钛及钛的合金.doc

钛及钛合金结构 钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：钛是同素异构体熔点为1720，在低于882时呈密排六方晶格结构，称为钛；在882以上呈体心立方品格结构，称为钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。根据对相变温度的影响钛合金又可以分为三类：钛合金，钛合金，+钛合金，三种钛合金中最常用的是钛合金和+钛合金；钛合金的切削加工性最好，+p钛合金次之，钛合金最差。钛合金代号为TA，钛合金代号为TB，+钛合金代号为TC。钛合金按用途可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金（钛-钼，钛-钯合金等）、低温合金以及特殊功能合金（钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金）等。 三种钛合金中最常用的是钛合金和+钛合金；钛合金的切削加工性最好，+p钛合金次之，钛合金最差。钛合金代号为TA，钛合金代号为TB，+钛合金代号为TC。钛合金按用途可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金（钛-钼，钛-钯合金等）、低温合金以及特殊功能合金（钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金）等。性能 比强度高，钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60，纯钛的强度接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。在飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。 热强度高，使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度，可在450-500的温度下长期工作这两类钛合金在150-500范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500，铝合金则在200以下。 抗蚀性好，钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。 低温性能好，钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好，间隙元素极低的钛合金，如TA7,在-253下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。 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。 导热系数小、弹性模量小，钛的导热系数=15.24W/（m.K）约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50。钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的23倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。 钛合金具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好。另外，钛合金的工艺性能差，切削加工困难，在热加工中，非常容易吸收氢氧氮碳等杂质。还有抗磨性差，生产工艺复杂。加工工艺 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。 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。鉴于在加热和挤压过程中金属易被气体污染，故还应采用适当的保护措施。挤压时应选择合适的润滑剂，以防粘结模具，如采用包套挤压和玻璃润滑挤压。因钛及钛合金的变形热效应较大，导热性较差，故在挤压变形时还要特别注意防止过热现象。钛合金的挤压过程比铝合金、铜合金、甚至钢的挤压过程更为复杂，这是由钛合金特殊物理化学性能所决定的。钛合金在常规热反挤成形时，模具温度低，与模具接触的坯料表面温度迅速下降，而坯料内部因变形热而温度升高。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。 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。为更好地控制锻件的组织性能，近几年，热模锻造、等温锻造等先进的锻造技术在钛合金的锻造生产中得到了广泛应用。 钛合金的塑性随温度升高而增大，在10001200温度范围内，塑性达到最大值，允许变形程度达70%80%。钛合金锻造温度范围较窄，应严格按(+)/转变温度进行掌握(铸锭开坯除外)，否则晶粒会剧烈长大，降低室温塑性；钛合金通常在(+)两相区锻造，因(+)/相变线以上锻造温度过高，将导致脆相，钛合金其始锻和终锻都必须高于(+)/转变温度。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。 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。钛和钛合金的铸造，特别是熔模精铸要比铝和钢的熔模精铸难度大得多，需借助特殊手段才能实现。因此，先选用已有一定变形的中强钛合金，如Ti6Al4V，Ti5Al2.5Sn等作为铸造合金材料。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。使用情况 钛及其合金由于密度小、强度高、比强度大、高低温性能优异，因此首先被广泛应用于航空、航天等行业，成为军事工业不可或缺的结构材料。除此之外，钛及其合金在很多化学介质中优异的耐腐蚀性能及其它综合性能，又被石油、化工、医药、体育等民用行业广泛接受，逐步取代各种金属材料，在短时间内跃居金属材料使用的第三位。 钛元素发现于1789年，1908年挪威和美国开始用硫酸法生产钛白，1910年在试验室中第一次用钠法制得海绵钛，1948年美国才用镁法成吨生产海绵钛，这标志着海绵钛即钛工业化生产的开始。 海绵钛生产是钛工业的基础环节，它是钛材、钛粉及其他钛构件的原料。把钛铁矿变成四氯化钛，再放到密封的不锈钢罐中，充以氩气，使它们与金属镁反应，就得到“海绵钛”。这种多孔的“海绵钛”是不能直接使用的，还必须把它们在电炉中熔化成液体，才能铸成钛锭。海绵钛用途是生产精炼金属钛的基本原料。将海绵钛进一步精炼，可制成钛锭、钛棒等金属钛材。将海绵钛进行机械研磨，可以生产钛粉末。钛粉末作为镀膜材料，被广泛用于机械设备表面的处理，电子和精密仪表部件的处理，与其它金属可合成钛合金粉末等。 钛合金是一种新型结构材料，它具有优异的综合性能，如密度小，比强度和比断裂韧性高，疲劳强度和抗裂纹扩展能力好，低温韧性良好，抗蚀性能优异。70年代，钛合金在航空发动机中的用量一般占结构总重量的2030，主要用于制造压气机部件，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片等。航天器主要利用钛合金的高比强度，耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、构架和火箭壳体等。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机 也都使用钛合金板材焊接件。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。 医学。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、主动心瓣、骨骼固定夹等。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。钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料，可用作植人人体的植人物等。目前，在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6Al-4v ELI合金。但后者会析出极微量的钒和铝离子，降低了其细胞适应性且有可能对人体造成危害，这一问题早已引起医学界的广泛关注。 除此外，钛