8.1第八章+有色金属及其合金-钛合金

民用飞机的上各种材料用量的变化趋势：复合材料和钛合 金的用量不断增多。
波音民机机体上钛合金和复合材料的用量（%）
机型
钛合金 复合 材料
B707
0.2
B727
1
B737
2.2
B747 B747SP B757
2.5 4 1 6 3
B767
2 3
B777
7 11
B787
15 50
空客民机机体上钛合金和复合材料的 用量（%） 机型
50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 1995年 1997年 1999年 2001年 2003年 2005年 2007年 年份
2011年1-12月，中国海绵钛 累计生产8.58万吨，同比增长 17.16%；
2011年宝鸡钛业股份有限公司钛材产 量2.8万吨 占世界约20%
882.5度同素异构转 变 (α-Ti↔β-Ti)。 与氧、氮、碳和氢剧 烈反应。 价格昂贵。主要用于 价格不是关键因素的 先进应用场合。 高强度和韧性。
⑴密度小、比强度高：密度约为钢或镍合金一半，比强度高 于铝合金及高合金钢。
⑵导热系数低：为低碳钢的五分之一，
铜的二十五分之一。耐热性高：因熔点 高，使得钛被列为耐高温金属。
的滑移则发挥着主导作用。反之，对于，则{0001}是主要滑移面。
纯钛强度随温度升高而降低，加热到250℃时抗拉强度减小 一半。500℃以下加热时断面收缩率变化很小，而伸长率连续下 降；500℃以上，塑性随温度提高而增加，接近转变温度时，出 现超塑性(A>100％)。 纯钛有良好的低温塑性，特别是间隙元素含量很低的α型合 金适宜在低温下使用，如在火箭发动机或载人飞船上作超低温 容器。 钛的疲劳性能特点与钢类似，具有比较明显的物理疲劳极 限，纯钛的反复弯曲疲劳极限为0.6～0.8Rm，钛的疲劳性能对金 属表面状态及应力集中系数比较敏感。 钛的耐热性比铁和镍低。这与钛原子自扩散系数大和存在 同素异晶转变有关。钛的耐磨性较差，通过渗氮、碳、硼可提 高其耐磨性。
化学性质 室温下钛比较稳定。 高温下活泼，熔化态能与大多数坩埚造型材料发生作用。 高温下与卤素、氧、硫、碳、氮等进行强烈反应。 钛在真空或惰性气氛下熔炼，如真空自耗电弧炉、电子束 炉、等离子熔炉等设备中熔炼。 钛在氮气中加热会发生燃烧，钛尘在空气中会发生爆炸， 所以钛材加热和焊接宜用氩气作保护气体。 钛在室温可吸收氢气，500℃以上吸气能力更强烈，可作为 高真空电子仪器的脱气剂；利用钛吸氢和放氢的特性，可以作 储氢材料。
工艺性能 钛可进行锻造、轧制、挤压、冲压等各种压力加工；加热钢 材用的设备都可用于钛材加热，要求炉内气氛保持中性或弱氧化 性气氛，绝不允许使用氢气加热。 钛的屈强比0.70～0.95，变形抗力大；弹性模量相对较低， 因此钛材在加工成型时比较困难。
纯钛具有良好的焊接性能，焊缝强度、延性和抗蚀性与母材 相近。为防止焊接时的污染，须采用钨极氩气保护焊。 钛的切削加工较困难。主要原因是钛的摩擦系数大，导热性 差，热量主要集中在刀尖上，使刀尖很快软化；同时钛的化学活 性高，温度升高易粘附刀具，造成粘结磨损。切削加工时，应正 确选用刀具材料，保持刀具锋锐，并采用良好的冷却。
年量/吨
2006年 14万吨
军用飞机上的各种材料用量的变化趋势：复合材料和钛 合金的用量逐渐增多
美国军用飞机上各种材料用量占机体结构总量的百分比
机型 复合 材料 钛合金 铝合金 钢 F-16 3 2 83 5 YF-17 F/A-18 F/A-18 F/A-18 F/A-22 F-35 A/B C/D E/F 8 7 73 10 9.5 12 50 15 10 13 50 16 23 15 29 14 24 41 15 5 36 27 B-1 29 21 41 9 B-2 38 26 19 6 X-45A X-45B 50 90
HCP α phase structure
α ＋β球形（ 0.3% Fe ）
Hot-rolled structure
氢对纯钛及钛合金性能的影响
氢对纯钛及钛合金性能的影响就是引起氢脆。 氢在β-Ti中溶解度比α-Ti中大得多，且在α-Ti中的溶解度随温 度降低而急剧减少，当冷却到室温时，析出脆性氢化物TiH2，使 合金变脆，称为氢化物氢脆。 含氢α-Ti在应力作用下，促进氢化物析出，由此导致的脆性叫 做应力感生氢化物氢脆。 溶解在钛晶格中的氢原子，在应力作用下，经过一定时间会 扩散到晶体缺陷处，与那里的位错发生交互作用，使位错被钉扎， 引起塑性降低。当应力去除并静臵一段时间，再进行高速变形时， 塑性又可以恢复，这种脆性称为可逆氢脆。 钛及钛合金中氢含量小于0.015％时，可避免氢化物型氢脆， 但无法避免应力感生氢化物氢脆和可逆氢脆。 减少氢脆的措施是减少氢含量，如严格控制原材料纯度、采 用真空熔炼、用中性或弱氧化性气氛加热、惰性气体保护焊接、 尽量避免酸洗增氢等。用真空退火去氢。
钛及钛合金
1 2 3 4 概述 纯钛 钛合金 钛合金的应用
1 概述
钛的名字源于Titans，即希腊神话中地球上大力士。 地壳中钛元素含量位列第四 (0.86%) ，居铝、铁、镁之后。 自然界中不存在纯钛，仅以氧化物存在，如FeTiO3、TiO2。 强度与钢相当，而密度几乎仅有钢的一半。
Rutile (TiO2)
第三代客机 第四代客机 第五代客机
A320
钛合金
复合材料
4.5
6 10
5.5
8 22
A340 A380
航空发动机的各种材料用量的变化趋势：
钢、铝时代→冷端以钛为主、热端以镍为主的镍、钛、钢时 代→未来：部分地被树脂基、金属基、陶瓷基复合材料和金 属间化合物所取代。
2 钛的物理冶金
钛的特性
晶体结构： 原子半径： 密度： 熔点：
电子束熔炼 由炉壁侧底面加入要熔化的材料，熔化热源为 电子束。 金属液体位于坩埚 上部，这样就获得了优 质铸锭。
感应凝壳熔炼法
水冷铜坩埚可避免炉衬材料的污染； 装入坩埚中的金属受感应电源的磁场作用而熔化； 熔化的金属液体在坩埚底、侧壁凝固形成壳层； 生产低成本、高质量钛合金。
3
力学性能
纯钛
纯钛力学性能与纯度有关：间隙杂质（氧、氮、碳）含量增
氢可提高高温形变塑性，即提高热塑性或超塑性。生产上先 将氢渗入合金中，然后高温变形，再通过真空退火去氢。增塑的 原因是氢降低钛的形变激活能，即降低钛原子扩散迁移所必须克 服的能垒，提高了变形过程中扩散协调变形能力；同时氢原子在 高温下分布较均匀，减小了局部弹性畸变；氢有促进晶粒细化作 用，从而改善高温热塑性。
一百多度的考验，在这种低温下，
⑶无磁性：强磁场中不被磁化。
⑶无毒且与人体组织及血液有很好的相容性。
⑷导电性能差（为铜的3.1%）、热膨胀系数小（与玻璃相
近）。
⑸吸气：钛的化学性质非常活泼，高温下易与碳、氢、氮及氧
发生反应，可做储氢材料。
(6)耐蚀性好：空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密 的、附著力强、惰性大的氧化膜，保护钛基体不被腐蚀。
杂质元素对钛性能的影响
杂质元素主要有氧、氮、碳、氢、铁和硅。 氧、氮、碳、氢为间隙型元素；铁、硅为臵换型元素，可以 固溶在α相或β相中，也可以化合物形式存在。 钛的硬度对间隙型杂质元素很敏感，杂质含量愈多，钛的硬 度就愈高。 综合考虑间隙元素对硬度的影响，引入氧当量： O当=O％+2N％十0.67％ 氧当量和硬度的关系为： HV=65+310· O0.5当。
耐蚀性能 常温下钛表面极易形成由氧化物、氮化物组成的钝化膜，它在大 气及许多浸蚀性介质中非常稳定，具有很好的抗蚀性。 大气、海水、氯化物水溶液及氧化性酸(硝酸、铬酸等)和大 多数有机酸中，钛抗蚀性相当于或超过不锈钢，在海水中耐蚀性 极强，可与白金相比，是海洋开发工程理想的材料。 钛与生物体相容性好，无毒，适做生物工程材料。 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。 另外，钛合金有热盐应力腐蚀倾向。 550℃以下钛与氧形成保护作用良好的致密氧化膜。538℃以 下，钛的氧化符合抛物线规律。但在800℃以上，氧化膜分解， 氧原子以氧化膜为转换层进入金属晶格，此时氧化膜已失去保护 作用，使钛很快氧化。
精炼时，非金属杂质和熔渣发生反 应，熔融金属中的夹杂物被电渣吸 收去除。 属于非直接结晶，消除了中心结晶 孔，提高了均匀性
等离子弧熔炼(PAM) 它是对真空电弧熔炼的改进
在水冷铜坩埚中熔化金属；
所用热源为等离子枪或电子束 ；
与坩埚壁接触的金属液形成凝固 壳层 (凝固的钛) ，而熔融的钛合 金浮于壳层上部， 阻止坩埚污染 钛合金熔体； 大密度夹杂物沉积到坩埚底部而 去除。
氮、氧、碳都提高α+ β／β相变温度，扩大α相区，属α稳定 元素。均可提高强度，急剧降低塑性，其影响程度按氮、氧、碳 递减。为了保证合金的塑性和韧性，工业钛合金中氢、氧、氮、 碳含量分别控制在0.015％、0.15％、0.05％，0.1％以下。低温用 钛及钛合金，由于氧、氮和碳提高塑－脆转化温度，应尽量降低 它们的含量，特别是氧含量。 微量铁和硅在固溶范围内与钛形成臵换固溶体，它们对钛的 性能影响没有间隙杂质元素那样强烈。作为杂质时，铁和硅的含 量分别要求小于0.3％和0.15％，但有时也作为合金元素加入。
钛的应用
航空航天、 海洋、化工、 生物医学 材料、运动器材
钛合金的生产
提取工艺 ： Kroll 提取工艺 熔化工艺：
电渣精炼法Electroslag Refining (ESR) 真空电弧重熔法Vacuum Arc Remelting (VAR) 电子束熔炼 (EBM) 等离子熔炼(PAM) 感应凝壳熔炼法
耐低温：低温下保持良好的韧性及塑性，
是低温容器的理想材料。 钛飞机