钛及钛合金论文.doc

钛及钛合金摘要：先进材料钛及钛合金的应用与前沿技术的发展一直是当前材料领域的热点研究课题之一。钛、钛合金及钛化合物的优良性能促使人类迫切需要它们。然而，生产成本之高，使应用受到限制。我们相信在不久的将来，随着钛的冶炼技术不断改进和提高，钛、钛合金及钛的化合物的应用将会得到更大的发展。本文介绍了钛合金的发展现状、特性、铸造工艺性能及其热处理，阐述了钛合金的生产技术及其应用，分析其优势与局限性，并展望发展趋势。 关键字：金属钛，钛合金; 发展状况;分布 ，性质; 铸造加工性能; 热处理;生产技术， 应用; 研究前景钛和钛合金的发展过程：钛是英国化学家格雷戈尔（gregor r w ，17621817。）在1791年研究钛铁矿和金红石时发现的。四年后，1795年，德国化学家克拉普罗特(klaproth m h ，17431817。）在分析匈牙利产的红色金红石时也发现了这种元素。他主张采取为铀（1789年由克拉普罗特发现的）命名的方法，引用希腊神话中泰坦神族“titanic”的名字给这种新元素起名叫“titanium”。中文按其译音定名为钛。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。因为钛的氧化物极其稳定，而且金属钛能与氧、氮、氢、碳等直接激烈地化合，所以单质钛很难制取。直到1910年才被美国化学家亨特(hunter m a）第一次制得纯度达99.9%的金属钛。由于钛在液化状态时化学活性非常高, 钛与气体和所有制模成形用的难熔材料都有很高的活性, 因此, 钛合金铸造成形工业化的生产晚于变形钛合金和变形工艺。自海绵钛工业化以来, 钛在工业上的广泛应用推动了钛工业的迅速发展, 钛的生产能力正在逐年提升, 并将陆续超过铅、锌、铜成为名副其实的第三金属。目前, 由于国际紧张局势的缓和和军备缩减, 使军用飞机的钛需求量减少, 但民用客机今后可望继续增长。要使钛业得以生存, 普遍认为还是要扩大飞机以外的一般用途。近十几年来, 随着钛工业的发展,钛及钛合金已由军用逐渐转向民用, 由航空工业逐渐转向一般工业。金属钛的地理分布：世界钛矿资源总体状况：截至1995年底，世界金红石（包括锐钛矿）储量和储量基础分别为3330万t和16440万t，资源总量约2.3亿t（tio2含量，下同），主要集中在南非、印度、斯里兰卡、澳大利亚。世界钛铁矿（tio2）储量和储量基础分别为2.743亿t和4.353亿t，资源总量约10亿t；主要集中在南非、挪威、澳大利亚、加拿大和印度。中国钛矿地理分布：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。主要产区为四川，次有河北、海南、广东、湖北、广西、云南、陕西、山西等省（区）。金属钛的基本性质：钛是一种化学元素，化学符号ti，原子序数22，是一种银白色的过渡金属，其特征为重量轻、强度高、具金属光泽，亦有良好的抗腐蚀能力（包括海水、王水及氯气）。由于其稳定的化学性质，良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及高强度、低密度，被美誉为“太空金属”已知的钛的同位素有13种，包括钛-41至钛-53。其中钛的稳定同位素有钛-46，钛-47，钛-48，钛-49，钛-50共五种，其余的同位素均有放射性。十大性能：吸气性,能弹性模量低,换热性能好,抗拉强度与其屈服强度接近,无磁性、无毒,抗阻尼性能强,耐低温性能好,耐热性能好,耐腐蚀性能.1：物理性质：钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米（20），高于铝而低于铁、铜、镍。但比强度位于金属之首钛，在高温下性质十分活泼，很易和氧、氮、碳等元素化合。熔点16684，熔化潜热3.7-5.0千卡/克原子，沸点326020，汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子，临界温度4350，临界压力1130大气压。钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢，钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为 0.38-0.4k。在25时，钛的热容为0.126卡/克原子度，热焓1149卡/克原子，熵为7.33卡/克原子度，金属钛是顺磁性物质，导磁率为1.00004。钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%，断面收缩率可达70-80%，但强度低，不宜作结构材料。钛中杂质的存在，对其机械性能影响极大，特别是间隙杂质（氧、氮、碳）可大大提高钛的强度，显著降低其塑性。钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通过严格控制其中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的。2. 化学性质钛在较高的温度下，可与许多元素和化合物发生反应。各种元素，按其与钛发生不同反应可分为四类：第一类：卤素和氧族元素与钛生成共价键与离子键化合物；第二类：过渡元素、氢、铍、硼族、碳族和氮族元素与钛生成金属间化物和有限固溶体；第三类：锆、铪、钒族、铬族、钪元素与钛生成无限固溶体；第四类：惰性气体、碱金属、碱土金属、稀土元素（除钪外），锕、钍等不与钛发生反应或基本上不发生反。 钛的性质与温度及其存在形态、纯度有着极其密切的关系。致密的金属钛在自然界中是相当稳定的，但是，粉末钛在空气中可引起自燃。钛中杂质的存在，显著的影响钛的物理、化学性能、机械性能和耐腐蚀性能。特别是一些间隙杂质，它们可以使钛晶格发生畸变，而影响钛的的各种性能。常温下钛的化学活性很小，能与氢氟酸等少数几种物质发生反应，但温度增加时钛的活性迅速增加，特别是在高温下钛可与许多物质发生剧烈反应。钛的冶炼过程一般都在800以上的高温下进行，因此必须在真空中或在惰性气氛保护下操作。3.化学提炼：钛在高温下性质十分活泼，很易和氧、氮、碳等元素化合，要提炼出纯钛需要十分苛刻的条件。工业上常用硫酸分解钛铁矿的方法制取二氧化钛，再由二氧化钛制取金属钛。浓硫酸处理磨碎的钛铁矿（精矿）为了除去杂质fe2(so4)3，加入铁屑，fe3+ 还原为fe2+，然后将溶液冷却至273k以下，使得feso47h2o（绿矾）作为副产品结晶析出。锻烧偏钛酸即制得二氧化钛：工业上制金属钛采用金属热还原法还原四氯化钛。将tio2（或天然的金红石）和炭粉混合加热至10001100k，进行氯化处理，并使生成的ticl4，蒸气冷凝。在1070k 用熔融的镁在氩气中还原ticl4可得多孔的海绵钛，这种海绵钛经过粉碎、放入真空电弧炉里熔炼，最后制成各种钛材金属钛的应用：生物用途：钛能刺激吞噬细胞，使免疫力增强这一作用已被证实。钛具有“亲生物“性。在人体内，能抵抗分泌物的腐蚀且无毒，对任何杀菌方法都适应。因此被广泛用于制医疗器械，制人造髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨，主动心瓣、骨骼固定夹。当新的肌肉纤维环包在这些“钛骨”上时，这些钛骨就开始维系着人体的正常活动。工业用途：电子、化工、钟表、眼镜、首饰、体育用品、机械设备、电镀设备、环保设备、高尔夫球及精密加工等行业。环保设备、冷却管、钛发热管、电镀设备、戒指及各种精密电器用管等行业，军工、医用、体育用品、眼镜、耳环、头饰、电镀挂具、焊丝等行业，主要用于机械设备、电镀设备、医用、各种精密机件等行业。生活中的金属钛：金属钛、氧化钛和碳化钛属低毒类，致癌性，人体危害：吸入后对上呼吸道有刺激性，引起咳嗽、胸部紧束感或疼痛。长期吸入tio2粉尘的工人，肺部无任何变化。在生产钛金属过程，接触四氯化钛及其水解产物对眼和上呼吸道粘膜有刺激作用。长期作用可形成慢性支气管炎等。钛合金基本性能：1.强度高。钛合金具有很高的强度，其抗拉强度为6861176mpa，而密度仅为钢的60%左右，所以比强度很高。 2.硬度较高。钛合金(退火态)的硬度hrc为3238。 3.弹性模量低。钛合金(退火态)的弹性模量为1.078101.17610mpa，约为钢和不锈钢的一半。 4.高温和低温性能优良。在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽，目前新型耐热钛合金的工作温度可达550600；在低温下，钛合金的强度反而比在常温时增加，且具有良好的韧性，低温钛合金在253时还能保持良好的韧性。 5.钛的抗腐蚀性强。钛在550以下的空气中，表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜，故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中，其耐蚀性优于大多数不锈钢。 6化学活性大：钛的化学活性大，与大气中o、n、h、co、co2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2时，会在钛合金中形成硬质tic；温度较高时，与n作用也会形成tin硬质表层；在600以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.10.15 mm，硬化程度为2030。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。钛和钛合金加工性能：1.切削加工性能：钛合金强度高、硬度大，所以要求加工设备功率大，模具、刀具应有较高的强度和硬度。切削加工时，切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大。由于钛合金弹性模量低，切削加工时工件回弹大，容易造成刀具后刀面磨损的加剧和工件变形；钛合金高温时化学活性很高，容易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反应，生成硬化层，同时进一步加剧了刀具的磨损；钛合金切削加工中，工件材料极易与刀具表面粘结，加上很高的切削温度，所以刀具易于产生扩散磨损和粘结磨损。2.磨削加工性能：钛合金化学性质活泼、在高温下易与磨料亲和并粘附，堵塞砂轮，导致砂轮磨损加剧，磨削性能降低，磨削精度不易保证，。钛合金强度高、韧性大，使磨削时磨屑不易分离、磨削力增大、磨削功耗相应增加。钛合金热导率低、比热小、磨削时热传导慢，致使热量积聚在磨削弧区，造成磨削区温度急剧升高。3.挤压加工性能：对钛及钛合金进行挤压加工时，要求挤压温度高，挤压速度快，以防温降过快，同时应尽量缩短高/温坯锭与模具的接触时间。因此挤压模具应选用新型耐热模具材料，坯锭由加热炉到挤压筒的输送速度也要快。由于钛合金热导率低，表层温度下降后，内层坯料热量不能及时传输到表层补充，会出现表面硬化层，而使得变形难以继续进行。同时，表层与内层会产生很大的温度梯度，即使能成形，也容易造成变形和组织不均匀。 4.锻压加工性能：钛合金对锻造工艺参数非常敏感，锻造温度、变形量、变形及冷却速度的改变都会引起钛合金组织性能的变化。钛合金的变形抗力随变形速度的增加提高较快，锻造温度对钛合金变形抗力影响更大，因此常规锻造必须在锻模内冷却最少的情况下完成。间隙元素(如o、n、c)的含量对钛合金的锻造性也有显著影响。5.铸造工艺性能：由于钛和钛合金的化学活性高，易与空气中的n、o、n发生剧烈化学反应，且易与铸造中常用的耐火材料发生化学反应。随着合金使用温度和工作强度的提高，合金中所添加元素的数量和加入量也相应增加，但同时必须考虑到合金的铸造性能、流动性凝固区间结晶组织、力学性能等等，即合金的化学成分必须根据铸造工艺的要求进行调整钛合金的热处理 常用的热处理方法有退火、固溶和时效处理。退火是为了消除内应力、提高塑性和组织稳定性，以获得较好的综合性能。钛合金的热处理工艺可以归纳为：（1）消除应力退火：目的是为消除或减少加工过程中产生的残余应力。防止在一些腐蚀环境中的化学侵蚀和减少变形。（2）完全退火：目的是为了获得好的韧性，改善加工性能，有利于再加工以及提高尺寸和组织的稳定性。（3）固溶处理和时效：目的是为了提高其强度，钛合金和稳定的钛合金不能进行强化热处理，在生产中只进行退火。+钛合金和含有少量相的亚稳钛合金可以通过固溶处理和时效使合金进一步强化。 此外，为了满足工件的特殊要求，工业上还采用双重退火、等温退火、热处理、形变热处理等金属热处理工艺。钛合金生产技术：在铸造方面, 冷坩埚+ 离心浇铸技术、真空吸铸和压铸技术已使产品质量进一步提高。冷坩埚感应熔炼后进行离心浇铸生产钛合金铸件, 可以节省原材料, 降低预热成本, 并提高铸件精度, 消除缩孔和疏松。真空吸铸技术广泛用于高尔夫球杆头等薄壁型产品生产,真空压铸法采用金属模取代陶瓷模后, 产品质量较好, 成本降低。钛的精密铸造依赖于真空自耗电弧熔炼工艺。这种工艺生产效率低, 成本高, 限制了铸件生产能力的提高, 难以满足用户的需要。被离心浇铸的精密铸造工艺所代替。与传统工艺相比, 该工艺具有以下优点:（1）节省原材料，可以使用优质的锻造或轧制边角料; （2）可降低铸模的预热温度, 降低预热成本; (3)可大大减少由于铸模与金属液反应而形成的富氧a 层, 相应地减少清除铸件表面a 层的工作量, 同时又保留了大部分铸造表面, 尺寸精度高。真空吸铸法是将悬浮熔炼技术和真空吸铸技术结合在一起的精密铸造方法。该方法铸造速度快, 无滞流及气泡卷入等现象产生, 可制造出壁厚小于1 mm的钛合金铸件。高尔夫球杆头就是用该方法大量生产的。以前, 钛铸造的主要铸型为熔模法。该法制作的陶瓷模具与钛熔液反应, 在钛铸件表面生成a 壳层, 随后必须进行酸洗加以清除。而压铸法最大的优点在于: 由于采用了金属模, 不会产生如上所述的表面污染, 质量比较稳定, 也省去了后续的酸洗工序。这种工艺适于制造简单形状的钛铸件。钛合金的应用1、在湿法冶金工业中的应用 钛作为电铜、电镍行业中种板应用的主要优点是： （1）钛表面的氧化膜保护了钛不被电解液腐蚀，且又不污染电解液。 （2）剥离极其容易，减轻了劳动强度。 （3）成品率提高了30%以上。 （4）电铜结晶组织致密，表面光滑。 （5）不易断路烧板。 （6）.使用寿命超过30年。 2、在航空、航天中的应用当飞机、导弹、火箭高速飞行时，其发动机和表面温度相当高，铝合金已不能胜任，这时采用钛合金是十分合适的。正是由于钛及其合金具有强度大、重量轻、耐热性强的综合优良性能，在飞机制造中用它来代替其它金属时，不仅可以延长飞机使用寿命，而且可以减轻其重量，从而大大提高其飞行性能。所以，钛是航空工业和宇宙工业中最有前途的结构材料之一。钛及其合金在航空工业中主要用于制造飞机发动机和机身。钛及其合金还具有良好的耐低温性能，即使在-250的超低温下，仍具较高的冲击强度，可耐高压抗震动。因此，钛及其合金在火箭、导弹和宇宙飞船上不仅用于制造发动机外壳和结。3、在石化工业中的应用 钛在石化工业中，多用于制造化工设备。化工设备的选材相当重要，大量的压力容器、贮槽、塔器、换热器、管道乃至紧固件和连接件等等在工作条件下不仅要承受一定的载荷，而且要受到许多介质的强烈腐蚀，工作条件十分苛刻。在这种情况下，许多设备的选材如仅在常用不锈钢的基础上进行调整，已不能适应。而钛及钛合金的机械性能与不锈钢相近，耐蚀性能则远为优异。为此，在重要的化工设备中，钛材逐渐以各种形式如衬钛、钛钢复合以至全钛得到应用。4、在化工工业中的应用在化工生产中，用钛代替不锈钢、镍基合金和其它稀有金属作为耐腐蚀材料,这对增加产量，提高产品质量，延长设备使用寿命、减少消耗、降低能耗、降低成本、防止污染、改善劳动条件和提高生产率等方面都有十分重要的意义。主要应用方面：（1）氯碱工业 ：目前氯碱工业中广泛采用钛来制造金属阳极电解槽、离子膜电解槽、湿氯冷却器、精制盐水预热器、脱氯塔、氯气冷却洗涤塔等。（2）纯碱工业纯碱是最基本的化工原料之一，在生产纯碱设备方面，钛合金的应用提高生产效率和质量。5、在医药行业中的应用钛作为一种新兴的材料，在我国的制药工业、医疗器械、人体植入物等领域的开发、使用不过近二十年的历史，却获得了极大的成功，并缩短了我国与世界先进国家的差距。钛和钛合金发展研究方向:（1）