钛及钛合金.ppt
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1、第一章第一章 钛及钛合金钛及钛合金n钛及钛合金发展至今,已有钛及钛合金发展至今,已有50多年历史,由于它具有多年历史,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。世界市场每年需求属材料。世界市场每年需求45万万t钛及钛合金。美钛及钛合金。美国是最大的钛消费国。国是最大的钛消费国。1994年用于军事宇航约年用于军事宇航约3200t,用于非军事商业宇航约,用于非军事商业宇航约7700t,用于非宇航业约,用于非宇航业约4800t,总共约,总共约15700t。日本则注重发展钛的耐蚀性。日本则注重发展钛的耐蚀性应用,应用,1994年总共消
2、费年总共消费4241t,耐蚀性商业纯钛占,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,以应用其高比强度为主的结构材料钛合金只占占468t,其中宇航应用的钛合金只占,其中宇航应用的钛合金只占32.7,非宇,非宇航用钛合金占航用钛合金占67.3,这其中又以消费品为主(占三,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。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,可达需求量预计不断增加,可达550t。我国钛和钛合金发。我国钛和钛合金发
3、展始于展始于20世纪世纪50年代中期,年代中期,1995年国外报道已具有年国外报道已具有生产生产2700t海绵钛和海绵钛和3600t钛及钛合金锭材的能力。钛及钛合金锭材的能力。n由于钛及钛合金具有优异的性能,各国都在大力发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已超过消费需求量的22.5倍(包括海绵钛及钛合倍(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,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,一些老的技术各国都在努力提高质量、降低
4、成本,一些老的技术已被淘汰。欧洲已关闭已被淘汰。欧洲已关闭 Deeside Titanium钛厂,钛厂,并不再生产海绵钛。与此同时,钛合金的发展却在并不再生产海绵钛。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。航领域用新型钛合金。n 本章着重介绍现代钛合金的基础理论和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。的发展。n 第一节第一节 钛的恃性及钛冶金基础钛的恃性及钛冶金基础n 一、钛的基本性质一、钛的基本性
5、质n (1)钛存在两种同素异构体)钛存在两种同素异构体及及。-Ti在在882以下稳定,具有以下稳定,具有h.c.P.结构。结构。-Ti稳定稳定于于882熔点熔点1678,具有体心立方结构。,具有体心立方结构。n (2)钛的体积质量小()钛的体积质量小(4.51gcm3),),比强度高,熔点高,塑性好,虽然其强度随温比强度高,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度升高而下降,但其比强度高的特性仍可保持到到550600。与高强合金相比,相同强度。与高强合金相比,相同强度水平可降低重量水平可降低重量 40以上,因此在宇航上有以上,因此在宇航上有巨大应用潜力。巨大应用
6、潜力。n(3)具有优良的耐蚀性,在室温下就能很快生)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(成一层具有极好保护性的钝化层(TiO2)。它)。它仅有纳米尺度,室温下长大极慢。许多介质中,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钛的耐蚀性极高;但在还原性介质中差一n些,不过可以通过合金化改善。些,不过可以通过合金化改善。n (4)钛的低温性能很好,在液氮温度下仍有)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良好的机械性能,强度高而仍保持有良好的塑性及韧性。性及韧性。n (5)弹性模量较低)弹性模量较低(
7、120GP),约为铁的),约为铁的 54。n (6)导热系数及线胀系数均较低。其导热系)导热系数及线胀系数均较低。其导热系数比铁低数比铁低4.5倍,使用时易产生温度梯度及热应倍,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。来的热应力问题。n 二、钛冶金基础二、钛冶金基础n 钛矿的存在形式是金红石(钛矿的存在形式是金红石(TiO2)及钛铁共)及钛铁共生矿(生矿(FeO-TiO2)。在我国还有钒钛铁矿。目)。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。前,生产金属钛都采用钛的氯化物热还原法。n第一步:将
8、钛铁精矿制成球团,再还原成高钛渣第一步:将钛铁精矿制成球团,再还原成高钛渣(w(TiO2)90)。)。FeO则还原得出铁副则还原得出铁副产品。产品。n第二步:进行氯化生成亚第二步:进行氯化生成亚TiCl4:n TiO2CCl2TiCl42COn再把纯再把纯 TiCl4 分离出来,得到纯净的液态分离出来,得到纯净的液态TiCl4。n 第三步:用镁或钠还原第三步:用镁或钠还原TiCl4,得到海绵钛。,得到海绵钛。n据国外报导,目前采用钠还原技术的工厂已大多被据国外报导,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
9、生产低成本粉末:产品,能够生产低成本粉末:n TiCl42MgMgCl2+Tin海绵钛是多孔金属,易吸收空气中的水分、氧气、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含有各神杂质元素,用镁还原的海绵钛的杂质含量见表见表11-1和表和表11-。n生产高纯钛可以采用碘化法,原理是利用金属碘化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(表至很低水平(表11-1和表和表1
10、1-2)。)。n电解精炼钛是以粗钛做阳极,在电解精炼钛是以粗钛做阳极,在700850熔盐熔盐中电解精炼,粗钛阳极溶解,纯钛在阴极沉淀,得中电解精炼,粗钛阳极溶解,纯钛在阴极沉淀,得到的金属纯钛杂质含量小于到的金属纯钛杂质含量小于02n第二节第二节 钛合金物理冶金基础钛合金物理冶金基础n一、钛合金二元相图一、钛合金二元相图n 以钛为基的二元合金相图大致可分为以钛为基的二元合金相图大致可分为四类,见图四类,见图11-lad。n a)合金兀素与)合金兀素与-Ti及及-Ti 形成连续形成连续固溶体(图固溶体(图11-1a),锗、铪等元素的),锗、铪等元素的性质与性质与Ti极相近,原子半径差别也不大,极
11、相近,原子半径差别也不大,因此可以形成连续固溶体。因此可以形成连续固溶体。nb)合金元素与)合金元素与-Ti形成连续固溶体,而与形成连续固溶体,而与-Ti只只形成有限固溶体(图形成有限固溶体(图11-1b),这类元素扩大),这类元素扩大相相区,缩小区,缩小相区,降相区,降相相相的相变温度,称为相的相变温度,称为相稳定元素。钛在周期表中的近邻,如钒、铌、相稳定元素。钛在周期表中的近邻,如钒、铌、钽、铼、钼属于这一类它们也是钽、铼、钼属于这一类它们也是b.C.C结构原结构原子尺寸也相差不大。子尺寸也相差不大。nC)此类合金元素与)此类合金元素与-Ti、-Ti都形成有限固溶体,都形成有限固溶体,相相
12、会发生共析分解,如图会发生共析分解,如图11-1C。这类元素有铬、。这类元素有铬、钴、钨、锰、铁、镍、铜、银、金、钯、铂等。钴、钨、锰、铁、镍、铜、银、金、钯、铂等。它们使它们使相由转变温度下降,所以也属于稳定相由转变温度下降,所以也属于稳定相元素。相元素。nD)合金元素与)合金元素与-Ti、-Ti都形成有限固溶体,但都形成有限固溶体,但相相由包析反应生成(图由包析反应生成(图11-1d,e),使),使相相转变转变温度升高,因而是温度升高,因而是相相稳定元素。主要元素有铝、稳定元素。主要元素有铝、硼、氧、氮、碳、钪、镓、镧、铈、轧、硼、氧、氮、碳、钪、镓、镧、铈、轧、l钕、锗钕、锗等,其中氮、
13、氧属于图等,其中氮、氧属于图 11-1d类简单的包晶相图类简单的包晶相图n二、主要合金元素与相的形成二、主要合金元素与相的形成 n 现有钛合金中的主要合全元素有钒、钼、铌、现有钛合金中的主要合全元素有钒、钼、铌、铬、铜、锰、铝、锆、锡及钽等可以分为三类:铬、铜、锰、铝、锆、锡及钽等可以分为三类:n第一类是第一类是相稳定元素,能提高相稳定元素,能提高相相相转变温度。相转变温度。铝是最常见的、最有效的铝是最常见的、最有效的相强化元素,能有效提高相强化元素,能有效提高低温和高温(低温和高温(550以下)的强度,同时铝的密度以下)的强度,同时铝的密度小,因此铝是钛合金中的一个基本合金元素。小,因此铝是
14、钛合金中的一个基本合金元素。n第二类合金元素(锡、锆)等能有效强化第二类合金元素(锡、锆)等能有效强化相,它们相,它们在在-Ti和和-Ti中均有大的固溶度,但对中均有大的固溶度,但对相相相相相相变温度影响较小,故有中性强化元素之称。它们的变温度影响较小,故有中性强化元素之称。它们的强化作用也可保持到较高温度。强化作用也可保持到较高温度。n第三类是第三类是相稳定元素,一般是降低相稳定元素,一般是降低相转变相转变温度。它又可以分为两小类:温度。它又可以分为两小类:n 第一小类是产生第一小类是产生相共析分解的元素,如相共析分解的元素,如铬、锰、铁、铜、镍、钴、钨等。随温度降铬、锰、铁、铜、镍、钴、钨
15、等。随温度降低,低,相会发生共析分解,析出相会发生共析分解,析出相及金属间相及金属间化合物相。共折反应的速率随元素而异,铜、化合物相。共折反应的速率随元素而异,铜、硅等合金化时,共析转变快,析出硅等合金化时,共析转变快,析出 TiCu2、Ti5Si3,而铁、锰、铬、钴、镍等合金化时则,而铁、锰、铬、钴、镍等合金化时则速率较慢,即使连续缓慢冷却,也可能转变速率较慢,即使连续缓慢冷却,也可能转变不完全,保留一些残余的不完全,保留一些残余的相。当快速冷却时,相。当快速冷却时,共析反应可以被完全抑制,过冷共析反应可以被完全抑制,过冷相可保留到相可保留到室温;当合金元素含量足够高时,室温;当合金元素含量
16、足够高时,相可以完相可以完全过冷到室温,而不产生相变。全过冷到室温,而不产生相变。n第二小类元素包括铌、钒、钼、铝等,二元第二小类元素包括铌、钒、钼、铝等,二元相图上不产生相图上不产生相共折分解,但慢冷时析出相共折分解,但慢冷时析出相,快冷时有相,快冷时有马氏体相变。随着合金元马氏体相变。随着合金元素含量达到临界值,快冷使素含量达到临界值,快冷使相成为室温稳相成为室温稳定相。研究表明,定相。研究表明,w(Mo)=10,w(V)=15,w(Nb)=36,w(Ta)=60时,可使时,可使相成为室温稳定相成为室温稳定相。可以以此临界含量表示该元素稳定相。可以以此临界含量表示该元素稳定相相的能力。由此
17、可见,的能力。由此可见,相稳定能力依钼钒相稳定能力依钼钒铌钽次序变小。同样,可以根据元素在铌钽次序变小。同样,可以根据元素在相中的溶解度来评价元素稳定相中的溶解度来评价元素稳定相的能力,相的能力,当温度接近当温度接近 600时,钼在时,钼在相中的质量分相中的质量分数为数为0.8%,钒为,钒为 1%3.5,铌为,铌为3%4,钽为,钽为6 12.5,因此,稳定,因此,稳定相的能力也是钼钒铌钽。相的能力也是钼钒铌钽。n 当成分达到当成分达到C2时,马氏体转变完全时,马氏体转变完全抑制,只有残留抑制,只有残留相存在。这种残余相存在。这种残余相相在机械外力作用下是不稳定的,可在应力在机械外力作用下是不稳
18、定的,可在应力作用下分解,称为机械不稳定作用下分解,称为机械不稳定相相(M,H),分解形成,分解形成相。当含量相。当含量C3时,时,应力不再起作用,残余应力不再起作用,残余相保持稳定,不相保持稳定,不再分解,称为机械稳定再分解,称为机械稳定相(相(M,C)。实。实际上,此相并非热力学稳定,回火时就会际上,此相并非热力学稳定,回火时就会分解生成弥散的分解生成弥散的质点,只有当元素含量质点,只有当元素含量超过超过C4才得到室温热力学稳定的(才得到室温热力学稳定的(T,C)相,如表相,如表11-3。合金元素含量不同时可能合金元素含量不同时可能获得不同的快冷组织。当获得不同的快冷组织。当含量较低时,产
19、发生马氏含量较低时,产发生马氏体相变,形成体相变,形成相。马氏体相。马氏体转变的开始和终了曲线分转变的开始和终了曲线分别以别以Ms和和Mf线表示,可以线表示,可以看出,当含量达到看出,当含量达到C之前,之前,相在快冷淬火时发生完全相在快冷淬火时发生完全的马氏体相变,在成分的马氏体相变,在成分C1到到C2区间,可以有部分区间,可以有部分相残留下来,得到相残留下来,得到十残余十残余相组织。有时,淬火温度相组织。有时,淬火温度过高时,会形成一种过高时,会形成一种相。相。n马氏体是马氏体是 h.C.P结构,是合金元素在结构,是合金元素在相中相中的过饱和固溶体。的过饱和固溶体。相变是非扩散型马相变是非扩
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