利用、深海采矿、海洋农牧化、海水淡化等。
生物相容性好[6-7]。纯钛具有良好的生物相容性，我们将其植入人体后，它不会对其周围组织或者整个人体系统有毒副作用或者不良反应。这主要是两方面原因：一是钛本身不具有毒性；二是钛表面极易钝化产生TiO2氧化层，产生的TiO2氧化层可以提高钛的生物相容性。有关氧化层的作用机理，人们普遍认为TiO2具有较低的固有毒性，在水中它的溶解度非常小，并且TiO2与生物分子反应活性很低，接近化学惰性，且过氧化物化学现象具有明显的抗炎作用。此外，TiO2具有较高的介电常数使得钛具有较小的组织反应。钛在水溶液中因极化而产生的静电力较小，这是由于TiO2在室温下表现为板钛矿、锐钛矿和金红石几种形式，而它们的介电常数都和水相近的缘故。若种植体表面介电常数明显不同于水，由于极化作用则会产生很大的静电力，这样蛋白质分子就会在定向静电力的作用下向种植体表面靠近。这就表明，在人体环境内，钛种植体表面吸附蛋白质分子的几率比较小，从而相应的引起组织发炎的概率也相对要小一些。
1.1.2 钛合金的分类
钛合金按照其退火组织可以分为α钛合金、β钛合金和α+β钛合金三大类[8]，对应的牌号为：TA、TB和TC加上顺序号数字[9]。国产钛合金牌号共有60多种。如果按照钛合金的性能特点分类，则钛合金可以分为：低温钛合金、高温钛合金、低强钛合金、中强钛合金、高强钛合金、铸造钛合金等。
α钛合金具有良好的耐高温性能，且组织温度，有良好的可焊性。但是在常温下，强度和塑形较低。α钛合金不能进行热处理强化，一般在退火或者热轧的状态下进行使用。
β钛合金塑形加工性好，不过组织性能不太稳定，且冶炼工艺较为复杂，目前应用较少。
α+β钛合金可以热处理强化，常温下强度较高，中温下耐热性也较好，不过组织不够稳定，可焊性较差。同时，α+β钛合金的力学性能变化范围较大，目前也是用途最多的钛合金，在航空领域所用到的钛合金中占70%以上。目前最常用的α+β钛合金为TC4合金。
1.1.3 钛合金的发展与应用
对于钛合金生产工艺，可以通过改善工艺和无损探伤技术，可以提高钛的纯净度，来达到提高质量的目的。同时，进行大规模生产装备来降低钛合金的生产成本。以此来带动钛合金生产工艺的发展。目前钛的发展速度很快，50年代被称为“空中金属”，60年代被称为“陆用金属”，70年代被称为“海洋金属”。钛及其合金已在众多领域得到了广泛的应用。
(1)在航空领域的应用 Ti的用量占飞机结构的20%到30%，主要应用于机体、发动机和机载设备，其中使用最多的是TC4合金。采用钛合金制造的发动机不仅重量轻，而且具有油耗低，噪声小，可靠性高等优点。钛合金在F22战斗机制造中的使用比例达到41%，主要使用钛合金种类为TC4和Ti-62222。目前冶炼的钛
目 录
1 绪论 1
1.1 钛及钛合金 1
1.2 钛合金的热处理 3
1.3 钛及钛合金的强化机制 4
1.4 本论文研究意义、内容和技术路线 5
2 实验材料与实验方法 6
2.1 实验材料与实验设备 6
2.2 实验方法 9
3 实验结果与讨论 10
3.1 固溶变形处理后的组织与力学性能变化 10
3.2 时效处理后的组织及力学性能 13
3.3 固溶与时效后的电化学腐蚀 17
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 绪论
1.1 钛及钛合金
钛仅有50多年的工业生产历史，因为钛及其合金具有密度小、耐高温、耐腐蚀、强度高等突出优点，而且具有丰富的资源，目前已经广泛应用于航天、化工、生物医疗、汽车等领域[1]。此外，钛和一些钛合金还是一种理想的低温结构材料。
1.1.1 钛合金的基本性质
纯钛的密度是4.507g/cm3，熔点是1688℃。众所周知，钛合金组织具有多样性，其力学性能主要受其中几个关键的特征量影响，我们称这些特征量为组织特征参数。钛存在两种同素异构转变，在882℃以下，钛及大多数钛合金具有接近理想状态的密排六方结构，我们称之为α-Ti；在882℃以上时，钛及大多数钛合金变为体心立方结构，我们称之为β-Ti[2]，本文研究的Ti-2.5Cu合金是二元近α钛合金[3]。钛因为具有的这两种不同晶体结构，而导致钛及其合金具有各种不同的性能。而且材料的扩散速率与塑形变形都受晶体结构影响。
同时，钛还具有比强度高、断裂韧性高、低温性能好、耐高温、耐腐蚀等基本性质[4]。
比强度高[5]。比强度(强度／密度)是衡量结构材料的主要参数之一。钛及钛合金与钢材相比，强度相当但重量与之相比较轻，大概是钢材的57％、铜的50％，所以比强度比它们高。如Ti-6A1-4V钛合金比强度为21.7，而LYl2铝合金为16.7，30CrMnS5钢为14.1-14.5。所以，在航空航天和超高速齿轮等方面钛合金得到了大量的应用。
高、低温的力学性能好[5]。当飞机、导弹、火箭等高速飞行时发动机和机体表面的温度会上升。当飞行速度超过2.3马赫时，温度会升到220ºC以上，这时铝合金将失去其原有的机械性能，不可以使用。当飞行速速超过3马赫时，温度上升高到230℃以上，此时不锈钢的机械性能也会受到影响，而钛合金可以在500-600℃下长时间使用并且其机械性能不受影响。
屈服强度／抗拉强度比值大[5]。钛合金的屈强比大于铝合金和不锈钢，它的弹性模量是钢的55％。我们用钛合金代替钢作弹簧时所需的圈数会减少，同样大小的抗力弹簧，钛合金弹簧重量仅为钢簧的28％。
耐腐蚀性能高[5]。由于钛及钛合金易与空气中的氧结合在表面形成致密的氧化膜，从而阻碍了进一步的氧化腐蚀，所以钛及钛合金具有极其优异的耐蚀性能。用钛代替传统材料，用于化工、电力、轻工、冶金、能源等行业时，通常可以起到增产、降耗、节能、环保等综合效益。在海洋环境中，钛材由于特别耐氯离子腐蚀，比钢、铝、镁、铜要优越得多，这使得钛材广泛应用于海上交通、海洋环境监测、海洋能源利用、深海采矿、海洋农牧化、海水淡化等。
生物相容性好[6-7]。纯钛具有良好的生物相容性，我们将其植入人体后，它不会对其周围组织或者整个人体系统有毒副作用或者不良反应。这主要是两方面原因：一是钛本身不具有毒性；二是钛表面极易钝化产生TiO2氧化层，产生的TiO2氧化层可以提高钛的生物相容性。有关氧化层的作用机理，人们普遍认为TiO2具有较低的固有毒性，在水中它的溶解度非常小，并且TiO2与生物分子反应活性很低，接近化学惰性，且过氧化物化学现象具有明显的抗炎作用。此外，TiO2具有较高的介电常数使得钛具有较小的组织反应。钛在水溶液中因极化而产生的静电力较小，这是由于TiO2在室温下表现为板钛矿、锐钛矿和金红石几种形式，而它们的介电常数都和水相近的缘故。若种植体表面介电常数明显不同于水，由于极化作用则会产生很大的静电力，这样蛋白质分子就会在定向静电力的作用下向种植体表面靠近。这就表明，在人体环境内，钛种植体表面吸附蛋白质分子的几率比较小，从而相应的引起组织发炎的概率也相对要小一些。
1.1.2 钛合金的分类
钛合金按照其退火组织可以分为α钛合金、β钛合金和α+β钛合金三大类[8]，对应的牌号为：TA、TB和TC加上顺序号数字[9]。国产钛合金牌号共有60多种。如果按照钛合金的性能特点分类，则钛合金可以分为：低温钛合金、高温钛合金、低强钛合金、中强钛合金、高强钛合金、铸造钛合金等。
α钛合金具有良好的耐高温性能，且组织温度，有良好的可焊性。但是在常温下，强度和塑形较低。α钛合金不能进行热处理强化，一般在退火或者热轧的状态下进行使用。
β钛合金塑形加工性好，不过组织性能不太稳定，且冶炼工艺较为复杂，目前应用较少。
α+β钛合金可以热处理强化，常温下强度较高，中温下耐热性也较好，不过组织不够稳定，可焊性较差。同时，α+β钛合金的力学性能变化范围较大，目前也是用途最多的钛合金，在航空领域所用到的钛合金中占70%以上。目前最常用的α+β钛合金为TC4合金。
1.1.3 钛合金的发展与应用
对于钛合金生产工艺，可以通过改善工艺和无损探伤技术，可以提高钛的纯净度，来达到提高质量的目的。同时，进行大规模生产装备来降低钛合金的生产成本。以此来带动钛合金生产工艺的发展。目前钛的发展速度很快，50年代被称为“空中金属”，60年代被称为“陆用金属”，70年代被称为“海洋金属”。钛及其合金已在众多领域得到了广泛的应用。
(1)在航空领域的应用 Ti的用量占飞机结构的20%到30%，主要应用于机体、发动机和机载设备，其中使用最多的是TC4合金。采用钛合金制造的发动机不仅重量轻，而且具有油耗低，噪声小，可靠性高等优点。钛合金在F22战斗机制造中的使用比例达到41%，主要使用钛合金种类为TC4和Ti-62222。目前冶炼的钛
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