钛及钛合金.ppt

第一章钛及钛合金
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4~5万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%,%,这其中又以消费品为主(占三分之二),例如运动用消费品是很重要的钛合金产品。日本由于大力发展非宇航用钛及钛合金,每年钛合金需求量预计不断增加,可达550t。我国钛和钛合金发展始于20世纪50年代中期,1995年国外报道已具有生产2700t海绵钛和3600t钛及钛合金锭材的能力。
1
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~(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 Deeside Titanium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。
2
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,。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(),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
(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。,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。
4
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::
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。
5
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,%
6
7
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。
8
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、。
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