钛及钛合金.ppt

第一章钛及钛合金由于钛及钛合金具有优异的性能，各国都在大力发展生产，专家估计目前世界钛及钛合金的生产能力已超过消费需求量的2～2.5倍（包括海绵钛及钛合金熔炼能力），因而钛及钛合金世界市场竞争剧烈，各国都在努力提高质量、降低成本，一些老的技术已被淘汰。欧洲已关闭DeesideTitanium钛厂，并不再生产海绵钛。与此同时，钛合金的发展却在大力进行，美国注重宇航用钛合金及其他各方面应用，同时开发新的应用领域；日本则注重发展非宇航领域用新型钛合金。
本章着重介绍现代钛合金的基础理论和钛合金的发展。第一节钛的恃性及钛冶金基础
一、钛的基本性质
（1）钛存在两种同素异构体α及β。α-Ti在882℃以下稳定，具有h.c.P.结构。β-Ti稳定于882℃～熔点1678℃，具有体心立方结构。
（2）钛的体积质量小（4.51g／cm3），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550～600℃。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。
二、钛冶金基础
钛矿的存在形式是金红石（TiO2）及钛铁共生矿（FeO-TiO2）。在我国还有钒钛铁矿。目前，生产金属钛都采用钛的氯化物热还原法。
第一步：将钛铁精矿制成球团，再还原成高钛渣（w（TiO2）＞90％）。FeO则还原得出铁副产品。
第二步：进行氯化．生成亚TiCl4:
TiO2＋C＋Cl2→←TiCl4＋2CO
再把纯TiCl4分离出来，得到纯净的液态TiCl4。
第三步：用镁或钠还原TiCl4，得到海绵钛。据国外报导，目前采用钠还原技术的工厂已大多被淘汰，这是由于用镁还原技术可以得到纯度极高的产品，能够生产低成本粉末：
TiCl4＋2Mg→←MgCl2+Ti
海绵钛是多孔金属，易吸收空气中的水分、氧气、氮气，因此海绵钛必须用铁桶密封包装。海绵钛中含有各神杂质元素，用镁还原的海绵钛的杂质含量见表11-1和表11-２。
生产高纯钛可以采用碘化法，原理是利用金属碘化物的高温分解温度不同的特性来提纯，杂质含量降至很低水平（表11-1和表11-2）。
电解精炼钛是以粗钛做阳极，在700～850℃熔盐中电解精炼，粗钛阳极溶解，纯钛在阴极沉淀，得到的金属纯钛杂质含量小于0．2％第二节钛合金物理冶金基础
一、钛合金二元相图
以钛为基的二元合金相图大致可分为四类，见图11-la～d。
a）合金兀素与α-Ti及β-Ti形成连续固溶体（图11-1a），锗、铪等元素的性质与Ti极相近，原子半径差别也不大，因此可以形成连续固溶体。
b）合金元素与β-Ti形成连续固溶体，而与α-Ti只形成有限固溶体（图11-1b），这类元素扩大β相区，缩小α相区，降β相→α相的相变温度，称为β相稳定元素。钛在周期表中的近邻，如钒、铌、钽、铼、钼属于这一类．它们也是b.C.C结构．原子尺寸也相差不大。
C）此类合金元素与β-Ti、α-Ti都形成有限固溶体，β相会发生共析分解，如图11-1C。这类元素有铬、钴、钨、锰、铁、镍、铜、银、金、钯、铂等。它们使β相由转变温度下降，所以也属于稳定β相元素。
D）合金元素与α-Ti、β-Ti都形成有限固溶体，但α相由包析反应生成（图11-1d，e），使β相转变温度升高，因而是α相稳定元素。主要元素有铝、硼、氧、氮、碳、钪、镓、镧、铈、轧、l钕、锗等，其中氮、氧属于图11-1d类简单的包晶相图二、主要合金元素与相的形成
现有钛合金中的主要合全元素有钒、钼、铌、铬、铜、锰、铝、锆、锡及钽等．可以分为三类：
第一类是α相稳定元素，能提高α相→β相转变温度。铝是最常见的、最有效的α相强化元素，能有效提高低温和高温（550℃以下）的强度，同时铝的密度小，因此铝是钛合金中的一个基本合金元素。
第二类合金元素（锡、锆）等能有效强化α相，它们在α-Ti和β-Ti中均有大的固溶度，但对α相→β相相变温度影响较小，故有中性强化元素之称。它们的强化作用也可保持到较高温度。第三类是β相稳定元素，一般是降低β相转变温度。它又可以分为两小类：
第一小类是产生β相共析分解的元素，如铬、锰、铁、铜、镍、钴、钨等。随温度降低，β相会发生共析分解，析出α相及金属间化合物相。共折反应的速率