第七章 钛及钛合金.ppt

1、钛及钛合金,尖端装备及其先进材料,钛的发现与命名,钛的命名,795年，奥地利科学家克拉普罗特在研究匈牙利出产的金红石时，也发现了格雷戈尔发现的那种奇特物质。便给它起了新名钛。意思是说，这种金属像古希腊神话中的大力士神“泰坦”那样力大无比。,钛的存在,钛在地壳中的丰度为0.6%,是仅次于Al、Fe、Mg的第四种金属元素。 含钛1%以上的矿物质在80种上。 钛存在极为分散,主要的矿物有金红石(TiO2)和钛铁矿(FeTiO3)。,钛的矿石,钛的性质,钛单质的物理性质,金属钛呈银白色,外观似钢 熔点16684 沸点326020 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

2、界温度为 0.38-0.4K,钛单质的物理性质（续）,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，强度比较低,低于882.5为晶型，呈密排 六方晶格；,高于882.5为稳定的晶型，呈体心立方晶格。,钛属多晶型金属，有两种同素异构晶型,钛单质的化学性质,钛单质的化学性质,钛是具有强烈钝化倾向的金属 常温下钛在许多介质中很稳定。介质温度在315以下钛的氧化膜始终保持其特性,钛在较高的温度下，可与许多元素和化合物发生反应 1）卤素和氧族元素与钛生成共价键与离子键化合物； 2）过渡元素、氢、铍、

3、硼族、碳族和氮族元素与钛生成金属间化物和有限固溶体； 3）锆、铪、钒族、铬族、钪元素与钛生成无限固溶体 4）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 基本上不发生反应,钛的重要化合物,二氧化钛(TiO2),二氧化钛有3种晶型，锐钛型（四方）、板钛型（三方）和金红石型。天然的金红石TiO2因含杂质而呈暗红色、深棕色甚至成黑色。纯净的TiO2是白色粉末状，工业上常称为钛白或钛白粉。,纳米钛白应用,性能,用途,纳米钛白应用,光催化处理有害污染物 光催化作用能杀菌 使癌细胞失活 光电太阳能转换电池最普遍使用的材料,纳米钛白应用,防晒霜类护肤产品的理想添加材料 塑料包装材

4、料透明性很高 良好紫外线屏蔽剂 可用作树脂油墨着色剂、硅橡胶补强剂、固体润滑剂的添加剂、高效光敏催化剂、吸附剂等,四氯化钛（TiCl4）,四氯化钛是一种无色液体，密度为1.726g/cm3(20时)，熔点为250K，沸点为409K 它有刺激性气味, 暴露在空气中会发烟(即TiCl4+3H2O=H2TiO3+4HCl),在军事上曾利用TiCl4作烟幕弹；在商业上TiCl4作空中广告,钛合金,钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。 第一个

5、实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的50以上。其他许多钛合金都可以看做是Ti-6Al-4V合金的改型。,钛合金,20世纪5060年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金 70年代开发出一批耐蚀钛合金 80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400提高到90年代的600650。 近年来，钛合金的研发一直十分活跃。近期国内外研制的钛合金主要有：BT37、CT20、Ti-600

6、、Ti-60、7715D、Ti-40、Ti-26、Ti-6Al-4V-2Mo-1Fe+10vol.% TiB2,TP-650、橡胶金属、Ti-B19、Ti-91等，这些合金可以满足不同构件对材料应用性能的要求，如CT20合金是一种应用于火箭发动机液氢管路的新型低温钛合金；Timetal 511合金、Ti-B19合金和Ti-91合金等因具有良好的韧性、抗腐蚀性和透声性等，将有望用于大型舰船制造和海洋工业中。,钛合金 根据钛合金热处理的组织为三类：,1类钛合金, 组织为固溶体和固溶体加微量金属间化合物。 主要特点是，具有良好的热稳定性和热强度以及优 良的焊接性能。 典型的牌号有TA7，表示含铝量7

7、%，余为钛。主要 用于制造火箭、导弹的燃料储箱等。, 主要特点是，具有良好的变形加工性能，可热处理强化。, 典型的牌号是TB1，其成份为3%Al、13%V、11%Cr，余为钛。主要用于重载荷的旋转体，如航空发动机的压缩机叶片、轴等。,3+类钛合金 退火状态的组织为+。 主要特点是，综合机械性能好，抗拉强度高，热加工 性能好，但焊接性能差。 典型的牌号是TC4, Ti-6Al-4V，用量占整个钛合金的一半。 广泛用于压气机盘件、叶片和其他锻件。主要用于制造在400长期工作的发动机零部件。,2类钛合金 退火和淬火状态的组织为单相固溶体。,钛及钛合金的性能特点,1.加工性能好，比强度高，低温韧性好。

8、 纯钛强度低，塑性好，易于压力加工成型。钛合金的强度很高，b最高可达1400Mpa，与某些高强度合金钢相近。还具有良好的低温机械性能。 2.抗腐蚀性能好 钛及钛合金在大气、海水、含氧酸和湿氯气中其表面极易形成致密的氧化物和氮化物的保护膜，具有优良的抗蚀性。,3. 热强性好 往钛合金中加入合金强化元素后，大大提高了钛合金的热稳定性和高温强度，如在300-350C下，其强度为铝合金强度的3-4倍。 4. 化学活性大 易与空气中O, N, H, CO, CO2, NH3, H2O 产生强烈化学反应，生成硬化层，脆性增大，塑性下降。 5.导热性能差、弹性模量小 钛合金的导热系数仅为钢的1/7，铝的1/

9、14；弹性模量为钢的1/2， 刚性差、变形大，不宜制作细长杆和薄壁件。,西北有色金属研究院研制的高强韧损伤容限型钛合金 Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Cr-Nb-Si 系两相钛合金 UTS = 1100 MPa, YS = 1000 MPa, EL = 8%, RA =12% KIC = 70 MPam， 疲劳裂纹扩展速率da/dN 同 Ti-6-4合金相当,TC21合金,船用钛合金,Timetal-5111S合金 美国Timet公司与美国和海军联合开发了一种具有强度适中，韧性高、焊接性能好的近钛合金。,名义化学成分：Ti-5Al-1Zr-1Sn-1V-0.8Mo-0.1Si 特点： 良好的断

10、裂韧性及抗氧化腐蚀性能。其冲击韧性约为Ti-6Al-4V的3倍 具有良好的室温蠕变性能 易于焊接，可以进行大规格型材的焊接，主要用于舰船制造和海洋工程,Ti-Al-Mo-Zr-Cr-V系 特点： 具有高强度（1250MPa） 具有很好的韧性（KIC70MPam），在相同的断裂韧性条件下，Ti-B19比c的强度高50100MPa,Ti-B19合金,西北有色金属研究院研制，弹射装置用缸体用材, Ti-B20 西北有色金属研究院自主研发的一种钛合金。固溶强化后，合金的最大拉伸强度为1400 MPa，延伸率为810，断面收缩率为3040%。,西北有色金属研究院研制，舰船导流罩装置用透声钛合金，用于我国

11、舰船声纳装置,名义化学成分： Ti-3.5Al-1V-1Fe-0.5Zr 特点： 良好的机械性能，透声性能和冷成型性能,Ti-91合金, 低成本钛合金,以廉价的合金化元素如Fe、Si等代替昂贵的V，Mo、Nb等元素，实现原材料成本降低三分之一。,几种低成本钛合金的室温机械性能, 橡胶金属 “Gum Metal,” ： 超低模量40 GPa 、高的强度2000 MPa ； 超塑性性能超出正常 2.5%； 非线性塑性变形行为； 冷加工性能可达 99.9% ，无加工硬化； 成分： Ti + 25 mole % (Ta, Nb, V) + (Zr, Hf, O), 钛合金熔炼,钛熔炼技术的进步：电子束

12、冷床炉(EB) 等离子冷床炉（PLAMSA）熔炼,乌克兰的ANTARES公司, 电渣重熔炉 (ESR): ESR 和 VAR的区别是电极熔滴经过熔渣进入熔池而被提纯了，非金属的杂质和熔渣发生反应，由于属于非直接结晶，消除了中心结晶孔，提高了均匀性，目前德国的ALD公司已可用 ESR生产长方形扁锭。,凝壳自耗电极熔炼技术： 俄罗斯发展的一种类似于冷床炉的新型熔炼技术，其特点： 能有效去除熔融金属中密度和熔点高于基体金属的颗粒； 难熔金属组元可以纯金属的形式加入； 可制备异型铸锭； 同时可大量回收利用残钛； 炉子造价比冷床炉的低，耗电量较小。,一次熔炼采用该工艺，二次采用真空自耗进行熔炼,凝壳自耗

13、电极熔炼技术： 俄罗斯发展的一种类似于冷床炉的新型熔炼技术，其特点： 能有效去除熔融金属中密度和熔点高于基体金属的颗粒； 难熔金属组元可以纯金属的形式加入； 可制备异型铸锭； 同时可大量回收利用残钛； 炉子造价比冷床炉的低，耗电量较小。,一次熔炼采用该工艺，二次采用真空自耗进行熔炼,在惰性气体保护下ALD真空技术电渣重熔炉,置氢脱氢处理技术 置氢脱氢处理技术是通过氢的可逆合金化作用，即利用钛合金的吸氢放氢过程，可以把氢作为一种临时性的合金元素，使钛合金具有良好的热加工性能，待加工完毕后，通过真空去氢处理，使材料的氢含量恢复到常温下的安全水平，对钛合金的微观组织、力学性能和加工性能进行调整的一种

14、新兴热加工技术。, 钛加工,运用氢处理技术提高钛合金性能的途径有两种： 利用氢增塑效应； 利用氢处理细化钛合金的微观组织。, 氢增塑效应 在钛合金超塑性成形之前加入适量的氢，降低合金的最佳应变速率敏感性指数m和延伸率，使形变激活能升高，降低超塑性变形时的流变应力，达到改善钛合金超塑性性能的目的。 对Ti-6A1-4V合金来说，在给定温度的超塑性变形条件下，氢含量为0.17wt%时可到降低流变应力和增加m 值的作用，同时使合金的超塑变形温度降低100以上（由900降低至785）。, 氢处理细化钛合金的微观组织 结合塑性变形技术制备超细晶钛合金，使钛合金在较低的变形温度和较高的变形速率下具有优异的

15、超塑性性能。600700C，如将Ti-6Al-4V中添加0.5wt%H, 合金晶粒尺寸可降低至0.30.5m；变形温度为800C, 应变速率为1.010-3s-1时，合金的延伸率将高达 6000%。, 氢处理细化钛合金的微观组织 结合塑性变形技术制备超细晶钛合金，使钛合金在较低的变形温度和较高的变形速率下具有优异的超塑性性能。 600700C时，如将Ti-6Al-4V中添加0.5wt%H, 合金晶粒尺寸可降低至0.30.5m；变形温度为800C, 应变速率为1.010-3s-1时，合金的延伸率将高达 6000%。, SPFDB（超塑性成型扩散连接）技术 在航空航天部件的生产上已得到越来越广泛的

16、应用。超塑性成型结构可使成本节省2040。 晶粒的超细化不仅使材料在常温下具有优异的力学性能，高应变速率超塑性或低温超塑性的实现，有利于提高超塑成形的效率及节省能源和降低模具的损耗, 在细晶超塑性研究中，首先要获得等轴细晶组织, 大塑性变形制备细晶的方法 利用大变形量获得超细晶材料：截面挤压(E-CAP)、高压扭转变形(Torsion Straining under High Pressure)、多道次轧制、高温多重等温锻造以及压缩变形等。 其中获得工业应用的主要有等温锻造工艺，目前我国已研制出万吨数控等温钛合金锻造液压机，其技术性能指标达到世界先进水平。该机的等温锻造超塑性成型速度可达到0.

17、0050.05mm/s。,利用大塑性变形法，已在TC4、TC11、Ti-10-2-3、TiAl等合金中获得了亚微米晶或纳米晶，变形温度为750800C时，利用SPFDB技术可将亚微米晶的Ti-6A1-4V合金板材成型出形状复杂、组织高度均匀的空心近净型件,多层蜂窝结构（ SPFDB 技术）, 固态自由成型技术（Solid Freeform Fabrication）, 成型无需硬模； 省时：一次成型，无需后续加工； 节省成本：成本降低1530%，材料利用率提高5； 既可制造简单零件，也可成型形状复杂的零件，特别 有利于复杂形状、多品种、小批量零件的生产； 成型材料性能介与铸造与锻造之间。,STL

18、 File E Beam Process Finished SFF Part, 电子束熔化成型: 由 CAD 文件控制电子束对钛金属粉末床进行熔化扫描,融化所需要的工件形状,这样将粉末一层层铺上去在扫描熔化.形成三维结构。,Principle of AeroMet Laser Additive Manufacturing unit, 激光熔化成型技术: 同 EBM相似 ,加热源换成了激光束.,德国Trumpf公司、美国的AeroMet公司利用激光熔化成型技术生产出形状复杂的零件，其中AeroMet公司利用该技术制成F22飞机支架，F/A-18E/F飞机机翼连接板的翼根加强筋，目前利用该技术制造

19、出Ti-6Al-4V,Ti-5Al-2.5Sn,Ti-4242s,Ti-62222s等合金零件. 另外，美国坩锅公司利用该工艺制成Ti-47Al-2Cr-2Nb板材，200150 32mm的-TiAl板材.,Schematic of MER Corp. Plasma Transferred Arc SFF Fabrication Process,Deposited Ti-6Al-4V Alloy Preform, 等离子变弧成型(PTA) 该方法是 美国的MER 公司正在研发的一种方法. 利用该方法可以将Ti沉积在钢上制成以Ta, Nb, V ，Ni为中间层的复合材料. 也可以在Ti-6Al-

20、4V的表面沉积WC陶瓷层提高钛合金的耐磨性能., 激光精密金属沉积（Laser Precision Metal Deposition） 在激光束的作用下将金属扁带喂入熔池中，材料利用率比其它自由成型技术又有所提高.,H&R Technologies Laser Flat Wire Deposition(USA),钛的应用,钛的应用 航空部门的应用,荷兰公司为F-16开发的钛合金起落架,飞机活动腹鳍前接头,飞机发动机,中国第一座原子反应堆回旋加速器,飞机钛合金接头,钛的应用 化工部门的应用（1）,钛的应用 化工部门的应用（2）,化工泵,化工 设备,钛合金石油测井仪器,钛合金的料架和料盘,医学领域

21、,医疗器械 心脏瓣膜 牙科 整形外科 骨折手术,钛及钛合金用作生物材料的主要驱动力,抗蚀性 生物相容性 生物粘附性 力学性能、加工性能和适用性,医疗器械,矩形钛质颈椎椎间融合器 旋转镍钛器械 体外取结石钛镍记忆合金医疗器械 钛镍记忆合金医用缝合线 钛镍记忆合金肠道吻合器,心脏瓣膜,薄型超轻钛碳心脏瓣膜 钛制作心脏起搏器 镍钛合金人工心脏瓣膜、心室,真正的人造心脏诞生 第一例人造心脏移植手术是由肯塔基州路易斯维尔大学的心脏外科医生拉曼格雷和罗伯特道林在犹太医院进行的，手术长达7个小时，获得了圆满成功。据悉，手术结束后，被植入了人造心脏的患者状况良好，自我感觉“非常舒适”。 这是一颗用医用塑料和金

22、属钛制造的人工心脏，是第一颗无须与外界进行管线联接的人造心脏，也无须从外界获得动力。在此之前，人造心脏都是临时性的，只是作为患者在获得他人捐赠的心脏之前的替代物。,牙科,Ni-Cr-Ti合金烤瓷牙 锤造超薄钛支架基托 纯钛人工牙种植体 人造牙根、牙列矫正丝及牙套 可摘局部义齿,整形外科,引用钛金变频超导波直接作用各类色斑 钛合金腿 人造关节,骨折手术,镍钛-聚髌器治疗粉碎性髌骨骨折 钛网融合器治疗胸腰段爆裂骨折 钛合金夹板治疗颌骨骨折的手术配合 钛合金表面氧化铝涂层组合式可调节下肢内假体,特殊接骨板,胫骨内踝,胫骨或肱骨近端,股骨近端或远端,股骨远端髁支持,桥接接骨板,实质为髓外的夹板固定 保

23、护骨折部位的血供 骨干的粉碎性型骨折 体现“生物学优先于力学”原则 需要间接复位技术 多数接骨板能作为桥接接骨 板使用,车辆工程,在汽车底板上的应用 在动力系统上的应用,在汽车中使用钛可减轻质量,降低燃料消耗,提高汽车的性能。据资料介绍,每降低10%的车体质量就可以减少10%废气排放量及节省7%的燃料消耗,因此,汽车的轻量化将会起到节能、环保的双重功效。,汽车底板,底板除了单纯减重外还直接影响驾驶舒适性。许多底板零件特别适合用钛。但价格依旧是它们应用的主要障碍,黑色STI钛纤维护底板,动力系统,动力阀是轻质结构材料在动力系统上一引人注目的应用。采用轻质阀可以减重，这对降低能耗和提高发动机性能具有积极作用，同时可以实现二次减重例如采用更轻的阀簧。 举例：德国汽车工业将生产高效轻质阀门的希望寄托于应用-TiAl合金。,钛在轻工业的应用,钛大约在10余年前出现于轻工业，并在生活日用品和玩具等领域首先获得应用，由于钛具有质轻、强度高、易于氧化着色等特点，钛制品深受消费者青睐！,1.日用品,眼镜架：目前市场出售的眼镜架有纯钛制品、TiNi超弹性合金制品以及和其它材料并用的不等 其优点是耐腐蚀、不变色、质轻,手表：用钛制作的手表在国外市场已早有出售，目前世界上已有十多家