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鈦合金材料的硬度及耐磨性
2025-10-10
1. 不同類型鈦合金的基礎硬度范圍 鈦合金按晶體結構可分為 α 型、β 型、α+β 型三類，其硬度差異源于合金元素（如 Al、V、Mo、Cr）對相組成的調控： α 型鈦合金：以純鈦（TA1、TA2）和低合金化鈦合金（如 TA7，Ti-5Al-2.5Sn）為代表，組織穩定、塑性好，但硬度較低。典型硬度：純鈦（退火態）布氏硬度（HB）約100-150，維氏硬度（HV）約120-180；TA7（退火態）HB 約 180-220，HV 約 200-250。特點：硬度隨溫度升高下降緩慢，適合低溫或耐腐蝕場景（如化工管道），但抗磨損能力弱。 α+β 型鈦合金：應用最廣泛的類型（如 TC4，Ti-6Al-4V；TC11，Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si），通過調整 α 相（硬脆）與 β 相（塑性好）比例平衡強度與韌性，硬度中等。典型硬度：TC4（退火態）HB 約280-320，HV 約 300-350；經 “固溶 + 時效” 強化后（提升 α 相比例），HB 可升至 350-400，HV 達 380-450。特點：綜合性能最優，是航空航天（如飛機起落架、發動機葉片）、醫療（如人工關節）的主力材料，但硬度仍低于中碳鋼（如 45 鋼淬火后 HB 約 500）。 β 型鈦合金：含大量 β 穩定元素（如 V、Mo、Nb，如 TB6，Ti-10V-2Fe-3Al；TB9，Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr），可通過快速冷卻保留 β 相，經時效處理析出硬脆相（如 α 相），硬度最高。典型硬度：TB6（時效態）HB 約450-550，HV 達 500-600；部分高端 β 鈦合金（如 Ti-15Mo-3Al-3Sn）時效后 HV 可超 650，接近馬氏體不銹鋼（如 304 淬火后 HV 約 600）。特點：高強度、高硬度兼具良好塑性，適合制造承受高載荷的耐磨部件（如航空發動機軸承保持架），但成本較高、加工難度大。 2. 影響鈦合金硬度的核心因素 鈦合金的硬度本質是 “相組織、晶粒大小、合金元素固溶強化” 共同作用的結果，關鍵調控手段包括： 合金成分： 固溶強化：Al、Sn 等 α 穩定元素溶于 α 相，Mo、V 等 β 穩定元素溶于 β 相，通過原子間作用力阻礙位錯運動，提升硬度（如 TC4 中 Al 含量從 5% 增至 7%，HV 可提升約 50）； 析出強化：β 型鈦合金時效處理時，β 相中析出細小的 α 相或金屬間化合物（如 Ti?Al），這些硬脆相可 “釘扎” 位錯，顯著提高硬度（如 TB6 時效后硬度較固溶態提升 30% 以上）。 熱處理工藝： 退火：降低硬度、改善塑性（如 TC4 退火后 HV 從 350 降至 300），適合后續加工； 固溶 + 時效：β 型和 α+β 型鈦合金的核心強化工藝，通過控制固溶溫度（如 TC4 固溶溫度 920-950℃）、冷卻速度（水淬保留 β 相）和時效溫度（如 TC4 時效溫度 500-550℃），精準調控相比例，實現硬度與韌性的平衡。 晶粒細化：通過熱加工（如鍛造、軋制）或添加細化劑（如 B 元素）減小晶粒尺寸，利用 “晶界強化” 提升硬度（晶粒尺寸從 10μm 降至 1μm，鈦合金 HV 可提升約 10%-15%），同時兼顧韌性（避免粗晶粒導致的脆斷）。 |