《钛及钛合金 课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钛及钛合金 课件（83页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、钛及钛合金,概述,钛源于Titans，即希腊神话中地球上大力士。 地壳中金属元素钛元素含量位列第四 (0.86%) ，居铝、铁、镁之后。 自然界中不存在纯钛，仅以氧化物存在，如FeTiO3、TiO2。 强度与钢相当，而密度几乎仅有钢的一半。,TiO2,FeTiO3,钛是英国科学家格内戈尔于1791年首先从钛铁矿石中发现的，1795年德国化学家克拉普洛特也从金红石中发现了这一元素，并命名为“钛”。由于钛的化学活性高，在它被发现的120年后的1910年才首次提炼出金属钛，1940年用镁还原法制得了海绵钛，从此奠定了钛的工业生产方法的基础。,钛属于稀有金属，实际上钛并不稀有，其在地壳中的丰度占第七位
2、，占0.45%，远远高于许多常见的金属。但由于钛的性质活泼，对冶炼工艺要求高，使得人们长期无法制得大量的钛，从而被归类为“稀有”的金属。用于冶炼钛的矿物主要有钛铁矿（FeTiO3）、金红石（TiO2）和钙钛矿等,也是钛的主要矿石,矿石经处理得到易挥发的四氯化钛，再用镁还原而制得纯钛。,中国钛资源总量9.65亿吨，居世界之首，占世界探明储量的38.85%，主要集中在四川、云南、广东、广西及海南等地，其中攀西（攀枝花西昌）地区是中国最大的钛资源基地，钛资源量为87亿吨。 中国探明的钛资源分布在21个省（自治区、直辖市）共108个矿区（图3.5.1及表3.5.4）。主要产区为四川，次有河北、海南、广
3、东、湖北、广西、云南、陕西、山西等省（区）。,全世界: 1955年 1975年 2006年 2万吨 7万吨 14万吨,钛及钛合金发展至今，已有50多年历史，由于它具有很高的比强度和耐蚀性，是世界各国大力发展的轻金属材料。世界市场每年需求45万t钛及钛合金。美国是最大的钛消费国。1994年用于军事宇航约3200t，用于非军事商业宇航约7700t，用于非宇航业约4800t，总共约15700t。日本则注重发展钛的耐蚀性应用，1994年总共消费4241t，耐蚀性商业纯钛占3773t，以应用其高比强度为主的结构材料钛合金只占468t，其中宇航应用的钛合金只占32. 7，非宇航用钛合金占67.3，这其中又
4、以消费品为主（占三分之二）.,钛的基本性质,（1）钛存在两种同素异构体及。 -Ti在882以下稳定，具有六方密排结构。 -Ti稳定于882熔点1678，具有体心立方结构。 （2）钛的体积质量小（4.51gcm3），比强度高，熔点高，塑性好，虽然其强度随温度升高而下降，但其比强度高的特性仍可保持到550600。与高强合金相比，相同强度水平可降低重量 40以上，因此在宇航上有巨大应用潜力。,（3）具有优良的耐蚀性，在室温下就能很快生成一层具有极好保护性的钝化层（TiO2）。它仅有纳米尺度，室温下长大极慢。许多介质中，钛的耐蚀性极高；但在还原性介质中差一 些，不过可以通过合金化改善。 （4）钛的低温
5、性能很好，在液氮温度下仍有良好的机械性能，强度高而仍保持有良好的塑性及韧性。 （5）弹性模量较低 （120GP），约为铁的 54。,（6）导热系数及线胀系数均较低。其导热系数比铁低4.5倍，使用时易产生温度梯度及热应力，不过，线胀系数低可补偿因导热系数低带来的热应力问题。,钛的熔点为1668，比铁、镍的肖高，比铝、镁的熔点高1000以上。因此，作为轻金属结构材料，钛合金具有比铝、镁合金好得多的热强性，最高使用温度以达600。钛在氧化性气氛中极易在表面与氧形成一层坚固的氧化物薄膜，是其在氧化性酸、碱、盐介质，特别是在湿氯气和海水中，具有优异的抗腐蚀性能。,钛的特性,晶体结构： 原子半径： 密度：
6、 熔点：,882.5度同素异构转变 (-Ti-Ti)。 与氧、氮、碳和氢剧烈反应。 价格昂贵。主要用于价格不是关键因素的先进应用场合。 高强度和韧性。,化学性质,室温下钛比较稳定。 高温下活泼，熔化态能与大多数坩埚造型材料发生作用。 高温下与卤素、氧、硫、碳、氮等进行强烈反应。 钛在真空或惰性气氛下熔炼，如真空自耗电弧炉、电子束炉、等离子熔炉等设备中熔炼。 钛在氮气中加热会发生燃烧，钛尘在空气中会发生爆炸，所以钛材加热和焊接宜用氩气作保护气体。 钛在室温可吸收氢气，500以上吸气能力更强烈，可作为高真空电子仪器的脱气剂；利用钛吸氢和放氢的特性，可以作储氢材料。,钛在还原性酸(浓硫酸、盐酸、正磷
7、酸)、氢氟酸、氯气、热强碱、某些热浓有机酸及氧化铝溶液中不稳定，会发生强烈腐蚀。另外，钛合金有热盐应力腐蚀倾向。 550以下钛与氧形成保护作用良好的致密氧化膜。538以下，钛的氧化符合抛物线规律。但在800以上，氧化膜分解，氧原子以氧化膜为转换层进入金属晶格，此时氧化膜已失去保护作用，使钛很快氧化。,耐蚀性能,ETi=1.63V，而钛的致钝电位低，故钛易钝化。 常温下钛表面极易形成由氧化物、氮化物组成的钝化膜，它在大气及许多浸蚀性介质中非常稳定，具有很好的抗蚀性。 大气、海水、氯化物水溶液及氧化性酸(硝酸、铬酸等)和大多数有机酸中，钛抗蚀性相当于或超过不锈钢，在海水中耐蚀性极强，可与白金相比，
8、是海洋开发工程理想的材料。 钛与生物体相容性好，无毒，适做生物工程材料。,由于钛所具有的一系列优良性能，资源又很丰富，钛的工业生产问世后，立即受到世界普遍高度重视。1947年美国率先实现海绵钛生产工业化，当年生产吨海绵钛，1957年就发展到15000多吨。日本1952年，前苏联1954年均相继开始了海绵钛的生产。中国也于1958年开始了海绵钛的试生产，现在已形成了完整的钛工业体系。当前，世界上有钛工业的国家主要是美国、独联体、日本、英国、中国和德国。,钛合金的生产,提取工艺： Kroll提取工艺Kroll 提取工艺 熔化工艺： 电渣精炼法Electroslag Refinning(ESR) 真
9、空电弧重熔法Vacuum Arc Remelting(VAR) 电子束熔炼(EBM) 等离子弧熔炼(PAM) 感应凝壳熔炼法,钛的提取,通过下列步骤，钛矿石 (主要为金红石，TiO2) 转变为海绵钛 ： Cl2 与矿石中的TiO2反应，形成TiCl4； TiCl4经分级蒸馏而净化； 在Ar保护下，液态TiCl4 与 Mg 或Na 反应，获得海绵钛。 生产过程： 钛铁矿或金红石高纯度四氯化钛镁还原四氯化钛海绵钛钛材和钛粉,真空电弧重熔法,海绵钛与合金元素混合后液压成块状； 块状物焊接成熔化电极棒； 电极棒经二次或三次真空熔炼得到优质钛或钛合金锭,电渣精炼法,方坯作为电极， 其一端位于交流电加热的
10、电渣熔池中； 熔融金属与高温电渣反应，电渣中还可加入合金元素用以调整合金成分； 已熔化金属流经熔渣进入熔池而被提纯，最终凝固成电渣精炼铸锭； 精炼时，非金属杂质和熔渣发生反应，熔融金属中的夹杂物被电渣吸收去除。 属于非直接结晶，消除了中心结晶孔，提高了均匀性,在惰性气体保护下ALD 真空技术电渣重熔炉,等离子弧熔炼,它是对真空电弧熔炼的改进,在水冷铜坩埚中熔化金属； 所用热源为等离子枪或电子束 ； 与坩埚壁接触的金属液形成凝固壳层 (凝固的钛) ，而熔融的钛合金浮于壳层上部， 阻止坩埚污染钛合金熔体； 大密度夹杂物沉积到坩埚底部而去除。,电子束熔炼,由炉壁侧底面加入要熔化 的材料，熔化热源为电
11、子束。,感应凝壳熔炼法,水冷铜坩埚可避免炉衬材料的污染； 装入坩埚中的金属受感应电源的磁场作用而熔化； 熔化的金属液体在坩埚底、侧壁凝固形成壳层； 生产低成本、高质量钛合金。,钛合金,合金分类、牌钛号 TA表示组织为的钛合金 包括全、近和+化合物合金 。 以铝、锡、锆为主要合金元素，在近型钛合金中还添加少量稳定化元素，如钼、钒、钽、铌、钨、铜、硅等 。 共33个牌号。,TB表示组织为的钛合金 包括热力学稳定型合金、亚稳定型合金和近型合金 主要加入的合金元素：Mo、V,TC表示组织为 的钛合金：以Ti-Al为 基再加适量稳定元 素,合 金 元 素, 稳 定 元 素,中 性 元 素, 稳 定 元
12、素,间隙元素,置换元素,C、N、O,Al Ga,置换元素,Zr、Sn、Hf、Ge、Ce、La、Mg,间隙元素,置换元素,H,同晶元素,共析元素,Mo、V、Ta、Nb,慢速分解,快速分解,Cr、Mn、Fe、Co,Si、Cu、Ag、Ni、 Y、W、B,从而改善热强性。在可热处理合金中，加入约3的铝，可防止由亚稳定相分解产生的相而引起的脆性。铝还提高氢在-Ti中的溶解度，减少由氢化物引起氢脆的敏感性。 锡和锆： 属中性元素，在-Ti和-Ti中均有较大溶解度，常与其他元素同时加入，起补充强化作用。 为保证耐热合金获得单相组织，除铝以外，还加入锆和锡进一步提高耐热性；同时对塑性不利影响比铝小，使合金具有
13、良好的压力加工性和焊接性能。,钛合金中常见合金元素的作用,钛合金中的常加入的合金元素：铝、锡、锆、钼、钒、铬、铁、硅、铜、稀土，其中应用最多的是铝。 铝： 除工业纯钛外，各类钛合金中几乎都添加铝，铝主要起固溶强化作用，每添加1Al，室温抗拉强度增加50MPa。 铝在钛中的极限溶解度为7.5；超过极限溶解度后，组织中出现有序相Ti3Al(2)，对合金的塑性、韧性及应力腐蚀不利，故一般加铝量不超过7。 铝改善抗氧化性，铝比钛还轻，能减小合金密度，并显著提高再结晶温度，如添加5Al可使再结晶温度从纯钛600提高到800。铝提高钛固溶体中原子间结合力。,钼、钒：,稳定元素中应用最多，固溶强化相，并显著
14、降低相变点、增加淬透性，从而增强热处理强化效果。含钒或钼的钛合金不发生共析反应，在高温下组织稳定性好；但单独加钒，合金耐热性不高，其蠕变抗力只能维持到400；钼提高蠕变抗力的效果比钒高，但密度大；钼还改善合金的耐蚀性，尤其是提高合金在氯化物溶液中抗缝隙腐蚀能力。,硅量以不超过相最大固溶度为宜，一般为0.25左右。由于硅与钛的原子尺寸差别较大，在固溶体中容易在位错处偏聚，阻止位错运动，从而提高耐热性。 稀土： 提高合金耐热性和热稳定性。稀土的内氧化作用，形成了细小稳定的RExOv颗粒，产生弥散强化。由于内氧化降低了基体中的氧浓度，并促使合金中的锡转移到稀土氧化物中，这有利于抑止脆性2相析出。此外
15、，稀土还有强烈抑制晶粒长大和细化晶粒的作用，因而改善合金的综合性能。,合金元素的作用：,固溶强化：提高室温强度最显著的元素为铁、锰，铬、硅，其次为铝、钼、钒，而锆、锡、钽、铌强化效果差。 稳定相或相：合金元素提高或降低相变点。 增强热处理强化效果：稳定元素增加合金淬透性。 消除有害作用：铝、锡防止相，稀土抑制2相析出，同晶元素阻制相共析分解。 改善合金的耐热性：加入铝、硅、锆，稀士等。 提高合金的耐蚀性和扩大钝化范围：加钯、钌、铂，钼等。,锰、铬：,强化效果大，稳定相能力强，密度比钼、钨等小，故应用较多，是高强亚稳定型钛合金的主要加入元素。但它们与钛形成慢共析反应，在高温长期工作时，组织不稳定
16、，蠕变抗力低；当同时添加同晶型元素，特别是钼 时，有抑制共析反应的作用。 硅： 共析转变温度较高(860)，加硅可改善合金的耐热性能，因此在耐热合金中常添加适量硅，加入,锡能减少对氢脆的敏感性。钛锡系合金中，锡超过一定浓度后形成有序相Ti3Sn，降低塑性和热稳定性。 为了防止有序相Ti3X(2相)的出现，考虑到铝和其它元素对2相析出的影响，Rosenberg提出铝当量公式。 Al*=Al%+1/3Sn%+1/6Zr%+1/2Ga%+10O%=8 9% 只要铝当量89，就不出现2相,合金元素对性能的影响,稳定元素：铝的固溶强化效果最大，锆、锡次之。锆、锡一般不单独加入，而是与其它元素复合加入。 同晶元素：合金元素浓度超过相极限溶解度时，将进入+相区，此时合金元素优先溶于相，因而相具有更高的强度和硬度，合金强度将随组织中相所占比例增加而提高，大约
