钛和钛合金的物理化学性质
单质钛的性质及其化学反应(详细版)
单质钛的性质及其化学反应成都工业学院材环工程学院邹建新攀枝花学院钒钛工程学院钒钛资源综合利用四川省重点实验室彭富昌钛及钛合金具有一系列特点，如它的密度小、比强度高、耐热性能好、耐低温的性能也好，它具有优良的抗蚀性能，并且它的导热性能差、无磁、弹性模量低，但是它具有很高的化学活性。
钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%，断面收缩率可达70-80%，但强度低，不宜作结构材料。
钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通过严格控制其中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的。
1．钛原子结构和在周期表中的位置a．钛原予结构钛的原子序数是22，原子核由22个质子和20～32个中子组成。
原子核半径为5×10－13cm。
原子核外22个电子结构排列为1s22s22p63s23p63d24s2。
原子失去电子的能力用电离能来衡量。
钛原子的电离能见表1－1。
表1－1 钛原子的电离能失去电子的次序名称电离能/J1 4s 1.09×10－182 4s 2.17×10－183 3d 4.40×10－184 3d 7.06×10－185 3p 16.06×10－186 3p 19.51×10－187 3p 22.9×10－188 3p 27.8×10－18由表1－1可见，钛原于的4s电子和3d电子的电离势较小，都小于8×10－18J，因此容易失去这4个电子。
3p电子的电离势都在16.06×10－18J以上，是根难失去的。
所以，钛原子的价电子是4s23d2，钛的最高氧化态通常是正四价。
钛原子半径和离子半径见表1－2。
表1－2 钛原子半径和离子半径原子或离子Ti Ti＋Ti2＋Ti3＋Ti4＋半径r/nm 0.146 0.095 0.078 0.069 0.064 已发现钛有13种同位素，其中稳定同位素5个，其余8个为不稳定的微量同位素。
钛合金介绍 PPT课件
钛合▪金自高热温β处相稳理定基区冷础却下来， β相发生分解。
▪当转变温度T3时，转变终了得α+β相。 ▪当转变温度T2时，先是β→β+ω，此时ω为介 稳定相，再进一步转变为β+ω→ β+α+ω→β+α。
▪当转变温度为T1时，发生β→β+ω相变。 ▪三种情况下相应的硬度变化见图。ω相均匀细 小，析出明显强化合金，但一般同时引起严重 脆性。因此，ω相沉淀硬化是难以接受的。
钛合金的强韧化基础－α+β钛合金
2. α+β钛合金
➢Ti-6Al-4V是应用最广泛的α+β钛合金，其强度特性可通过控制α、 β二相的相对含量及金相形态而变化。退火态合金拉伸强度约 900MPa，而固溶时效态可以获得1200MPa。一般说来通过组织细 化和β相变控制，可以获得高强度。首先经α+β两相区热加工后控 制固溶处理，得到细而均匀分布的一次α相，再时效得到在前β相 区析出细的二次α相质点。细的等轴α结构还具有较高的塑性、疲 劳裂纹形成阻力和高温低周疲劳强度。
仍保持良好的塑性及韧性)
➢耐腐蚀性能(钝化层（TiO2）,纳米尺度，室温下长大极慢) ➢吸气性能（储气、干燥）
纯钛特点
纯钛：一种银白色的金属
特点：
是很活泼的元素。
有很好的钝化性能，钝化膜很稳定，在许多环境中表现出 很好的耐蚀性。有“耐海水腐蚀之王”之称。
高温下，钛的化学活性很高，能与卤素、氧、氮、碳、硫 等元素发生剧烈反应。
▪再增加冷速，可以不发生相变得到室温介稳的 β相，或者得到β→α马氏体相变，得到α马氏体 相（当β稳定剂小于临界浓度时）；在随后的 时效时，马氏体又可以分解析出细小β相。
钛及钛合金标准与钛十大性能
钛作者：商占法介绍钛是一种金属元素，灰色，原子序数22，相对原子质量47.87。
能在氮气中燃烧，熔点高。
钛的密度为4.54g／cm3，比钢轻43% ，比久负盛名的轻金属镁稍重一些。
机械强度却与钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍。
钛耐高温，比黄金和钢都高的多。
钝钛和以钛为主的合金是新型的结构材料，主要用于航天工作和航海工业，在石油化工行业也有较多的应用。
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，钛虽然稍稍比铝重一点，它的硬度却比铝大2倍。
现在，在宇宙火箭和导弹中，就大量用钛代替钢铁。
据统计，目前世界上每年用于宇宙航行的钛，已达一千吨以上。
极细的钛粉，还是火箭的好燃料，所以钛被誉为宇宙金属，空间金属。
钛的耐热性很好，熔点高达1660℃℃。
在常温下，钛可以安然无恙地躺在各种强酸强碱的溶液中。
就连最凶猛的酸——王水，也不能腐蚀它。
钛不怕海水，有人曾把一块钛沉到海底，五年以后取上来一看，上面粘了许多小动物与海底植物，却一点也没有生锈，依旧亮闪闪的。
现在，人们开始用钛来制造潜艇——钛潜艇。
由于钛非常结实，能承受很高的压力，这种潜艇可以在深达4500米的深海中航行在常温下，钛不会被稀盐酸、稀硫酸、硝酸或稀碱溶液所腐蚀；只有氢氟酸、热的浓盐酸、浓硫酸等才可对它作用。
钛合金有好的耐热强度、低温韧性和断裂韧性，故多用作飞机发动机零件和火箭、导弹结构件。
钛合金还可作燃料和氧化剂的储箱以及高压容器。
现在已有用钛合金制造自动步枪，迫击炮座板及无后座力炮的发射管。
在石油工业上主要作各种容器、反应器、热交换器、蒸馏塔、管道、泵和阀等。
钛可用作电极和发电站的冷凝器以及环境污染控制装置。
钛镍形状记忆合金在仪器仪表上已广泛应用。
在医疗中，钛与人体有很好的相容性,可作人造骨头和各种器具。
钛还是炼钢的脱氧剂和不锈钢以及合金钢的组元。
钛白粉是颜料和油漆的良好原料。
碳化钛，碳（氢）化钛是新型硬质合金材料。
氮化钛颜色近于黄金，在装饰方面应用广泛。
钛及钛合金知识
第3章钛及钛合金3.1 概述3.2 纯钛3.3 钛合金3.4 钛合金的应用3.1 概述1791年英国化学家格雷戈尔研究钛铁矿和金红石时发现了钛。
1795年，德国化学家克拉普罗特在分析匈牙利产的金红石时也发现了这种元素。
格雷戈尔和克拉普罗特当时所发现的钛是粉末状的二氧化钛，而不是金属钛。
到1910年美国化学家亨特第一次制得纯度达99.9%的金属钛。
钛在地壳中的丰度占第七位，0.42%，金属占第四位（铝、铁、镁、钛）。
以钛铁矿或金红石为原料生产出高纯度四氯化钛，再用镁作为还原剂将四氯化钛中的钛还原出来，由于还原后得到钛类似海绵状所以称为海绵钛，最后以海绵钛为原料生产出钛材和钛粉。
1947年才开始冶炼，当年产量只有2吨。
1955年产量2万吨。
1975年产量7万吨。
2006年产量14万吨钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积钢铁的一半，钛虽然比铝重，它的硬度却比铝大2倍。
在宇宙火箭和导弹中，已大量用钛代替钢铁。
极细的钛粉，还是火箭的好燃料，所以钛被誉为宇宙金属，空间金属。
3.2 纯钛⑴密度小，比强度高：钛密度为4.51g/cm3，约为钢或镍合金的一半。
比强度高于铝合金及高合金钢。
⑵导热系数小：钛的导热系数小，是低碳钢的五分之一，铜的二十五分之一。
⑶无磁性，无毒：钛是无磁性金属，在很大的磁场中不被磁化，无毒且与人体组织及血液有很好的相容性。
⑷抗阻尼性能强：钛受到机械振动及电振动后，与钢、铜相比，其自身振动衰减时间最长。
⑸耐热性强：因熔点高，使得钛被列为耐高温金属。
⑹耐低温：可在低温下保持良好的韧性及塑性，是低温容器的理想材料。
⑺吸气性能高：钛的化学性质非常活泼，在高温下容易与碳、氢、氮及氧发生反应。
⑻耐腐蚀性佳：在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。
物理性能：属第四副族ⅣB族元素，原子序数为22，原子量为47.9。
有两种同素异晶体，其转变温度为882.5℃。
钛的冶炼与制备方法
02
在轧制过程中，钛金属经过多道次的轧制和退火处理，以获得
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
所需的机械性能和显微组织。
轧制工艺可以生产出各种规格的钛板、钛带、钛箔等产品，广
03
泛应用于航空、航天、医疗等领域。
钛的热处理工艺
1
热处理是钛加工中重要的工艺过程，通过控制加 热、保温和冷却条件，改变钛金属的内部结构和 性能。
2
钛的热处理工艺主要包括退火、固溶处理、时效 处理等，可以改善钛金属的强度、韧性、耐腐蚀 性等性能。
体育用品领域
钛可以用于制造高尔夫球杆、自行车架等高性能 体育器材。
02
钛的冶炼方法
镁还原法
总结词
利用镁还原四氯化钛制备海绵钛的方 法，具有工艺成熟、操作简单等优点 。
详细描述
将四氯化钛与镁反应，生成钛和氯化 镁，再通过蒸馏分离氯化镁，得到海 绵钛。该方法是目前工业上制备海绵 钛的主要方法之一。
钠还原法
05
钛的应用领域
航空航天领域
要点一
飞机制造
钛合金由于其高强度、低密度和良好的耐腐蚀性，广泛应 用于飞机机身、机翼、发动机部件等制造。
要点二
卫星与火箭
钛也用于卫星和火箭的结构部件，如燃料箱、支架和连接 件等。
医疗领域
医疗器械
钛由于其生物相容性和耐腐蚀性，被用于制造医疗器械 ，如牙科植入物、手术器械和矫形设备等。
医疗植入物
钛合金广泛用于制造人工关节、骨板和骨钉等医疗植入 物，因为它们与人体相容性好，不易引起排异反应。
化工领域
化学反应容器
钛耐腐蚀性强，可用于制造化学反应 容器和管道，用于运输和储存各种化 学物质。
石油和天然气开采
钛用于制造石油和天然气开采过程中 的管道、阀门和泵等设备，能够承受 高腐蚀性的工作环境。
钛化合物性质
1．钛钛及钛合金具有一系列特点．如它的密度小、比强度高、耐热性能好、耐低温的性能也好，它具有优良的抗蚀性能，并且它的导热性能差、无磁、弹性模量低，但是它具有很高的化学活性。
A．钛原子结构和在周期表中的位置a．钛原予结构钛的原子序数是22，原子核由22个质子和20～32个中子组成。
原子核半径为5×10－13cm。
原子核外22个电子结构排列为1s22s22p63s23p63d24s2。
原子失去电子的能力用电离能来衡量。
钛原子的电离能见表2－1。
表2－1 钛原子的电离能由表2－1可见，钛原于的4s电子和3d电子的电离势较小，都小于8×10－18J，因此容易失去这4个电子。
3p电子的电离势都在×10－18J以上，是根难失去的。
所以，钛原子的价电子是4s23d2，钛的最高氧化态通常是正四价。
钛原子半径和离子半径见表2－2。
表2－2 钛原子半径和离子半径已发现钛有13种同位素，其中稳定同位素5个，其余8个为不稳定的微量同位素。
钛的同位素及其性质列于表2－3。
表2－3 钛的同位素及其性质b．钛在周期表中的位置钛是元素周期表中第四周期的副族元素，即IV B族(又称为钛副族)元素。
这族元素除钛（22Ti）外，还有锆（40Zr），铪（72Hf）和人工合成元素104Ku。
钛、锆、铪原子的外层电子结构分别为：Ti[Ar]3d24s2，Zr[Kr]4d25s2，Hf[Xe]5d26s2。
由此可见，钛族元素的原子具有相似的外电子构型，即价电子都是d2s2，因而钛、锆和铪的原子半径相近，它们的许多性质也相似，彼此可以形成无限固溶体。
不过，钛、锆、铪及它们的化合物在性质上也有差异。
例如，TiO2是两性氧化物，而ZrO2、HfO2为碱性氧化物；TiCl4是弱酸性化合物，而ZrCl4、HfCl4则为两性化合物。
IV A族，即碳族元素的原子也和IV B族具有相似的外电子构型，不过其价电子不是d2s2，而是s2p2。
钛及其化合物性质(补充))
钛及其化合物性质1、自然界存在：钛在自然界存在丰度0.42%，在所有元素居第10位，我国含量丰富。
钛的主要钛铁矿（FeTiO3）和金红石（TiO2）。
2、钛单质此，一般金属在酸、碱、盐的溶液中变得千疮百孔而钛却安然无恙。
液态钛几乎能溶解所有的金属，因此可以和多种金属形成合金。
钛加入钢中制得的钛钢坚韧而富有弹性。
钛与金属Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金属间化合物。
钛合金制成飞机比其它金属制成同样重的飞机多载旅客100多人。
制成的潜艇，既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。
同时，钛无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监护作用。
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、肩关节、胁关节、头盖骨，主动心瓣、骨骼固定夹。
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。
钛在人体中分布广泛，正常人体中的含量为每70kg体重不超过15mg，其作用尚不清楚。
但钛能刺激吞噬细胞，使免疫力增强这一作用已被证实】3、钛的冶炼钛在1791年被发现，而第一次制得纯净的钛却是在1910年，中间经历了一百余年。
原因在于：钛在高温下性质十分活泼，很易和氧、氮、碳等元素化合，要提炼出纯钛需要十分苛刻的条件。
工业上常用硫酸分解钛铁矿的方法制取二氧化钛，再由二氧化钛制取金属钛。
浓硫酸处理磨碎的钛铁矿（精矿），发生下面的化学反应：FeTiO3+3H2SO4 == Ti(SO4)2+FeSO4+3H2O FeTiO3+2H2SO4 == TiOSO4+FeSO4+2H2OFeO+H2SO4 == FeSO4+H2O Fe2O3+3H2SO4 == Fe2(SO4)3+3H2O 为了除去杂质Fe2(SO4)3，加入铁屑，Fe3+还原为Fe2+，然后将溶液冷却至273K以下，使得FeSO4.7H2O（绿矾）作为副产品结晶析出。
钛及钛合金的性能
钛及钛合金的性能1.钛的原子结构铁在元素周期表中位于W。
族第四长周期中，原子序数为22,原子核半径为5x10一”cm,钛原子的22个外层电子在各电子层的分布为一s22s22p63s23少3d 24s'，其特点是d电子层不充满，属于过渡金属。
钛原子的价电子是4s23d2 ,钛的氧化钛最高价通常是正四价。
铁原子半径和离子半径如下:钛的相对原子质量是47.90，其主要五种稳定的同位素相对原子质量有46 ,47 ,48 ,49 ,50 ,其中相对原子质量为48的同位素在自然界中的相对含量最高，达到了73.45%。
还有八种不稳定的微量同位素，它们的同位素相对原子质量有42,43,44,45,51,52 ,53 ,541.1.2钛的物理性能1.1.2.1钛晶体结构及相转变钛有两种同素异构体即a相和日相，其同素异构转变温度为882.5℃，在转变温度以下为密排六方结构(hcp)的a相，而在882.5℃以上为体心立方结构(bee)的日相。
a-Ti在25℃时的点阵常数为a=(0.29503 1 0.00004) nm, c二(0.46831 1 0.00004) nm ,c/a = 1.5873 1 0. 0004;日- Ti在25℃时的点阵常数为a二(0.32320士0.00001) nm，在900℃时的点阵常数为a二(0.33065士0. 00001) nm。
由于a-Ti的c/a比值小于理想椭球形轴比1.633，所以钛是具有可锻性的金属。
钛的晶型转变潜热为3.68一3. 97 kJ/mold钛的熔点为(1668t4)℃，铁的溶化潜热范围是15.46一20.9 kJ/mol,熔点时液态钛的表面张力为1.588 N/m,1730℃时液态钛的动力私度为8.9 x10 -S m2/s,钛的沸点为(3260土20) 9C，气化潜热为428.5 -470. 3 kJ/mold钛的临界温度大约为4350`C，临界压力为113 MPao1.1.2.2密度和线膨胀系数在20℃时，a-Ti的密度为4.500 -4.516扩c耐。
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钛和钛合金的物理化学性质
1.钛和钛合金的物理性质
金属钛具有两种同素异构体，温度低于882.5℃时的稳定态晶体α，为密排六方结构，在882.5℃以上的稳定态晶体β，为体心立方结构。
α-Ti在20℃的密度为4.51g/cm3，与氧形成间隙固溶体时，晶格发生明显的畸变，其密度也随之增大。
β-Ti在900℃时的密度约4.32g/cm3，在熔化温度时为4.19g/cm3。
在25℃时，纯钛的比热容约为0.011J/（g·K），它随温度的升高而增加。
钛的熔点是1668℃。
由于熔融钛几乎可与一切耐火材料发生反应，因此测量其熔化潜热较为困难，现已测得的熔化潜热范围是15.5～20.9kJ/mol。
钛的沸点是（3260±20）℃，汽化潜热为428.5～
470.3kJ/mol。
钛的导热性较差，其热导率比不锈钢略低。
钛单晶的线膨胀系数是各向异性的，在0℃时a轴方向为7.34×10-6/℃，c轴方向为8.9×10-6/℃；在20～300℃时，α-Ti多晶体的平均线膨胀系数为8.2×
10-6/℃。
钛和钛合金的线膨胀系数与光学玻璃的线膨胀系数相近，是人造卫星相机镜头框架和其他光学仪器框架的理想结构材料。
2.钛和钛合金的化学性质
钛的原子结构决定了钛是一种化学性质活泼的金属，能与多种元素发生化学反应，特别是空气中的O、N、H及C等，此外还与卤素、P和S以及各种常用的耐火材料等发生化学反应。
（1）与O的反应
致密的钛在常温的空气中是很稳定的，当它受热时便开始与O发生反应。
钛与O反应初期，O进入钛表面晶格中，形成一层致密的氧化膜，它可防止O再向内部扩散，所以钛在500℃以下是稳定的。
随着受热温度的提高氧化膜逐渐增厚，氧化物的厚度和颜色也不同。
温度继续升高，金属钛表面生成的氧化膜开始溶解，O向钛的内部晶格扩散。
钛被氧化的速度取决于O向钛内部扩散的速度。
当温度高于700℃时，O向钛内部的扩散加速。
温度继续升高时，开始生成较大厚度的灰色氧化膜，这些氧化膜不致密，呈多孔状且易破碎，完全失去了作用。
温度进一步升高，加热的时间足够长时，则生成容易剥落的淡黄色多孔鳞片状氧化物层。
当温度达到1200～1300℃时，钛开始与空气中的氧发生剧烈的放热反应。
在纯氧中，钛与O发生激烈反应的起始温度比在空气中低，500～600℃时钛便在氧气中燃烧。
钛与O发生反应，可生成钛的各种氧化物，如Ti3O2、Ti2O2、TiO、Ti3 O5、TiO2等。
钛中加入合金元素，对其氧化性能有一定的影响，如Mo、W和Sn的加入可降低钛的氧化速度，而Zr的加入则会提高氧化速度。
（2）与N的反应
常温下钛与N不发生反应。
在800℃以上，钛能在氮气中燃烧。
熔融钛与N的反应十分激烈。
钛与N的反应，生成的产物除Ti3N和TiN 外，还形成Ti-N固溶体。
钛被加热，温度达到500℃时开始与N反应，600℃以上钛吸N的速度明显加快，但比吸O的速度慢。
N与钛反应，也是在表面上生成薄膜，早期所生成的薄膜可紧密地与钛表面结合，随着厚度增加薄膜开始发生破裂。
钛与氮气反应生成氮化钛（TiN）薄膜，尽管是钛氮化物中最稳定的一种化合物，但当它以薄膜形态存在于钛表面时，却不能有效地保护钛不受氧化，这是因为固体氮化钛在1200℃下与氧迅速反应，并将氮释放出来。
（3）与H反应
钛与H的反应和钛与O、N的反应不同，它是可逆反应。
更重要的是H原子尺寸小，易于扩散到钛晶格内部形成间隙固溶体。
钛吸H的速度与温度和氢气压力有关。
常温下钛吸收H的质量分数小于0.002%。
当温度升高到250～300℃时，钛开始明显地吸H，但过程比较缓慢。
当温度高于300℃时，不带氧化膜的钛吸H速度明显加快，到500～600℃时达到最大值，在数秒内即可达到平衡。
钛吸收的H在其表面和基体中形成氢化物，当它们达到一定浓度时，钛和钛合金变脆，即氢脆。
继续加热到600℃以上时，随温度升高，钛吸H量反而下降。
（4）与C、Si及化合物的反应
石墨化的C相对于钛是惰性的。
所以石墨一直作为钛的铸型材料，甚至制作坩埚，供熔炼使用。
但未完全石墨化的C，高于一定的温度时能与钛发生反应。
C在钛中的溶解度较小，在900℃时最大溶解度为0.48%；在1750℃时，C在钛中的溶解度达到最大值为0.8%。
正是由于C在钛中的溶解度都很小，当钛中C含量较大时便会在组织中出现游离的碳化钛结构。
钛与Si的反应，也只有在高温下才会发生，反应生成高熔点的硅化物
Ti5Si3、TiSi和TiSi2等。
钛与各种酸，如盐酸、硝酸、氢氟酸等都能发生反应，其中浓硝酸、氢氟酸是钛和钛合金的酸洗液中不可缺少的组分。
（5）与水蒸气的反应
水蒸气是钛被O、H沾污的根源之一。
钛与水蒸气反应后，在钛表
面成一层青灰色的薄膜，是金红石型的二氧化钛。
对试样进行金相检验，发现有片状氢化钛形成。
钛与水蒸气发生反应可用如下方程式表示：
2Ti+2H2O →TiO2+TiH2+H2↑
钛与水蒸气反应所生成的氧化膜是多孔表面薄膜，这是由于H的溶解引起钛的体积增大，促使氧化膜不断遭到破坏的结果。
正由于这种不致密氧化膜的存在，水蒸气使钛氧化的速度比氧使钛氧化的速度快得多，特别是在900℃以上更加明显，这是由于H的扩散速度较快，使钛中溶有大量H的缘故。
如果溶解H的数量很小（当处于低温以及水蒸气的压
力不大条件下），这时氧化膜的破坏也可能不发生。
在这种情况下，钛被水蒸气氧化的速度接近于被氧氧化的速度。
当上述这些杂质（O、N、H及C）在钛及其合金中超过一定量时，会使抗拉强度和屈服强度降低，更主要的是这些杂质会使塑性和冲击韧性显著降低，所以，在钛及钛合金中对这些杂质必须严格控制，一般钛中w O≤0.15%，w N≤0.05%，w H≤0.015%，w C≤0.1%。
由于上述原因，钛及其合金的熔炼和铸造必须在较高的真空度或惰性气体下进行。