神奇的钛合金PPT.pptx

神奇的钛合金PPT.pptx

《神奇的钛合金PPT.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《神奇的钛合金PPT.pptx（89页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

,神奇的钛合金,上海大学高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室李重河,主要内容,一、钛合金及其应用简介二、纯钛的物理化学性质三、海绵钛及钛合金制备四、合金元素及常用牌号五、我们钛合金研究近况,钛Titanium,元素周期表：

#22，原子量47.880IVB族1791年:

英国化学家格雷戈尔钛铁矿和金红石1795年:

德国化学家克拉普罗特匈牙利产的金红石格雷戈尔和克拉普罗特:

钛是粉末状的二氧化钛1910年:

美国化学家亨特99.9%的金属,钛合金特点：

密度小，比钢轻1/3比强度高耐高温耐腐蚀生物相容,航天航空,能源,生物学,TiAl基高温合金叶片有效的提高飞机推动效率和降低飞行过程能耗,F2241%,B777:

11%（5897kg）,药物传递植入,外科微创组件,种植体,骨科脊椎植入物,心血管器,泌尿学,人体医用骨架,汽车上可用钛制造的主要零件,如果上述部件全部采用钛合金，汽车能减重200kg节能10-15%,奔驰百年款钛合金分裂式5幅条灰色轮毂,汽车中钛合金应用的国内外现状,日本的汽车中钛合金应用现状；德国欧洲世界趋势,钛:

稀有金属?

元素中排第9位，金属排第4位仅次于铝、铁、镁.,钛合金及其应用简介,2000年以来中国钛加工材产量,钛合金及其应用简介,矿：

钢的15倍铝的3倍板材：

钢的5083倍铝的1015倍,钛合金及其应用简介,熔炼加工：

60%原材料：

40%,钛合金及其应用简介,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：

Cl2与矿石中的TiO2反应，形成TiCl4；TiCl4经分级蒸馏而净化；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。

主要内容,一、钛合金及其应用简介二、纯钛的物理化学性质三、海绵钛及钛合金制备四、合金元素及常用牌号五、我们钛合金研究近况,物理性能：

属B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。

低于882.5，为密排六方-Ti：

点阵常数（20）为：

a0.295111nm，c0.468433nm，ca=1.5873882.5熔点，为体心立方-Ti：

点阵常数在25时，a=0.3282nm；900时a=0.33065nm。

密度为4.5。

钛的弹性模量低，只有铁的一半。

熔点1668，导电性较差（仅为铜的3.1%），导热系数（铁的六分之一）和线胀系数（与玻璃的相近）均较低。

钛无磁性，在强磁场下也不会磁化，用钛制人造骨和关节植入人体内不会受雷雨天气的影响。

钛阻尼性低，适宜做共振材料。

当温度低于0.49K时，钛呈现超导特性，经过适当合金化，超导温度可提高到910K。

纯钛的物理化学性质,化学性质：

室温下钛比较稳定，高温下很活泼，熔化态能与绝大多数坩埚或造型材料发生作用。

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。

钛在氮气中加热即能发生燃烧，钛尘在空气中有爆炸危险，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，在500以上吸气能力尤为强烈，故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。

纯钛的物理化学性质,纯钛的物理化学性质,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。

真空电弧熔炼制备钛铸件,这种名为“激光立体成形（LaserAdditiveManufacturing）”的3D打印技术通过激光融化金属粉末，几乎可以“打印”任何形状的产品。

其最大的特点是，使用的材料为金属，“打印”的产品具有极高的力学性能，能满足航空航天、模具、汽车、医学、齿科、工艺品等不同行业的需求。

歼-16原型机,3D打印机,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。

电渣精炼法,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。

等离子弧熔炼（PAM）,它是对真空电弧熔炼的改进,电子束熔炼,金属液体位于坩埚上部，这样就获得了优质铸锭。

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。

感应凝壳熔炼法,主要内容,一、钛合金及其应用简介二、纯钛的物理化学性质三、海绵钛及钛合金制备四、合金元素及常用牌号五、我们钛合金研究近况,合金元素及常用牌号,锆、铪与钛同族，具有相似的外层电子构造，相同的晶体结构和原子半径，均有同素异晶转变，与-Ti及-Ti形成连续固溶体。

合金元素与,均形成连续固溶体相图,合金元素及常用牌号,钼、钒、钽、铌都为体心立方结构，与-Ti同晶,，称为同晶元素。

降低相变点，稳定相。

组元达到一定浓度值后，高温相可稳定到室温，对应这一浓度值称为临界浓度Ck。

Ck反映合金元素稳定相能力大小，其值越小稳定相能力就越大。

稳定相能力按钼钒钽铌次序递减。

加入这类元素的钛合金组织稳定性好，不会发生共析转变或包析转变，同时能强化相，并保持良好的塑性。

合金元素与-Ti无限互溶，与-Ti有限溶解的相图,Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Si、Bi、W、H在-Ti中溶解度比在-Ti中大，降低（+）/相变温度，其稳定相的能力比同晶元素要大。

这类元素与钛易形成化合物，如Ti-Mn系中形成TiMn（）等化合物，含有这类元素的合金从相区冷到共析温度时，相发生共析分解，这类元素称为共析元素。

铬、钨：

与-Ti完全互溶，但因原子尺寸或电化学性质与钛相差较大，在固态还有共析转变，因此归入共析元素。

Ti-Cr系共析转变产物为+TiCr2。

Ti-W系为+富钨固溶体2。

锰、铁、钴：

共析转变速度极慢，热处理条件下难以进行共析转变，称为慢共析元素（非活性共析元素）；镍、铜、硅、银、氢等：

共析转变极快，淬火也不能抑制其转变，称为快共析元素（活性共析元素）。

与、钛均有限互溶，并具有共析转变的相图,与和钛均有限溶解，并有包析反应的相图：

铝、镓、锡、硼、碳、氮、氧除锡对相变点影响不大，归为中性元素外，其它元素都提高相变点，扩大相区，称为稳定元素。

这类元素为强化相的主要元素，其中铝和锡应用较多。

钛合金中常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，铝主要起固溶强化作用，每添加1Al，室温抗拉强度增加50MPa。

铝在钛中的极限溶解度为7.5；超过极限溶解度后，组织中出现有序相Ti3Al

（2），对合金的塑性、韧性及应力腐蚀不利，故一般加铝量不超过7。

铝改善抗氧化性，铝比钛还轻，能减小合金密度，并显著提高再结晶温度，如添加5Al可使再结晶温度从纯钛600提高到800。

铝提高钛固溶体中原子间结合力，从而改善热强性。

在可热处理合金中，加入约3的铝，可防止由亚稳定相分解产生的相而引起的脆性。

铝还提高氢在-Ti中的溶解度，减少由氢化物引起氢脆的敏感性。

合金元素及常用牌号,锡和锆：

属中性元素，在-Ti和-Ti中均有较大溶解度，常与其他元素同时加入，起补充强化作用。

为保证耐热合金获得单相组织，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。

锡能减少对氢脆的敏感性。

钛锡系合金中，锡超过一定浓度后形成有序相Ti3Sn，降低塑性和热稳定性。

为了防止有序相Ti3X（2相）的出现，考虑到铝和其它元素对2相析出的影响，Rosenberg提出铝当量公式。

只要铝当量89，就不出现2相。

合金元素及常用牌号,钼、钒：

稳定元素中应用最多，固溶强化相，并显著降低相变点、增加淬透性，从而增强热处理强化效果。

含钒或钼的钛合金不发生共析反应，在高温下组织稳定性好；但单独加钒，合金耐热性不高，其蠕变抗力只能维持到400；钼提高蠕变抗力的效果比钒高，但密度大；钼还改善合金的耐蚀性，尤其是提高合金在氯化物溶液中抗缝隙腐蚀能力。

合金元素及常用牌号,锰、铬：

强化效果大，稳定相能力强，密度比钼、钨等小，故应用较多，是高强亚稳定型钛合金的主要加入元素。

但它们与钛形成慢共析反应，在高温长期工作时，组织不稳定，蠕变抗力低；当同时添加同晶型元素，特别是钼时，有抑制共析反应的作用。

硅：

共析转变温度较高（860），加硅可改善合金的耐热性能，因此在耐热合金中常添加适量硅，加入硅量以不超过相最大固溶度为宜，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。

合金元素及常用牌号,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2相析出。

此外，稀土还有强烈抑制晶粒长大和细化晶粒的作用，因而改善合金的综合性能。

小结：

合金元素的作用：

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。

稳定相或相：

合金元素提高或降低相变点。

增强热处理强化效果：

稳定元素增加合金淬透性。

消除有害作用：

铝、锡防止相，稀土抑制2相析出，同晶元素阻制相共析分解。

改善合金的耐热性：

加入铝、硅、锆，稀士等。

提高合金的耐蚀性和扩大钝化范围：

加钯、钌、铂，钼等。

合金元素及常用牌号,合金元素对性能的影响各类合金元素对钛合金常规力学性能的影响：

稳定元素：

铝的固溶强化效果最大，锆、锡次之。

锆、锡一般不单独加入，而是与其它元素复合加入。

同晶元素：

合金元素浓度超过相极限溶解度时，将进入+相区，此时合金元素优先溶于相，因而相具有更高的强度和硬度，合金强度将随组织中相所占比例增加而提高，大约至相和相各占50时强度达到峰值。

再增加相数量，强度反而有所下降。

强化作用按钼、钒、钽、铌次序递减。

共析型稳定元素：

对合金性能的影晌规律和同晶型元素相似，特别是非活性共析元素铬、锰、铁在一般生产和热处理条件下，共析转变并不发生，因此可将钼、钒等组元同等对待，退火组织仍为+相。

但在高温长期使用的耐热合金，非活性共析元素的存在，将降低材料的热稳定性。

合金耐热性取决于金属基体键合能力、原子扩散过程及组织稳定性。

钛合金耐热性与相图类型及成分的关系为：

单相固溶体的耐热性随溶解度增加而提高，当组织中出现第二相时则有所下降；因+两相组织在加热时发生转变，相界附近原子扩散，且原子在相中的扩散比相快，这导致耐热性下降。

所以，耐热合金以单相组织为宜，常用型或近型钛合金作为高温材料。

提高钛合金固态相变温度的合金元素，可改