钛合金及其应用讲述

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1、张张 弛弛 chizhang 电话：电话：6278236162782361 钛合金及其应用钛合金及其应用 引言：钛合金的发现和命名 1791年，英国矿物学家和化学家William Gregor首次发现 了钛元素的存在。 四年以后，德国柏林化学家Martin Klaproth独立地分解出 了氧化钛。希腊神话中Uranos和Gaia的孩子们Titan兄弟的 故事赋予了Martin Klaproth灵感，将其命名为钛（ Titanium, Ti) . Titan兄弟遭到他们父亲的极端憎恨，被监禁 在地壳中，Martin Klaproth以此来形容提炼钛矿石的困难 程度。后人花了一百多年的时间才分解出

2、纯金属钛。 目前使用最广泛的Ti-6Al-4V合金，是在20世纪40年代晚期 由美国开发出来的。现在，人们已经开发出了大量的钛合 金，从而开辟了轻合金在许多工业领域中得以广泛应用的 新局面。 目录 1 钛资源及钛产品的冶炼生产 2 工业纯钛 3 钛合金及合金化原理 4 钛合金的相变及热处理 5 钛合金的高温性能 6 钛及钛合金的加工和制品生产 7 粉末冶金钛及钛合金复合材料 8 钛及钛合金的腐蚀性能 9 钛合金的应用 1 1 钛资源及钛产品的冶炼生产 1.1 1.1 钛资源的分布及特点钛资源的分布及特点 金属元素钛在地壳里的分布广泛，其含量是地壳质量的金属元素钛在地壳里的分布广泛，其含量是地壳

3、质量的 44还要多一点，世界储量约还要多一点，世界储量约3434亿吨，在所有元素中含量居亿吨，在所有元素中含量居1010 位。位。 钛在自然界中主要以氧化物的形式存在，目前已发现含钛在自然界中主要以氧化物的形式存在，目前已发现含 钛矿物有钛矿物有100100多种，除金红石外，还有白钛矿、铁钛矿、钙钛多种，除金红石外，还有白钛矿、铁钛矿、钙钛 矿等。矿等。 金红石含金红石含TiOTiO 2 2 在在95%95%以上，是提炼钛的重要矿物原料，但在以上，是提炼钛的重要矿物原料，但在 地壳中储量较少。白钛矿含地壳中储量较少。白钛矿含TiO2TiO2为为70%70%92%92%。钛铁矿、钙。钛铁矿、钙

4、钛矿含钛矿含TiO2TiO2一般为一般为35% 35% 52%52%，但是其储量非常大，是生产，但是其储量非常大，是生产 金属钛和钛白粉的主要原料来源。金属钛和钛白粉的主要原料来源。 提取金属钛的主要原料含钛矿石，根据其形成的过程，主 要分为岩矿和砂矿两大类： 岩矿：原生矿，结构比较致密，储量较大，但多复合共生物 ，所以钛矿物的品味较低，提取难度较大。主要出现在北半 球，如：中国，美国，加拿大，俄罗斯等国家。 砂矿：次生矿，结构比较疏松，由于多年的风化和水流的冲 刷，矿物相对富集，品味较高。主要出现在南半球，如：澳 大利亚，新西兰，肯尼亚，莫桑比亚，印度等国家。 需要特别指出的是，我国攀枝花-

5、西昌地区蕴藏着极为丰富 的钒钛磁铁矿，开发和合理利用它，对于发展我国的钛工业 意义重大。 1.2 1.2 富钛料的生产富钛料的生产 富钛料：是指铁钛矿等钛精矿（选矿后获得）经过富集处理 后获得的含钛品位较高的物料，其TiO2含量一般大于85%（质 量分数）。主要包括人造金红石和高钛渣。 背景：钛产品主要分为两类：海绵钛和钛白粉。随着金红石 和高品味钛铁矿的大量开采和使用，其资源已逐渐枯竭，而社 会对钛产品的需求量有增无减，这迫使人们去利用中、低品位 含钛矿物。这些矿物TiO2含量低，含大量杂质，无法适应现行 的海绵钛和钛白粉生产工艺，因此，生产中需要将含钛矿物作 进一步富集处理，成为富钛料。

6、原理：钛铁矿成分复杂，理论分子式为FeTiO3，它实际上 是FeO-TiO2组成的固溶体，属于一般的刚玉结构。在与某种 试剂作用时，由于铁的氧化物比钛的氧化物更活泼，更容易 与试剂反应而被去除，而钛的氧化物比较稳定，往往被富集 在残渣中。 基于此，在生产富钛料的工艺中一般都需对钛铁矿进行预 氧化处理，即利用氧气或空气预先将钛铁矿中的Fe2+氧化成 Fe3+，这样有利于提高钛铁矿的还原性。（见下页，图1-1） 以火法为主：多见于 岩矿，比较成熟，包括 电炉熔炼法、选择氯化 法、等离子法等； 以湿法为主：多见于砂 矿，包括各种各样的酸 、碱浸出法。 工艺 电炉熔炼法 特点：工艺成熟，简单，三废 少

7、，但能耗大。 主要工艺：以无烟煤或石油焦 作还原剂，与钛铁矿粉经过混捏 、造球，然后在矿热式电弧炉内 16001800高温下进行还原熔 炼。 产物：凝聚态的金属钛和钛渣 （TiO2含量90%）。主要副产 品为金属铁和电炉煤气。 酸浸法 特点：有效除杂，但三废量 大，副流程复杂。 主要工艺：先对钛铁矿进行 不同程度的还原，然后用酸作 浸出剂，浸出钛铁矿中的还原 产物，制取人造金红石。典型 发法有石原法、Benilite法、 Murso法。 产物：TiO2含量为90% 96% 的高品位人造金红石。 选择氯化法 特点：生产过程实现了氯气的再 生利用，对废气也进行了再氧化， 这样减轻了环境污染，并降低

8、了成 本。 主要工艺：利用钛铁矿中铁的氧 化物更易于与氯气反应，通过条件 的控制来实现铁与钛的分离制取 TiCl4，以生产人造金红石。 产物：人造金红石 1.3 1.3 钛白粉的生产钛白粉的生产 钛白粉：化学式TiO2，晶型有锐钛型（A-TiO2）和金红石 型（R-TiO2）两种工业产品。它是最好的白色颜料，还是 塑料、造纸业的重要原料。 生产方法： 硫酸法：既能生产金红石型钛白粉也能生产锐钛型钛白粉 ，为传统工艺，废料（硫酸亚铁）处理问题尚未很好解决。 氯化法：只能生产金红石型钛白粉，目前世界上60% 以上 的钛白粉由此种发法生产，正在不断取代。 1.4 1.4 海绵钛的生产海绵钛的生产 镁

9、热还原法 TiCl4和Mg在800-900度真空反应 TiCl4 电解法 TiO2电解还原 阴极还原驱赶TiO2中的氧 2 2 工业纯钛工业纯钛（纯度约为（纯度约为99.5%99.5%） 2.1 2.1 基本性质基本性质 物理性质：纯钛是银白色金属，位于周期表B族。 表2-1 钛的基本物理性能数据 4.505(20 ) ,4.35(870 ) ,4.32(900 ),约为纲的57%比密度/g/cm3 相变潜热：3.47KJ/mol, 相变温度:882 , 结构:(hcp), (bcc) -TiTi相变 16685（属难熔金属）溶化温度/ 0.145 原子半径 47.9 相对原子量 数值名称 0

10、.5超导转变温度K 22.08,只有铁的1/4,是铜的1/7 热导率 /W/(mK) 力学性能： 兼有钢（强度高）和铝（质地轻）的优点。高纯钛具有良 好的塑性，但杂质含量超过一定时，变得硬而脆。工业纯钛 (99.5%)与高纯钛（99.9%）相比强度明显提高，而塑性显著降 低。 工业纯钛在冷变形过程中，具有极高的冷加工硬化效应，没 有明显的屈服点，其屈服强度与强度极限接近。 由于钛的屈强比较高，弹性模量小（约为铁的54%），成 形时回弹量大，冷成形困难。这使得钛合金能作为弹性材料使 用。但是高弹钛合金多属（或近 ）合金，具有六方结构 ，其物理性能呈现强的各向异性，如弹性模量绕轴呈对称分 布，轴方

11、向的弹性模量为14313GPa，底面各取向的弹性模量 为10414GPa，这对合金的设计和使用有影响。 化学性能： 钛的耐腐蚀性很好，虽然钛是一种非常活泼的金属，其 平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大，但是因为钛 和氧的亲和力大，在空气或含氧介质中，钛表面生成一层致 密、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不受腐蚀， 即使受到机械磨损，也会很快自愈或再生，这表明钛是具有 强烈钝化倾向的金属。 对海水的抗腐蚀性很强。 2.22.2 杂质元素对钛性能的影响杂质元素对钛性能的影响 O, N, C ：提高 转变温度，扩大相区，是稳定的元素 。占据钛原子间隙位置形成间隙固溶体，钛晶格畸变阻碍位

12、错运动，产生固溶强化；同时，钛晶格的c轴增加多，a轴增 加少，致使长短轴比c/a增大，当其接近理论值1.633时，钛的 滑移系减少，从而塑性降低。因而需限制它们的含量。 ：是稳定相的元素 钛在400以上 大量吸氢，会引 起氢脆。 Fe, Si：与钛形成置换 固溶体，过量时形成脆 性化合物。 2.3 2.3 钛的组织与结构特征钛的组织与结构特征 纯钛的组织,500:(a)等轴晶粒组织 ;(b)条状的组织;(c)呈锯齿状晶界 等轴晶粒组织 :铸锭经加工变形后,在相变点以下退火,再 结晶后得到 条状的组织:缓冷时得到 呈锯齿状晶界:缓慢冷却退火后或者快冷 2.4 2.4 钛的加工变形特性钛的加工变形

13、特性 纯钛的变形特点 变形模式:滑移+孪生. 滑移面:10-10,10-11,0001;滑移方向:11-20. 低温 变形和循环变形过程中,孪生显著并对变形起到重要作用,纯钛多晶材料的孪 晶系:10-12,11-21和11-2-2. 2.52.5 工业纯钛的牌号及性能工业纯钛的牌号及性能 牌号:我国采用的是新国家标准,TA为型钛合金,数字表示合金的序号,序号增大钛 的纯度降低. 性能:工业纯钛实质上是一种低杂质含量的钛合金,其强度不高,塑性好,耐腐蚀性好, 抗氧化性优,但耐热性较差. 3 3 钛合金及合金化原理钛合金及合金化原理 3.1 3.1 钛合金相图类型及合金元素分类钛合金相图类型及合金

14、元素分类 钛合金二元相图(归纳为4类) 钛的二元系相图 :和钛形成连续互溶的相图.这 种二元系只有两个,即Ti-Zr和Ti-Hf系 . Ti,Zr,Hf在周期表中是同周期元素 ,其外层电子构造一样,点阵类型相同, 原子半径相近,故而这两个元素在和 钛中的溶解能力相同,对和钛的稳定 性影响不大. Zr常作为热强钛合金的组元,另外 Zr的加入可强化相,目前应用较多.而 Hf十分稀缺,尚未应用. :与和均有限溶解,并且有包析反应 的相图.这样的二元系有4个:Ti-V,Ti- Nb,Ti-Ta和Ti-Mo系. 由于V,Nb,Ta,Mo四种金属只有一 种体心立方点阵,所以它们只与具有相 同晶型的-Ti形

15、成连续连续 固溶体,而与密 排六方点阵阵的-Ti形成有限固溶体. V:属于稳稳定相的元素,在Ti-V系中无 共析反应应和金属化合物相,这样这样 ,在与加 热热有关的工艺过艺过 程有误时误时 ,不致产产生脆 性. Nb:属于稳定相的元素,但作为稳定 剂的效应比V低很多. Mo:稳定化效果最大,其添加有效 提高了室温和高温强度,同时还使含铬 和铁的合金的热稳定性提高.但是Mo熔 点高,与钛不易形成均匀合金. 钛的二元系相图 :与,均有限溶解,并且有包析反 应的相图.形成这类的二元系有:Ti- Al,Ti-Sn,Ti-Ca,Ti-B,Ti-C,Ti- N,Ti-O等. 钛的二元系相图 :与,均有限溶

16、解,并且有共析分解 的相图.形成这类相图的二元系有:Ti -H,Ti-Cr,Ti-W,Ti-Fe等. 钛的二元系相图 合金元素分类 (1)稳定元素:能提高相变温度的元素,它们在周期表中的位置离Ti较远,与钛形 成包析反应.这些元素的电子结构,化学性质与钛的差别较大.如:Al. (2) 中性元素:对Ti的元素转变温度影响不明显的元素,如Zr和Sn (3) 稳定元素:降低Ti 转变温度的元素,又可分为 同晶元素:如V,Mo等,在周期表 上的位置靠近Ti,具有与-Ti相同的 晶格类型,能与-Ti无限互溶,而在- Ti中溶解度有限. 共析元素:如Mn,Fe,Si,Cu等,在和 钛钛中具有有限溶解度,但在钛中的 溶解度大于在钛中的,以存在共析反 应为特征. 3.2 3.2 合金元素对钛合金组织结构和性能