钛及其合金的性能研究.doc

钛及其合金的性能研究摘要：钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金材料由于密度小、比强度高、耐高温等特点，在军事工业、航天航空、汽车工业、医学等领域中都有广泛应用。为了便于进行机械工业加工并得到具有一定性能的钛和钛合金，以满足各种产品对材料性能的要求，需要对钛及钛合金进行热处理关键字：钛合金材料、机械加工性能、热处理引言：钛是20世纪五十年代发展起来的一种性能优异、资源丰富的金属。随着军事工业对高强低密度材料需求的日益迫切，钛合金的产业化进程显著加快。钛和钛的合金大量用于航空工业，有空间金属之称；另外，在造船工业、化学工业、硬质合金等方面有着日益广泛的应用一. 钛金属的性质1. 钛的物理性质：1) 钛是一种金属元素，灰色，钛没有磁性，能在氮气中燃烧2) 钛的密度为4.5064.516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。熔沸点高3) 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，钝钛和以钛为主的合金是新型的结构材料，主要用于航天工业和航海工业4) 钛属于稀有金属，用于冶炼钛的矿物主要有钛铁矿（FeTiO3）、金红石（TiO2）和钙钛矿等2. 钛的化学性质：1) 室温下钛比较稳定，高温下很活泼，熔融态能与绝大部分坩埚或型材发生作用2) 高温下可与氧、硫、碳、氮等进行强烈反应3) 钛可在真空或惰性气氛下熔炼，如真空自耗电焊弧炉、电子束炉等电子熔炉设备中熔炼4) 钛在氮气中加热即能燃烧，钛尘在空气中有爆炸危险，所以钛材加热或焊接应用氩气做保护气体5) 钛在室温可吸收氢气，故可作为高真空电子仪器的脱气剂；利用钛吸收氢和放氢的特性，可以用为储氢材料3. 钛的耐蚀性能：1) 钛的标准电极电位很低（E=-1.63V），但钛的致钝电位也低，故钛容易钝化。2) 常温下钛表面极易形成由氧和氮组成的钝化膜，它在大气及许多侵蚀性介质中非常稳定，具有很好的抗蚀性3) 在大气、海水、氯化物水溶液及氧化性酸和大多数有机酸中，其抗蚀性相当于或超过不锈钢，在海水中耐蚀性极强，能与白金相比，是海洋开发工程理想的材料4) 钛与生物体有很好的相容性，而且无毒，适合做生物工程材料。5) 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4. 钛的金属性能：1) 钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积的钢铁的一半，极细的钛粉，还是火箭的好燃料，所以钛被誉为宇宙金属2) 室温下纯钛的晶体结构为密排六方结构， 室温变形时主要以柱面滑移为主，并常诱发孪生；钛同时兼有钢(强度高)和铝(质地轻)的优点3) 高纯钛具有良好的塑性，但杂质含量超过一定时，变得硬而脆4) 钛的屈服强度与抗拉强度接近，屈强比较高，而且钛的弹性模量小，成形加工时回弹量大，冷成形困难5) 在高温能保持比较高的比强度。作为难熔金属，钛熔点高，随着温度的升高，其强度逐渐下降，但是，其高的比强度可保持到5506006) 同时在低温下，钛仍具有良好的力学性能：强度高，保持良好的塑性和韧性5. 钛的工艺性能1) 钛可进行锻造、轧制、挤压、冲压等压力加工，原则上加热钢材所用的设备都可以用于钛材的加热，要求炉内气氛保持中性或弱氧化性气氛，绝不可以使用氢气加热。2) 钛的屈强比较高，变形抗力大，而弹性模量低，因此钛材在加工成型方面较困难。3) 钛材具有良好的焊接性能，焊缝强度、延性和抗蚀性与母材差不多。4) 钛的切削加工比较困难，主要是因为钛的摩擦系数大，导热性差，热量主要集中在刀尖上，使刀尖容易软化。二. 钛的热处理方法工业纯钛是单相 型组织，虽然在890以上有- 的多型体转变，但由于相变特点决定了它的强化效应比较弱，所以不能用调质等热处理提高工业纯钛的机械强度。工业纯钛唯一的热处理就是退火。它的主要退火方法有三种：1 再结晶退火 2 消应力退火 3 真空退火。前两种的目的都是消除应力和加工硬化效应，以恢复塑性和成型能力。（一）消应力退火为了消除钛和钛合金在熔铸、冷加工、机械加工及焊接等工艺过程中所产生的内应力，以便于以后加工，并避免在使用过程中由于内应力存在而引起开裂破坏，对-钛应进行消除应力退火处理。消除应力退火温度不能过高、过低，因为过高引起晶粒粗化，产生不必要的相变而影响机械性能，过低又会使应力得不到消除，所以，一般是选在再结晶温度以下。（二）再结晶退火（完全退火）-钛大部分在退火状态下使用，退火可降低强度、提高塑性，得到较好的综合性能。为了尽可能减少在热处理过程中气体对钛材表面污染，热处理温度尽可能选得低些。（三）真空退火钛中的氢虽无强化作用，但危害性很大，能引起氢脆。氢在-钛中的溶解度很小，主要呈TiH2 化合物状态存在，而TiH2 只在300以下才稳定。当钛中含氢量过多时需要除氢，为了除氢或防止氧化，必须进行真空退火。三. 钛合金材料1. 钛合金的分类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：882以下为密排六方结构钛，882以上为体心立方的钛。合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：钛合金它是相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500600的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。 钛合金它是相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达13721666 MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。 +钛合金它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50100；高温强度高，可在400500的温度下长期工作，其热稳定性次于钛合金。 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。典型合金的成分和性能见表。2. 钛合金的性能(1)强度高钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60，纯钛的强度才接近普通钢的强度，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，见表7-1，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。 (2)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450500的温度下长期工作这两类钛合金在150500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。(3)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。(4)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。(5)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。(6)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。 3. 钛合金的热处理（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。 （4） 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。 4. 钛合金的应用1) 飞机制造业世界钛工业从1979年到1980年是最繁荣的时期，主要是因为美国波音民用喷气运输机制造增加的缘故，据测算，目前客机制造使用钛加工材的数量占到飞机自重的20%左右，随着钛材在这一领域应用研究的深入，用量将会进一步扩大。2) 宇航应用（火箭、航天飞机、卫星、宇宙飞船等）宇航应用材要求高强度、耐热性，断裂强度高，宇航飞船和航天飞机往返地球轨道间的有效载重量大，钛合金具备上述特点，在宇航工业上获得了巨大的发展，成为金属钛消费最大的用户，从板、管材到铸件、锻件，占到钛加工材料的60%的比例。3) 薄壁焊接钛管的制作机械性能和耐蚀性高的金属钛制作的薄壁焊接钛管，不仅尺寸精度高，而且质量稳定，适合大量生产，被广泛应用于海水冷凝器冷凝管，代替传统的铝黄铜管、海水淡化设备，化学、石油工业设备制造，炼铁厂、空调、冷冻机、发电机等制造领域。4) 化学工业的耐蚀材料由于化学工业新工艺的开发，应用范围的扩大，所处理的液体腐蚀性更加强烈，再加上处理环境的高温高压条件，促进了钛合金在这一领域的优异的结构材料，被广泛应用于洗涤塔、下水道污水清理设备、废物焚烧炉、工业废液处理设备的制作等。5) 船舶制作船舶制作最基本、最重要的要素就是强度大、比重轻、耐腐蚀，由于钛合金具备了上述特点，所以在这了领域有广泛的应用，特别是深海潜水调查船、潜水艇。6) 生物用钛合金由于钛的生物适应性，即对身体组织几乎没什么影响，不会引起炎症、过敏性、变态反应，不会使血液凝固，在钛材料上，细胞可以再生，骨骼可以生长等等，被作为医疗外科用的植入材料，用在骨骼整补、脊椎固定，齿列矫正和假牙制作等人早嵌入件。7) 汽车上的应用由于钛的高比强特性，作为陆地行驶的汽车用材料，钛很早就被人们关注，但目前仅用于赛车的制造，以符合赛车要求的更轻量化，更高速度化，用于赛车的进气阀、排气阀、阀档板、连接杆等的制作。四. 总结 钛及其钛合金由于其优越的性能将会受到越来越多的关注，世界各国也在不断的开发钛资源，研究钛的应用，相信钛产品很快就会被广泛的应用于生活中的方方面面，对于社会的发展，促进经济的繁荣等方面都会做出重要的作用。五参考文献：【1】 金属钛的性能、发展与应用