第 3 章钛及钛合金3.1 概述3.2 纯钛3.3钛合金3.4 钛合金的应用3.1 概述1791 年英国化学家格雷戈尔研究钛铁矿和 金红 石时发现了钛 1795 年，德国化学家克拉普 罗特 在分析匈牙利产的金红石时也发现了这种 元素格 雷戈尔和克拉普罗特当时所发现的钛是 粉末状的二 氧化钛，而不是金属钛到 1910 年 美国化学家亨 特第一次制得纯度达 99.9%的金属 钛钛在地壳中的丰度占第七位， 0.42%，金属占第 四 位 （铝、铁、镁、钛） 铝、铁、镁、钛） 以钛铁矿或金红石为原料生产出高纯度四 氯化 钛，再用镁作为还原剂将四氯化钛中的钛还 原出 来，由于还原后得到钛类似海绵状所以称为 海绵 钛，最后以海绵钛为原料生产出钛材和钛粉1947 年才开始冶炼，当年产量只有 2 吨 1955 年产量 2 万吨1975 年产量 7 万吨2006 年产量 14 万吨 钛的硬度与钢铁差不多， 而它的重量几乎只 有同体积钢铁的一半， 钛虽然比铝重， 它的硬度 却比铝大 2 倍在宇宙火箭和导弹中， 已大量用 钛代替钢铁极细的钛粉，还是火箭的好燃料， 所 以钛被誉为宇宙金属，空间金属3.2 纯钛⑴密度小，比强度高：钛密度为4. 51g/cm，约为钢或镍合金的一半。
比强度高于铝合金及高合金钢⑵导热系数小：钛的导热系数小，是低碳钢的五分之一，铜的二十五分之一⑶无磁性，无毒：钛是无磁性金属，在很大的磁场 中不被磁化， 无毒且与人体组织及血液有很好 的相 容性⑷抗阻尼性能强：钛受到机械振动及电振动后，与 钢、铜相比，其自身振动衰减时间最长⑸耐热性强： 因熔点高， 使得钛被列为耐高温金 ⑹耐低温：可在低温下保持良好的韧性及塑性，是 低温容器的理想材料⑺吸气性能高：钛的化学性质非常活泼，在高温下 容易与碳、氢、氮及氧发生反应⑻耐腐蚀性佳：在空气中或含氧的介质中，钛表面 生成一层致密的、 附著力强、惰性大的氧化膜， 保 护钛基体不被腐蚀物理性能： 属第四副族 W B 族元素，原子序 数为 22, 原子量为 47.9 有两种同素异晶体，其转变温度为2 5 C8 25钛在固态随着温度的改变，其原子排列 的晶体结构要发生变化（组织转变） 也就是说，在呂諮・5 C以下，是密 排六方晶体的a -Ti （ a相），在 2・5（以上，是体心立方晶体的B -Ti （B相） 可见，802・5 C这个温度是纯钛发生组 织转变（a相B相）的温度因之，将其称为相变点密度为 4.5 。
钛的弹性模量低， 只有铁的 一 半熔点1668C，导电性较差 仅为铜的3.1%）,导热系数较低（ 铁的六分之一） 和线胀系数 较低（与 玻璃的相近）钛无磁性,在强磁场下也不会磁化,用 钛制人造 骨和关节植入人体内不会受雷 雨天气的影响 钛阻尼性低,适宜做共振材料当温度低于 0.49K 时,钛呈现超导特性, 经过适当合金化，超导温度可提高到9 10Ko（-273C 为绝对零度）性虞TiMgAlNiCa密度尸 10skg/mfi4.541547.8乳9熔1668±5050660153514551083沸点”乜326010912200273533372588膨胀系数8.52613,316.5导热率，lOAWAm.K）0.14031JS542J7710,83A40.591533.8518弹性模量” e ； MPa112500436OO72A00 200000210000130000b化学性质： 室温下钛比较稳定，高温下很活泼，熔 化态能与 绝大多数坩埚或造型材料发生 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。
钛在氮气中加热即能发生燃烧，钛尘在 空气中有 爆炸危险，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，在 500C 以上吸 气能力尤 为强烈，故可作为高真空电子 仪器的脱气剂；利 用钛吸氢和放氢的特 性，可以作储氢材料耐腐蚀性能：钛的标准电极电位很低（E=— 1・63V），但钛的 致钝电位亦低，故钛容易钝化 常温下钛表面极 易形成由氧化物和氮化 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 在大气、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， 其 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，是海洋开 发工程理想的材 料钛与生物体有很好相容性，而且无毒， 适做生物 工程材料钛在还原性酸 （浓硫酸、盐酸、正磷酸 ）、 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 向钛在 550 C 以下能与氧形成致密的氧化 膜，具有良好的保护作用在 538C 以下， 钛的 氧化符合抛物线规律但在 800C 以 上，氧化膜 会分解，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。
力学性能： 纯钛性能和纯铁相似，塑性好，延伸 率 可达 50 60%,断面收缩率可达 70 80%, 强度不 太咼（300MPa ）一般用于科研，没有 工业应用价 值但当其中含有一定杂质时,将强烈地改 变机械性 能, 但此时再也不能称为纯钛, 而叫工业纯钛 纯钛力学性能与纯度有关： 间隙杂质（氧、 氮、碳）含量增加,其强度升咼,塑性 陡降 常温下钛为密排六方结构,与其他六方 结构的金属 （镉、锌、镁）相比,钛的塑性 要高 得多 原因是 ：滑移模型和晶体中各 晶面的层错 能有关，如层错能低，则有 利于全位错分解为不 全位错，以促进滑 移的继续进行 ；钛的层错能比 基面小， 原 来在基面上进行滑移的位错容易通 过交 滑移而转移到棱柱面上， 并可发生分解， 这样基面上的滑移很快终止，而棱柱面 上的滑移 则发挥着主导作用 反之，对 于基面层错能比 较低的金属， 如镉、锌、 镁，则 {0001} 是主 要滑移面 纯钛的强度随温度的升高而降低，加 热 到 250 C 时抗拉强度减小一半500 C 以 下 加热时断面收缩率变化很小，而伸长 率却连续下 降；500C以上，书和S随温度提高而增加，接 近转变温度时，出现超塑性（S >1吸）。
纯钛 有很好的低温塑性，特别是间隙元 素含量很低的 a 型合金适宜在低温下使 用，如在火箭发动机或 载人飞船上作超 低温容器 钛的疲劳性能特点 与钢类似，具有比较 明显的物理疲劳极限，纯钛 的反复弯曲疲劳极限为 0.6 0.80 g 抗拉强度，钛的疲劳 性能对金属表面状态及应力集中系数比 较敏感 钛的耐热性比铁和镍低这与钛原子自 扩散系数 大和存在同素异晶转变有关 钛的耐磨性较差， 通过渗氮、碳、硼可 提高其耐磨性工艺性能 钛可进行锻造、轧制、挤压、冲压等各 种压力加工，原则上加热钢材所采用的 设备都可 以用于钛材加热，要求炉内气 氛保持中性或弱氧 化性气氛，绝不允许 使用氢气加热钛的屈强比（g 2/叭）较高，一般在0.20.70 0.95 之间，变形抗力大，而钛 的弹性模量相对较低，因此钛材在加工 成型时比较困难 纯钛具有良好的焊接性能，焊缝强度、 延性和抗 蚀性与母材相差不多为防止 焊接时的污染， 须采用钨极氩气保护焊钛的切削加工比较困难，主要原因是钛 的摩擦系数大，导热性差，热量主要集中在 刀尖上，使刀尖很快软化同时钛的化学活 性高，温度升高容易粘附刀具，造成粘结磨 损在切削加工时，应正确选用刀具材料， 保持刀具锋锐，并采用良好的冷却工艺。
杂质元素对钛性能的影响杂质元素主要有 氧、氮、碳、氢、铁和硅前四种属间隙型 元素，后二种属臵换型元素，可以固溶在 a 相或 B 相中，也可以化合物形式存在钛的 硬度对间隙型杂质元素很敏感，杂质含量愈 多，钛的硬度就愈高综合考虑间隙元素对 硬度的影响，引入 氧当量：o当=0% +2N%十 0. 67C%氧当量和硬度的关系为：HV=65+310 0氢对纯钛及钛合金性能的影响就是引起 氢脆氢在 B -Ti 中的溶解度比 a -Ti 中大 得多， 且在 a -Ti 中的溶解度随温度降低 而急剧减少，当 冷却到室温时，会析出 脆性的氢化物 TiH ,使合金变2 脆，称为 氢化物氢脆含氢的 a -Ti 在应力作用下，促进氢 化物析 出，由此导致的脆性叫做应力感 生氢化物氢脆 溶 解在钛晶格中的氢原子，在应力作用 下，经过一定 时间会扩散到晶体缺陷处， 与那里的位错发生交互 作用，使位错被 钉扎，引起塑性降低当应力去除 并静 止一段时间，再进行高速变形时，塑性 又可以 恢复，这种脆性称为可逆氢脆钛及钛合金中氢含量小于 0.015 ％ 时，可避 免氢化物型氢脆，但无法避免 应力感生氢化物氢脆 和可逆氢脆。
减少氢脆的措施是减少氢含量，如 严格控制原 材料纯度、采用真空熔炼、 用中性或弱氧化性气氛加热、惰性气体 保护焊接、 氢可增加高温形变时塑性，即提高热塑 性或超塑 性生产上暂时将氢渗入合金 中，然后高温变形 再通过真空退火去氢增塑的原因是氢降低形变激 活能，即降低原子扩散迁移所必须克服的能垒，提 高了变形过程中扩散协调变形能力；同时氢原子在 高温下分布比较均匀，减小了局部弹性畸变；氢有 促进晶粒细化作用，从而改善高温热塑性 氮、氧、碳都提咼 a + B 相变温度，扩大 a 相 区，属 a 稳定元素均可提高强度，急剧降低塑 性，其影响程度按氮、氧、碳递减为了保证合金 的塑性和韧性，目前在工业钛合金中氢、氧、氮、 碳含量分别控制在0.015％、 0.15％、 0.05％， 0.1％以下低温用钛及钛合金，由于氧、氮和碳提 高塑－脆转化温度，应尽量降低它们的含量，特别 是氧含量微量铁和硅在固溶范围内与钛形成臵换固 溶体，它们对钛的性能影响没有间隙杂质元素那样 强烈作为杂质时，铁和硅的含量分别要求小于 0.3％和0.15％，但有时也作为合金元素加入纯 钛组织基本形态：尽量避免酸洗增氢等用真 空退火去氢。
形变再结晶退火后，a相呈等轴状，称等轴 a；B 相区缓慢冷却， a 相以集束片状形式沿 B 晶界和晶内有规则的析出，此类形态称魏氏 a ；B 相区快冷，则发生马氏体转变，马氏体形 态与纯度有关 ： 高纯钛中呈锯齿状，工业纯钛中呈 片状，两者均属板条状马氏体 工业纯钛的牌号、性能及用途 工业纯钛退火得到单相 a 组织，属 a 型 钛合金工业纯钛根据杂质含量不同分为TAI、 TA2、TA3 TA4,其中TA为a型钛合金的代号，数 字表示合金的序号随着序号增大，钛的纯度降低，抗拉强 度提高，塑 性下降纯钛只能冷变形强化当变形度大于 30% 以后，强 度增加缓慢，塑性不再明显降 低纯钛的热处理：再结晶退火（540 700C） 和去应 力退火（450 600C），退火后均 采用空冷工业纯钛可制成板、管、棒、线、 带材等半成品0.艸 250~28056—640)0 350 50030400 J5 450- 600吒300.15 550八700机械性能0 at ,Mpa鮒20 25130-1401D080—90工业纯钛可作为重要的耐蚀结构材 料，用于化 工设备、滨海发电装。