钛及钛合金 课件
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钛合金锻造讲稿.ppt
当含C量大于0.2%，就会出现脆性化合物碳化 钛（TiC）。所以C含量一般控制在0.1%。
O、N、C是提高α→β转变的温度，也就是说扩 大α相区的，是α稳定元素。
由Ti和H的相图可知： ● H在β钛中的溶解度比在α钛中大得多
● 且H在α钛中的溶解度随温度的降低而剧烈减少
Ti-H相图
H在α-Ti中的溶解度曲线
但条件变化了，如加热、大变形、高速变形， 那么，次要滑移面也将产生滑移。
在体心立方晶体中，主要滑移面＋次要滑移面 共有48个。当然，滑移容易了，也就是说塑性好 了。
由此，给我们的启示： ● 钛合金为什么一般不能冷变形？ ● 又为什么发展近β锻造、 β锻造？
（除了发挥材料性能） ● 为什么要严格控制钛合金终锻温度？ ● 为什么在高速锤上变形、金属填充
讲到这里，你们可能会问，钛合金不要在氧 化性气氛中加热，而是在还原性气氛中加热不是 更好吗？
回答是肯定的：不行。即使没有电炉的条件 下，宁可在油炉中加热。
为什么？ 氢对钛合金性能的影响远比氧大得多，要发 生氢脆。所以，技术条件控制的氢含量<0.012（简 称双零控制）。
● 加热温度越高、时间越长，氧在金属内部扩散越 厉害。 氧对钛金属玷污的程度∝T·H ·CM成正比
溶体，过量时形成脆性化合物。
※O、N、C、H形成间隙式固溶体，因为这些元
素的原子半径很小，它们与钛不是置换式固溶， 而是间隙式固溶，只要钛原子之间有间隙，它们 就无孔不入。
从而使钛的晶格发生畸变，阻碍了位错运动。 所以强度提高，塑性下降。
加入0.05%的O、N或C，能使钛的σb分别提高： 6、12.5和3.5MPa。其中N的强化作用最大，但使 塑性剧烈下降。
这里，要特别介绍的，或者说要消除你们顾虑 的，更要引起注意的——热效应问题
O、N、C是提高α→β转变的温度，也就是说扩 大α相区的，是α稳定元素。
由Ti和H的相图可知： ● H在β钛中的溶解度比在α钛中大得多
● 且H在α钛中的溶解度随温度的降低而剧烈减少
Ti-H相图
H在α-Ti中的溶解度曲线
但条件变化了，如加热、大变形、高速变形， 那么，次要滑移面也将产生滑移。
在体心立方晶体中，主要滑移面＋次要滑移面 共有48个。当然，滑移容易了，也就是说塑性好 了。
由此，给我们的启示： ● 钛合金为什么一般不能冷变形？ ● 又为什么发展近β锻造、 β锻造？
（除了发挥材料性能） ● 为什么要严格控制钛合金终锻温度？ ● 为什么在高速锤上变形、金属填充
讲到这里，你们可能会问，钛合金不要在氧 化性气氛中加热，而是在还原性气氛中加热不是 更好吗？
回答是肯定的：不行。即使没有电炉的条件 下，宁可在油炉中加热。
为什么？ 氢对钛合金性能的影响远比氧大得多，要发 生氢脆。所以，技术条件控制的氢含量<0.012（简 称双零控制）。
● 加热温度越高、时间越长，氧在金属内部扩散越 厉害。 氧对钛金属玷污的程度∝T·H ·CM成正比
溶体，过量时形成脆性化合物。
※O、N、C、H形成间隙式固溶体，因为这些元
素的原子半径很小，它们与钛不是置换式固溶， 而是间隙式固溶，只要钛原子之间有间隙，它们 就无孔不入。
从而使钛的晶格发生畸变，阻碍了位错运动。 所以强度提高，塑性下降。
加入0.05%的O、N或C，能使钛的σb分别提高： 6、12.5和3.5MPa。其中N的强化作用最大，但使 塑性剧烈下降。
这里，要特别介绍的，或者说要消除你们顾虑 的，更要引起注意的——热效应问题
钛合金介绍精品PPT课件
材料科学前沿
钛及钛合金
Titanium and Titanium Alloy
内容提要
一、 简介 二、纯钛 三、钛合金物理冶金基础
四、钛合金的发展与应用
一 、 简介
简介
1791年，英国牧师格累高尔发现了一种新元素。 1795年，法国化学家克拉普罗特以日耳曼神话中 女神坦的名字为它命名“Titanium”，译成中文就 是“钛”。从此，钛便进入了科学家的实验室。
仍保持良好的塑性及韧性)
➢耐腐蚀性(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。
α+β型钛合金的退火组织为α+β，以TC加顺序号表示其合金
的牌号。 合金同时含有β相稳定元素和α相稳定元素。组织以α相为主，β 相的数量通常不超过30%。 合金可通过淬火及时效进行强化，多在退火状态下使用。α+β型 钛合金的室温强度和塑性高于α型钛合金，生产工艺比较简单，通 过改变成分和选择热处理制度又能在很宽的范围内改变合金的性 能，应用比较广泛，尤以TC4用途最广，用量最多。
钛合金的分类
β型钛合金: 合金加入了大量的多组元β相稳定元素，同时还
加入α相稳定元素Al。应用的β型钛合金主要为亚稳定的β钛 合金，退火状态为α+β两相组织，将其加热到β单相区后淬火， 因α相来不及析出而得到的过饱和的β相，称为亚稳β相。
该类合金塑性好，易于冷加工成形，成形后可通过时 效处理，使强度提高；
钛及钛合金
Titanium and Titanium Alloy
内容提要
一、 简介 二、纯钛 三、钛合金物理冶金基础
四、钛合金的发展与应用
一 、 简介
简介
1791年，英国牧师格累高尔发现了一种新元素。 1795年，法国化学家克拉普罗特以日耳曼神话中 女神坦的名字为它命名“Titanium”，译成中文就 是“钛”。从此，钛便进入了科学家的实验室。
仍保持良好的塑性及韧性)
➢耐腐蚀性(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。
α+β型钛合金的退火组织为α+β，以TC加顺序号表示其合金
的牌号。 合金同时含有β相稳定元素和α相稳定元素。组织以α相为主，β 相的数量通常不超过30%。 合金可通过淬火及时效进行强化，多在退火状态下使用。α+β型 钛合金的室温强度和塑性高于α型钛合金，生产工艺比较简单，通 过改变成分和选择热处理制度又能在很宽的范围内改变合金的性 能，应用比较广泛，尤以TC4用途最广，用量最多。
钛合金的分类
β型钛合金: 合金加入了大量的多组元β相稳定元素，同时还
加入α相稳定元素Al。应用的β型钛合金主要为亚稳定的β钛 合金，退火状态为α+β两相组织，将其加热到β单相区后淬火， 因α相来不及析出而得到的过饱和的β相，称为亚稳β相。
该类合金塑性好，易于冷加工成形，成形后可通过时 效处理，使强度提高；
《钛产品介绍》PPT课件
钛和钛合金行业现状：
1：产能过剩趋向缓和、业内恶性竞争局面逐步改善 2：近年受金融危机影响,出口萎缩,内需萎缩，但目前需求随着整体
经济的复苏而向好 3：近年海绵钛产量增加价格下降，促进了钛的应用的普及。 4：钛的新应用有待继续推广。
国内钛原料现状： 1：国内钛矿资源有限，供应缺口加大，进口依赖增加。 2：朝鲜、印度矿进入中国市场的数量正在加大。 3：越南、澳洲、印尼钛矿仍为进口矿的主流。但出口钛矿的限制问题还将继续，国内 钛矿供应缺口还将继续加大。
.
9
影响钛产品价格的因素
钛白： 1：硫酸的价格变化
钛铁： 1：铝价的变化
2：钛矿的价格变化 3：供需关系和进出口情况 2：钢厂的需求变化 3：钛矿的价格变化
海绵钛： 1：原料四氯化钛、金属镁的价格变化 2：电价的变化 3：国内供需关系、进出口情况
四氯化钛： 1：原料液氯、石油焦、高钛渣的价格变化和供应情况 2：供需关系
洛阳 钛加工企业：宝鸡、西安、沈阳、江浙、上海 钛铁：辽宁、江苏 钛矿：海南、广西钦州、广东湛江、四川攀枝花、
云南
.
8
钛行业概况
钛白行业现状：
1：产能过剩、业内竞争激励 2：产品中低档为主，高端市场为进口产品占领 3：面临国家环保部门的整顿、改迁 4：受金融危机影响,出口萎缩 5：产能持续增加
钛 Ti
钛的应用 钛的特性 钛产业生产工艺流程 钛产业的地理分布 钛行业概况 影响钛产品价格的因素
.
1
钛
的
钛
应 用
白 粉 的
应
钛白粉
用
白色颜料
涂料
塑料
造纸
油墨、 化纤、 橡胶
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2
金属钛和钛合金的应用
1：产能过剩趋向缓和、业内恶性竞争局面逐步改善 2：近年受金融危机影响,出口萎缩,内需萎缩，但目前需求随着整体
经济的复苏而向好 3：近年海绵钛产量增加价格下降，促进了钛的应用的普及。 4：钛的新应用有待继续推广。
国内钛原料现状： 1：国内钛矿资源有限，供应缺口加大，进口依赖增加。 2：朝鲜、印度矿进入中国市场的数量正在加大。 3：越南、澳洲、印尼钛矿仍为进口矿的主流。但出口钛矿的限制问题还将继续，国内 钛矿供应缺口还将继续加大。
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影响钛产品价格的因素
钛白： 1：硫酸的价格变化
钛铁： 1：铝价的变化
2：钛矿的价格变化 3：供需关系和进出口情况 2：钢厂的需求变化 3：钛矿的价格变化
海绵钛： 1：原料四氯化钛、金属镁的价格变化 2：电价的变化 3：国内供需关系、进出口情况
四氯化钛： 1：原料液氯、石油焦、高钛渣的价格变化和供应情况 2：供需关系
洛阳 钛加工企业：宝鸡、西安、沈阳、江浙、上海 钛铁：辽宁、江苏 钛矿：海南、广西钦州、广东湛江、四川攀枝花、
云南
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钛行业概况
钛白行业现状：
1：产能过剩、业内竞争激励 2：产品中低档为主，高端市场为进口产品占领 3：面临国家环保部门的整顿、改迁 4：受金融危机影响,出口萎缩 5：产能持续增加
钛 Ti
钛的应用 钛的特性 钛产业生产工艺流程 钛产业的地理分布 钛行业概况 影响钛产品价格的因素
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钛
的
钛
应 用
白 粉 的
应
钛白粉
用
白色颜料
涂料
塑料
造纸
油墨、 化纤、 橡胶
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金属钛和钛合金的应用
钛合金及其应用(课堂PPT)
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(2) 中性元素:对Ti的β元素转变温度影响不明显的元素,如Zr和Sn
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(3) β稳定元素:降低Ti β转变温度的元素,又可分为
① β同晶元素:如V,Mo等,在周期表 上的位置靠近Ti,具有与β-Ti相同的 晶格类型,能与β-Ti无限互溶,而在 α-Ti中溶解度有限.
② β共析元素:如Mn,Fe,Si,Cu等,在α和 β钛中具有有限溶解度,但在β钛中的 溶解度大于在α钛中的,以存在共析反 应为特征.
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12
1.4 海绵钛的生产
①镁热还原法 TiCl4和Mg在800-900度真空反应 ②TiCl4 电解法 ③TiO2电解还原 阴极还原驱赶TiO2中的氧
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2 工业纯钛（纯度约为99.5%）
2.1 基本性质
■物理性质：纯钛是银白色金属，位于周期表ⅣB族。
表2-1 钛的基本物理性能数据
名称 相对原子量 原子半径 溶化温度/℃ α-TiβTi相变 比密度/g/cm3
7 粉末冶金钛及钛合金复合材料
8 钛及钛合金的腐蚀性能
9 钛合金的应用
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3
1 钛资源及钛产品的冶炼生产
1.1 钛资源的分布及特点
金属元素钛在地壳里的分布广泛，其含量是地壳质量的 4‰还要多一点，世界储量约34亿吨，在所有元素中含量居10 位。
钛在自然界中主要以氧化物的形式存在，目前已发现含 钛矿物有100多种，除金红石外，还有白钛矿、铁钛矿、钙 钛矿等。 金红石含TiO2在95%以上，是提炼钛的重要矿物原料，但在 地壳中储量较少。白钛矿含TiO2为70%～92%。钛铁矿、钙 钛矿含TiO2一般为35% ～52%，但是其储量非常大，是生产 金属钛和钛白粉的主要原料来源。
钛及钛合金焊接方法40页PPT
钛及钛合金焊接方法
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
谢谢
越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
钛合金常见缺陷及其控制PPT课件
详细描述
腐蚀通常是由于环境中的化学物质与钛合金发生反应引起的。腐蚀会导致钛合金的表面 损伤和结构完整性受损，从而降低其承载能力和耐久性。在海洋环境、化工设备和高温 高压等恶劣条件下，钛合金的腐蚀问题尤为突出。为了提高钛合金的耐腐蚀性，通常需
要进行表面处理、涂层保护或选择适当的合金成分。
Part
03
详细描述
孔洞通常是由于铸造或焊接过程中气体残留在材料中形成的。孔洞的存在会降 低钛合金的强度和塑性，特别是在受力较大的情况下，可能会引发断裂或疲劳 失效。
夹杂物
总结词
钛合金中夹杂物的存在会影响材料的性能和外观。
详细描述
夹杂物通常是由于原材料中的杂质或制造过程中的污染引起的。夹杂物会降低钛合金的纯度和均匀性，导致材料 的强度、韧性和耐腐蚀性下降。同时，夹杂物也会影响钛合金的外观和光洁度，使其难以满足高精度和高表面质 量的要求。
选用合适的加工设备和工具，如 数控机床和刀具，以提高加工精 度和效率。
在加工过程中进行质量检测和控 制，及时发现和纠正缺陷。
热处理工艺的优化
详细描述
选择合适的热处理设备和工艺参 数，如加热温度、冷却速度和保 温时间。
在热处理过程中进行控制和监测， 确保温度和应力的均匀分布。
总结词：通过优化热处理工艺， 可以改善钛合金的组织结构和性 能，减少材料内部的残余应力、 变形和裂纹等缺陷。
加工工艺的影响
热处理不当
热处理过程中，如果加热或冷却速度 过快、温度控制不准确或保温时间不 足，会导致热处理不当，形成裂纹、 变形等缺陷。
加工硬化
表面粗糙度
加工过程中，如果表面粗糙度过大或 加工后处理不当，会影响表面质量， 形成缺陷。
加工过程中，如果加工硬化程度过高 或加工工艺参数不当，会导致材料变 脆，容易产生裂纹。
腐蚀通常是由于环境中的化学物质与钛合金发生反应引起的。腐蚀会导致钛合金的表面 损伤和结构完整性受损，从而降低其承载能力和耐久性。在海洋环境、化工设备和高温 高压等恶劣条件下，钛合金的腐蚀问题尤为突出。为了提高钛合金的耐腐蚀性，通常需
要进行表面处理、涂层保护或选择适当的合金成分。
Part
03
详细描述
孔洞通常是由于铸造或焊接过程中气体残留在材料中形成的。孔洞的存在会降 低钛合金的强度和塑性，特别是在受力较大的情况下，可能会引发断裂或疲劳 失效。
夹杂物
总结词
钛合金中夹杂物的存在会影响材料的性能和外观。
详细描述
夹杂物通常是由于原材料中的杂质或制造过程中的污染引起的。夹杂物会降低钛合金的纯度和均匀性，导致材料 的强度、韧性和耐腐蚀性下降。同时，夹杂物也会影响钛合金的外观和光洁度，使其难以满足高精度和高表面质 量的要求。
选用合适的加工设备和工具，如 数控机床和刀具，以提高加工精 度和效率。
在加工过程中进行质量检测和控 制，及时发现和纠正缺陷。
热处理工艺的优化
详细描述
选择合适的热处理设备和工艺参 数，如加热温度、冷却速度和保 温时间。
在热处理过程中进行控制和监测， 确保温度和应力的均匀分布。
总结词：通过优化热处理工艺， 可以改善钛合金的组织结构和性 能，减少材料内部的残余应力、 变形和裂纹等缺陷。
加工工艺的影响
热处理不当
热处理过程中，如果加热或冷却速度 过快、温度控制不准确或保温时间不 足，会导致热处理不当，形成裂纹、 变形等缺陷。
加工硬化
表面粗糙度
加工过程中，如果表面粗糙度过大或 加工后处理不当，会影响表面质量， 形成缺陷。
加工过程中，如果加工硬化程度过高 或加工工艺参数不当，会导致材料变 脆，容易产生裂纹。
有色金属及其合金-钛合金PPT
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、硅为置换型元素，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。
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
加，其强度升高，塑性大幅度降低。
常温下钛的塑性比其他六方结构金属(镉、锌、镁) 要高得多。 原因是：滑移模型和晶体中各晶面的层错能有关，如层错能低， 则全位错易于分解为不全位错，以促进滑移的继续进行；钛的层 错能比基面小，原在基面上滑移的位错通过交滑移而转移到棱柱 面上，并可发生分解，这样基面上的滑移很快终止，而棱柱面上 的滑移则发挥着主导作用。反之，对于基面层错能比较低的金属， 如镉、锌、镁，则{0001}是主要滑移面。
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。
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。
3金属材料有色金属及其合金课堂PPT
铸造青铜 —— 如Sn青铜 ， ZCuSn10Zn2 。
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（3）白铜 —— Cu-Ni 系合金 ➢以镍为主要合金元素，B（白）+镍质量分数，例B19 ➢铜、镍无限固溶，单相α， ➢可冷、热变形，较好的强度和优良的塑性。它的抗蚀性 很好，电阻率较高。 ➢用于制造船舶仪器零件、化工机械零件及医疗器械等。
一切能时效硬化的合金都有 回归现象。
自然时效后的铝合金在反复 回归处理和再时效时强度有 所降低。
时效后的铝合金可在回归处 理后的软化状态进行各种冷 变形。利用这种现象，可随 时进行飞机的铆接和修理 等。
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2、变形铝合金
GB 3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为:
防锈铝合金：LF+序号 硬铝合金： LY +序号 超硬铝合金：LC +序号 锻铝合金： LD +序号
（2）时效强化（第二相强化） 在室温下放置或低温加热时，强 度和硬度会明显升高。这种现象 称为时效或时效硬化。
时效的条件： 合金能在高温形成均匀的固溶体，并且固溶体中 溶质的溶解度必须随温度的降低而显著降低。
6
CuAl2
Al-Cu合金相图
含4%Cu的Al-Cu合金的自然时效曲线
时效规律
① 时效温度越高, 强度峰值 越低, 强化效果越小;
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(3) (a + β)钛合金
钛中加入a 和β 稳定化元素所得到的(a + β)钛合金，
塑性很好，容易锻造、压延和冲压，并可通过淬火和 时效进行强化。热处理后强度可提高50%～100%
典型牌号：TC4，成分：Ti-6Al-4V 强度高，塑性好，在400℃时组织稳 定，蠕变强度较高，低温韧性好，抗海 水应力腐蚀及抗热盐应力腐蚀
第3章 钛及钛合金2
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。
3.1 概述
钛源于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)
Ilmenite (FeTiO3)
Titans
真空电弧重熔法
海绵钛与合金元素混合后液压成块状； 块状物焊接成熔化电极棒；
电极棒经二次或三次真空熔炼得到优质钛或钛合金锭。
电渣精炼法
方坯作为电极， 其一端位于交流 电加热的电渣熔池中；
熔融金属与高温电渣反应，电渣中 还可加入合金元素用以调整合金成 分； 已熔化金属流经熔渣进入熔池而被 提纯，最终凝固成电渣精炼铸锭； 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
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。
钛及钛合金基本知识集锦PPT文档共75页
3.2 纯钛
纯钛的强度随温度的升高而降低，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，而伸长率却 连续下降；500℃以上，ψ和δ随温度提高而增加，接近转变温度 时，出现超塑性(δ>100％)。
纯钛有很好的低温塑性，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。
3.2 纯钛
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。
前四种属间隙型元素，后二种属置换型元素，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％。
钛与生物体有很好相容性，而且无毒，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。 钛在550℃以下能与氧形成致密的氧化膜，具有良好的保护 作用。在538℃以下，钛的氧化符合抛物线规律。但在800℃以上 ，氧化膜会分解，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。
3.2 纯钛 耐蚀性能：
钛的标准电极电位很低(E=－1.63V)，但钛的致钝电位亦低， 故钛容易钝化。
常温下钛表面极易形成由氧化物和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。
在大气、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，其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0.6～0.80σb，钛的疲劳性能对金属表 面状态及应力集中系数比较敏感。
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晶体结构：
原子半径： 密度： 熔点：
钛的特性
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。
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。
电渣精炼法
方坯作为电极， 其一端位于交 流电加热的电渣熔池中； 熔融金属与高温电渣反应，电渣 中还可加入合金元素用以调整合 金成分； 已熔化金属流经熔渣进入熔池而 被提纯，最终凝固成电渣精炼铸 锭； 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
硅量以不超过α相最大固溶度为宜，一般为0.25 ％左右。由于硅与钛的原子尺寸差别较大，在固 溶体中容易在位错处偏聚，阻止位错运动，从而 提高耐热性。 稀土： 提高合金耐热性和热稳定性。稀土的内氧化作用，
形成了细小稳定的RExOv颗粒，产生弥散强化。由 于内氧化降低了基体中的氧浓度，并促使合金中 的锡转移到稀土氧化物中，这有利于抑止脆性α2 相析出。此外，稀土还有强烈抑制β晶粒长大和 细化晶粒的作用，因而改善合金的综合性能。
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。
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。
从此奠定了钛的工业生产方法的基础。
钛属于稀有金属，实际上钛并不稀有，其在地壳 中的丰度占第七位，占0.45%，远远高于许多常见 的金属。但由于钛的性质活泼，对冶炼工艺要求 高，使得人们长期无法制得大量的钛，从而被归 类为“稀有”的金属。用于冶炼钛的矿物主要有 钛铁矿（FeTiO3）、金红石（TiO2）和钙钛矿等, 也是钛的主要矿石,矿石经处理得到易挥发的四氯 化钛，再用镁还原而制得纯钛。
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。
由于钛所具有的一系列优良性能，资源又很丰富， 钛的工业生产问世后，立即受到世界普遍高度重 视。1947年美国率先实现海绵钛生产工业化，当 年生产２吨海绵钛，1957年就发展到15000多 吨。日本1952年，前苏联1954年均相继开始了 海绵钛的生产。中国也于1958年开始了海绵钛的 试生产，现在已形成了完整的钛工业体系。当前， 世界上有钛工业的国家主要是美国、独联体、日 本、英国、中国和德国。
⑴Cl2 与矿石中的TiO2反应，形成TiCl4； ⑵TiCl4经分级蒸馏而净化； ⑶在Ar保护下，液态TiCl4 与 Mg 或Na 反应，获得
海绵钛。
生产过程：
钛铁矿或金红石→高纯度四氯化钛→镁还原四氯 化钛→海绵钛→钛材和钛粉
真空电弧重熔法
海绵钛与合金元素混合后液压成块状； 块状物焊接成熔化电极棒； 电极棒经二次或三次真空熔炼得到优质钛或钛合金锭
钛合金的生产
提取工艺： Kroll提取工艺Kroll 提取工艺
熔化工艺：
电渣精炼法Electroslag Refinning(ESR) 真空电弧重熔法Vacuum Arc Remelting(VAR) 电子束熔炼(EBM) 等离子弧熔炼(PAM) 感应凝壳熔炼法
钛的提取
通过下列步骤，钛矿石 (主要为金红石，TiO2) 转变为海绵钛 ：
（3）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（TiO2）。它仅有 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
些，不过可以通过合金化改善。
（4）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性
及韧性。
（5）弹性模量较低 （120GP），约为铁的
全世界: 1955年 1975年 2万吨 7万吨
2006年 14万吨
年量/吨
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
钛及钛合金发展至今，已有50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 展的轻金属材料。世界市场每年需求4～5万t钛及 钛合金。美国是最大的钛消费国。1994年用于军 事宇航约3200t，用于非军事商业宇航约7700t， 用于非宇航业约4800t，总共约15700t。日本则注 重发展钛的耐蚀性应用，1994年总共消费4241t， 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占468t，其中宇航应用的钛 合金只占32. 7％，非宇航用钛合金占67.3％，这 其中又以消费品为主（占三分之二）.
结构。
β型
1100～ 1300
1250～1400 6～10
可时效热处理；时效前 的成形性能优良。
α 稳 定 元 素
合
中
金
性
元
元
素
素
β 稳 定 元 素
间隙元素 C、N、O
置换元素
Al Ga
置换元素 Zr、Sn、Hf、Ge、Ce、La、Mg
间隙元素 置换元素
H β同晶元素
β共析元素
Mo、V、Ta、Nb 慢速分解 Cr、Mn、Fe、Co
合金元素的作用：
⑴固溶强化：提高室温强度最显著的元素为铁、锰，铬、 硅，其次为铝、钼、钒，而锆、锡、钽、铌强化效果差。
⑵稳定α相或β相：合金元素提高或降低相变点。 ⑶增强热处理强化效果：β稳定元素增加合金淬透性。 ⑷消除有害作用：铝、锡防止ω相，稀土抑制α2相析出，
β同晶元素阻制β相共析分解。 ⑸改善合金的耐热性：加入铝、硅、锆，稀士等。 ⑹提高合金的耐蚀性和扩大钝化范围：加钯、钌、铂，钼
用。
为保证耐热合金获得单相α组织，除铝
以外，还加入锆和锡进一步提高耐热性；同时对
塑性不利影响比铝小，使合金具有良好的压力加
工性和焊接性能。钛合金中来自见合金元素的作用钛合金中的常加入的合金元素：铝、锡、锆、钼、钒、铬、 铁、硅、铜、稀土，其中应用最多的是铝。
铝： 除工业纯钛外，各类钛合金中几乎都添加铝，铝主要
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。
耐蚀性能
ETi=－1.63V，而钛的致钝电位低，故钛易钝化。
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
特点
α型
200～500
250～550
15～25
99%纯钛，性能随氧含量 变化
近α型
有一定的蠕变抗力， 少 850～1000 950～1100 12～15量可β细（化杂晶质粒Fe；的焊稳接定性作能用）
好，可进行锻造。
低温到400℃范围内均有
α＋β型
900～1200 1000～1300
10～15
较好的性能；通过热机 械处理很容易改变晶粒
由炉壁侧底面加入要熔化 的材料，熔化热源为电子束。
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。
钛合金
合金分类、牌钛号
TA表示组织为α的钛合金 包括全α、近α和α+化合物合金 。 以铝、锡、锆为主要合金元素，在近α型钛合金中
54％。
（6）导热系数及线胀系数均较低。其导热系数比 铁低4.5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来的热应 力问题。
钛的熔点为1668℃，比铁、镍的肖高，比铝、镁 的熔点高1000℃以上。因此，作为轻金属结构材 料，钛合金具有比铝、镁合金好得多的热强性， 最高使用温度以达600℃。钛在氧化性气氛中极易 在表面与氧形成一层坚固的氧化物薄膜，是其在 氧化性酸、碱、盐介质，特别是在湿氯气和海水 中，具有优异的抗腐蚀性能。
在惰性气体保护下ALD 真空技术电渣重熔炉
等离子弧熔炼
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。
电子束熔炼
钛及钛合金
概述
TiO2
FeTiO3
钛源于Titans，即希腊神话中地球上大力士。 地壳中金属元素钛元素含量位列第四 (0.86%) ，居铝、
铁、镁之后。
自TiO然2界。中不存在纯钛，仅以氧化物存在，如FeTiO3、 强度与钢相当，而密度几乎仅有钢的一半。
钛是英国科学家格内戈尔于1791年首先从钛铁矿石 中发现的，1795年德国化学家克拉普洛特也从金红 石中发现了这一元素，并命名为“钛”。由于钛的 化学活性高，在它被发现的120年后的1910年才首 次提炼出金属钛，1940年用镁还原法制得了海绵钛，
还添加少量β稳定化元素，如钼、钒、钽、铌、钨、 铜、硅等 。 共33个牌号。