金属中的新秀钛Word文档格式.docx
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锻烧偏钛酸即制得二氧化钛：
H2TiO3==TiO2+H2O
工业上制金属钛采用金属热还原法还原四氯化钛。
将TiO2（或天然的金红石）和炭粉混合加热至1000〜1100K，进行氯化处理，并使生成的TiCI4，蒸气冷凝。
TiO2+2C+2CI2=TiCI4+2C0&
shy;
在1070K用熔融的镁在氩气中还原TiCI4可得多孔的海绵钛：
TiCI4+2Mg=2MgC12+Ti
这种海绵钛经过粉碎、放入真空电弧炉里熔炼，最后制成各种钛材。
四、钛及钛合金的特性、用途
纯钛是银白色的金属，它具有许多优良性能。
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，熔点1942K，比黄金高近1000K，比钢高近500K。
钛属于化学性质比较活泼的金属。
加热时能与O2、N2、H2、S和卤素等非金属作用。
但在常温下，钛表面易生成一层极薄的致密的氧化物保护膜，可以抵抗强酸甚至王水的作用，表现出强的抗腐蚀性。
因此，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AI、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。
钒具有“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。
五、钦的化合物及用途
重要的钛化合物有：
二氧化钛（TiO2）、四氯化钛（TiCI4）、偏钛酸钡（BaTiO3）。
纯净的二氧化钛是白色粉末，是优良的白色颜料，商品名称“钛白”。
它兼有铅白（PbCO3）
的遮盖性能和锌白（ZnO）的持久性能。
因此，人们常把钛白加在油漆中，制成高级白色油漆；
在造纸工业中作为填充剂加在纸桨中；
纺织工业中作为人造纤维的消光剂；
在玻璃、陶瓷、搪瓷工业上作为添加剂，改善其性能；
在许多化学反应中用作催化剂。
在化学工业日益发展的今天，二氧化钛及钛系化合物作为精细化工产品，有着很高的附加价值，前景十分诱人。
四氯化钛是一种无色液体；
熔点250K、沸点409K，有制激性气味。
它在水中或潮湿的空气中都极易水解，冒出大量的白烟。
TiCl4+3H2O==H2TiO3+4HCl
因此TiCl4在军事上作为人造烟雾剂，犹其是用在海洋战争中。
在农业上，人们用TiCl4形成的浓雾复盖地面，减少夜间地面热量的散失，保护蔬菜和农作物不受严寒、霜冻的危害。
将TiO2和BaCO3一起熔融制得偏钛酸钡：
TiO2+BaCO3==BaTiO3十CO2&
shy;
人工制得的BaTiO3具有高的介电常数，由它制成的电容器有较大的容量，更重要的是BaTiO3具有显著的“压电性能”，其晶体受压会产生电流，一通电，又会改变形状。
人们把它置于超声波中，它受压便产生电流，通过测量电流强弱可测出超声波强弱。
几乎所有的超声波仪器中都要用到它。
随着钛酸盐的开发利用，它愈来愈广泛地用来制造非线性元件、介质放大器、电子计算机记忆元件、微型电容器、电镀材料、航空材料、强磁、半导体材料、光学仪器、试剂等。
钛、钛合金及钛化合物的优良性能促使人类迫切需要它们。
然而，生产成本之高，使应
用受到限制。
我们相信在不久的将来，随着钛的治炼技术不断改进和提高，钛、钛合金及钛
的化合物的应用将会得到更大的发展。
钛的基本性质
原子结构
钛位于元素周期表中WB族，原子序数为22,原子核由22个质子和20-32个中子组成,核外电子结构排列为1S22S22P63S23D24S2。
原子核半径5x10-13厘米。
物理性质
钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米（20C），熔点1668±
4C,熔化潜热3.7-5.0千卡/克原子，沸点3260±
20C，汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子，临界温度4350C，临界压力1130大气压。
钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢，钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为0.38-0.4K。
在25C时，钛的热容为0.126卡/克原子•度，热焓1149卡/克原子，熵为7.33卡/克原子•度，金属钛是顺磁性物质，导磁率为1.00004。
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。
钛中杂质的存在，对其机械性能影响极大，特别是间隙杂质（氧、氮、碳）可大大提高钛的强度，显著降低其塑性。
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。
化学性质
钛在较高的温度下，可与许多元素和化合物发生反应。
各种元素，按其与钛发生不同反应可分为四类：
第一类：
卤素和氧族元素与钛生成共价键与离子键化合物；
第二类：
过渡元素、氢、铍、硼族、碳族和氮族元素与钛生成金属间化物和有限固溶体；
第三类：
锆、铪、钒族、铬族、钪元素与钛生成无限固溶体；
第四类：
惰性气体、碱金属、碱土金属、稀土元素（除钪外），锕、钍等不与钛发生反应或基本上不发生反应。
与化合物的反应：
◊HF和氟化物
氟化氢气体在加热时与钛发生反应生成TiF4，反应式为
（1）；
不含水的氟化氢液体可在钛表面上生成一层致密的四氟化钛膜，可防止HF浸入钛的内部。
氢氟酸是钛的最强熔剂。
即使是浓度为1%的氢氟酸，也能与钛发生激烈反应，见式
（2）；
无水的氟化物及其
水溶液在低温下不与钛发生反应，仅在高温下熔融的氟化物与钛发生显著反应。
Ti+4HF=TiF4+2H2+135.0千卡
（1）2Ti+6HF=2TiF4+3H2
（2）
◊HCI和氯化物
氯化氢气体能腐蚀金属钛，干燥的氯化氢在>
300C时与钛反应生成TiCI4，见式（3）;
浓
度<
5%的盐酸在室温下不与钛反应，20%的盐酸在常温下与钛发生瓜在生成紫色的TiCI3，见式（4）;
当温度长高时，即使稀盐酸也会腐蚀钛。
各种无水的氯化物，如镁、锰、铁、镍、铜、锌、汞、锡、钙、钠、钡和NH4离子及其水溶液，都不与钛发生反应，钛在这些氯化物中具有很好的稳定性。
Ti+4HCI=TiCI4+2H2+94.75千卡（3）2Ti+6HCI=TiCI3+3H2（4）
◊硫酸和硫化氢
钛与<
5%的稀硫酸反应后在钛表面上生成保护性氧化膜，可保护钛不被稀酸继续腐蚀。
但>
5%的硫酸与钛有明显的反应，在常温下，约40%的硫酸对钛的腐蚀速度最快，当浓度大于40%，达到60%时腐蚀速度反而变慢，80%又达到最快。
加热的稀酸或50%的浓硫酸可
与钛反应生成硫酸钛，见式（5）,（6），加热的浓硫酸可被钛还原，生成SO2,见式（7）。
常温下钛与硫化氢反应，在其表面生成一层保护膜，可阻止硫化氢与钛的进一步反应。
但在高温下，硫化氢与钛反应析出氢，见式（8）,粉末钛在600C开始与硫化氢反应生成钛的
硫化物，在900C时反应产物主要为TiS,1200C时为Ti2S3。
Ti+H2SO4=TiSO4+H2（5）2Ti+3H2SO4=Ti2（SO4）3+H2（6）
2Ti+6H2SO4=Ti2（SO4）3+3SO2+6H2O+202千卡（7）Ti+H2S=TiS+H2+70千卡（8）
◊硝酸和王水
致密的表面光滑的钛对硝酸具有很好的稳定性,这是由于硝酸能快速在钛表面生成一层牢固的氧化膜,但是表面粗糙,特别是海绵钛或粉末钛,可与次、热稀硝酸发生反应,见式
（9）、（10）,高于70C的浓硝酸也可与钛发生反应，见式（11）;
常温下，钛不与王水
反应。
温度高时,钛可与王水反应生成TiCI2。
3Ti+4HNO3+4H2O=3H4TiO4+4NO（9）3Ti+4HNO3+H2O=3H2TiO3+4NO（10）
Ti+8HNO3=Ti（NO3）4+4NO2+4H2O（11）
综上所述,钛的性质与温度及其存在形态、纯度有着极其密切的关系。
致密的金属钛在自然界中是相当稳定的,但是,粉末钛在空气中可引起自燃。
钛中杂质的存在,显著的影响钛的物理、化学性能、机械性能和耐腐蚀性能。
特别是一些间隙杂质,它们可以使钛晶格发
生畸变,而影响钛的的各种性能。
常温下钛的化学活性很小,能与氢氟酸等少数几种物质发生反应,但温度增加时钛的活性迅速增加,特别是在高温下钛可与许多物质发生剧烈反应。
钛的冶炼过程一般都在800C以上的高温下进行，因此必须在真空中或在惰性气氛保护下操作。
钛（Ti）
钛（Ti）---银灰色金属，比重4.5，熔点1668°
C。
他用希腊神话中大地之子泰坦（Titan）的名字来命名（中文按它原文名称的译音，定名为钛）。
在古希腊，“泰坦精神”就是勇往直前的同义词,用titanium的名字来命名表示
金属钛所具有的天然强度。
钛是一种很特别的金属，质地非常轻盈，却又十分坚韧和耐腐蚀，它不会像银会变黑，在常温下终身保持本身的色调。
钛的熔点与铂金相差不多，因此常用于航天.军工精密部件。
加上电流和化学处理后，会产生不同的颜色。
钛如同它的名字一样是一种具有英雄气概的金属，银亮，轻盈，坚牢。
在化学上，大名鼎鼎的强腐蚀剂“王水”能够吞噬白银、黄金，以至把号称“不锈”的不锈钢侵蚀，变得锈迹斑驳，面目全非。
然而，“王水”对钛却无可奈何。
在“王水”中浸泡了几年的钛，依旧锃亮，光彩照人！
有优异的抗酸碱腐蚀性；
若把钛加到不锈钢中，只加百分之一左右，就大大提高抗锈本领。
常温时钛在空气中稳定；
因为钛具有密度小、耐高温、耐腐蚀等优良的特性，钛合金强度高，它密度小，强度大，密度是钢铁的一半而强度和钢铁差不多；
钛既耐高温，又耐低温。
在-253C~500C这样宽的温度范围内都能保持高强度。
这些优点正是太空金属所必备的。
钛的合金是制做火箭发动机的壳体及人造卫星、宇宙飞船的好材料。
钛有“太空金属”之称。
由于钛有这些优点，所以50年代以来，一跃成为突出的稀有金属。
钛是一种纯性金属，正因为钛金属的“纯”，故物质和它接触的时候，不会产生化学反应。
也就是说，因为钛的耐腐蚀性、稳定性高，使它在和人长期接触以后也不影响其本质，所以不会造成人的过敏，它是唯一对人类植物神经和味觉没有任何影响的金属。
钛又被人们
称为“亲生物金属”。
钛在医学上有着独特的用途。
在骨头损伤处，用钛片和钛螺丝钉固定好，过几个月，骨头就会长在钛片上和螺丝钉的螺纹里。
新的肌肉就包在钛片上，这种“钛骨”就如真的骨头一样，甚至可以用钛制人造骨头来代替人骨治疗骨折。
由于钛的以上特性，它特有的银灰色调不论是高抛光.丝光.亚光都有很好的表现，是除
贵金属铂，金以外最合适的首饰金属，在国外现代首饰设计中经常使用。
但由于钛的加工技术要求很高，用普通设备很难浇铸成型，用普通工具又很难将它焊接起来，所以很难形成生产规模。
因此，在国内首饰市场很难见到它的踪影，市场上俗称钛金。
钛金属具有未来性的特质，皆能增显气质，同时历久弥新，质地轻盈却格外坚固，是国际上流行的首饰用材。
至于款型设计上，极简干净的切割，高度的设计性与低调的前卫风格，备受年轻白领的推崇。
钛合金
以钛为基加入其他元素组成的合金。
钛的工业化生产是1948年开始的。
航空工业发展的需要，使钛工业以平均每年约8％的增长速度发展。
目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨,钛合金牌号近30种。
使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V（TC4）,Ti-5Al-2.5Sn（TA7）和工业纯钛（TA1、TA2和TA3）。
钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。
60年代中期，钛及其合金已在一般工业中应用，用于制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。
钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。
此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金等。
中国于1956年开始钛和钛合金研究；
60年代中期开始钛材的工业化生产并研制成TB2合金。
特点钛合金与其他金属材料相比,有下列优点:
①比强度（抗拉强度／密度）高（见图）,抗拉强度可达100〜140kgf/mm2，而密度仅为钢的60%。
②中温强度好，使用温度比铝合金高几XX，在中等温度下仍能保持所要求的强度，可在450〜500C的温度下长期工作。
③耐
蚀性好，在大气中钛表面立即形成一层均匀致密的氧化膜，有抵抗多种介质侵蚀的能力。
通常钛在氧化性和中性介质中具有良好的耐蚀性，在海水、湿氯气和氯化物溶液中的耐蚀性能更为优异。
但在还原性介质，如盐酸等溶液中，钛的耐蚀性能较差。
④低温性能好，间隙元
素极低的钛合金,如TA7,在-253C下还能保持一定的塑性。
⑤弹性模量低，热导率小，无铁磁
合金元素钛有两种同质异晶体：
882C以下为密排六方结构a钛，882C以上为体心立方的3钛。
合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：
①稳定a相、提高相转变温度的
元素为a稳定元素，有铝、碳、氧和氮等。
其中铝是钛合金主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。
②稳定3相、降低相变温度的元素
为3稳定元素，又可分同晶型和共析型二种。
前者有钼、铌、钒等；
后者有铬、锰、铜、铁、硅等。
③对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。
氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质。
氧和氮在a相中有较大的溶解度，对钛合金有显著强化效果，但却使塑性下降。
通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.15〜0.2%和0.04〜0.05%
以下。
氢在a相中溶解度很小，钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆。
通常钛合金中氢含量控制在0.015%以下。
氢在钛中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。
类别钛合金根据相的组成可分为三类：
a合金,（a+3）合金和3合金，中国分别以TA、
TC、TB表示。
①a合金含一定量的稳定a相的元素，平衡状态下主要由a相组成。
a合金比重小，
热强性好、具有良好的焊接性和优异的耐蚀性，缺点是室温强度低，通常用作耐热材料和耐蚀
材料。
a合金通常又可分为全a合金（TA7）、近a合金（Ti-8AI-1Mo-1V）和有少量化合物的a合金（Ti-2.5Cu）。
②（a+3）合金含一定量的稳定a相和3相的元素，平衡状态下
合金的组织为a相和3相。
（a＋3）合金有中等强度、并可热处理强化，但焊接性能较差。
（a＋3）合金应用广泛，其中Ti-6AI-4V合金的产量在全部钛材中占一半以上。
③3合金含大量稳定3相的元素，可将高温3相全部保留到室温。
3合金通常又可分为可热处理3合金（亚稳定3合金和近亚稳定3合金）和热稳定3合金。
可热处理3合金在淬火状态下有优异的塑性，并能通过时效处理使抗拉强度达到130〜140kgf/mm2。
3合金通
常作高强度高韧性材料使用。
缺点是比重大，成本高，焊接性能差，切削加工困难。
钛合金按用途可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金（钛-钼，钛-钯合金等）、低温合
金以及特殊功能合金（钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金）等。
典型合金的成分和性能见表。
热处理钛合金通过调整热处理工艺可以获得不同的相组成和组织。
一般认为细小等轴组织具有较好的塑性、热稳定性和疲劳强度；
针状组织具有较高的持久强度、蠕变强度和断裂韧性；
等轴和针状混合组织具有较好的综合性能。
常用的热处理方法有退火、固溶和时效处理。
退火是为了消除内应力、提高塑性和组织稳定性，以获得较好的综合性能。
通常a合金和（a+B）合金退火温度选在（a+3）—
相转变点以下120〜200C;
固溶和时效处理是从高温区快冷，以得到马氏体a'
相和亚
稳定的B相，然后在中温区保温使这些亚稳定相分解，得到a相或化合物等细小弥散的第二
相质点，达到使合金强化的目的。
通常（a+B）合金的淬火在（a+B）B相转变点以下
40〜100C进行，亚稳定B合金淬火在（a+B）＞B相转变点以上40〜80C进行。
时效处理温度一般为450〜550C。
此外，为了满足工件的特殊要求，工业上还采用双重退火、等温退火、B热处理、形变热处理等金属热处理工艺。
以钛为基体加入其他合金元素而构成的有色合金。
其主要添加元素有铝、锡、锰、钒、
铬、钼、铁、硅、铜等。
在退火状态下，钛合金的相组成分为a型、B型和（a+B）型3
类，中国分别以TA、TB和TC表示。
与其他金属材料相比，钛合金比强度高，中温、低温性能好;
在氧化性介质中，合金表面能生成一层牢固而致密的、破坏后又能自愈的氧化膜，可防止金属进一步氧化，故钛合金又具有较好的耐腐蚀性。
钛合金按用途分为：
①耐蚀钛合金。
除具有一般钛合金的耐蚀性能外，还具有高断裂韧性和高强度、低的应力腐蚀敏感性和耐海水和化工介质的腐蚀性能。
主要用于制造潜艇壳体和海洋压力容器等。
②耐热钛合金。
通过固溶强化、弥散强化等工艺获得较好的高温性能，使用温度在400C以上。
用于制造飞行器蒙皮、航天工业用发动机零件等。
③高强度钛合金。
强度可达1200〜2000兆帕（MPa）。
主要用于制造飞机构件，还可制造耐蚀设备、运动器具等。
④低温钛合金。
可在液氧、液氢温度下使用，具有高的低温塑性和韧性。
用于制造液态气体的容器和需要高塑性、高韧性的零件。
⑤粉末钛合金。
用粉末冶金方法制成，可代替变形钛合金制造各种半精密形状的零件，能提高材料的利用率，降低制造成本。
⑥功能钛合金。
主要有镍钛形状记忆合金、铁钛贮氢材料等。
补充
钛合金按组织可分三类.（1钛中加入铝和锡元素.2钛中加入铝铬钼钒等合金元素.3钛中加入铝和钒等元素.）钛合金具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好.另外:
钛合金的工艺性能差，切削加工困难.在热加工中，非常容易吸收氢氧氮碳等杂质.还有抗磨性差，
生产工艺复杂.
titaniumalloys
钛的工业化生产是1948年开始的,航天工业发展的需要，使钛工业以平均每年约8％的增长速度发展。
目前世界钛合金加工材年产量已达4
万余吨,钛合金牌号近30种。
使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V（TC4）,Ti-5Al-2.5sn（TA7）和工业纯钛（TA1、TA2和TA3）。
钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件,其次为火箭导弹和高速飞机的结构件。
60
年代中期，钛及其合金已在一般工业中应用，用于制作电解工业的电极，发电站的冷凝器,石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。
钛及其合金已成为一种耐腐蚀结构材料。
钛合金的特性与运用
一、前言：
在我们的日常生活中，我们常常会听到所谓的"
钛合金"
，但是我们一般人对于钛合金
的认识却不太了解，其实钛金属在1791年被克拉普罗斯（Klaproth）发现，在地球的含量仅次于铝、铁、镁的金属物质，其之所以命名为"
钛"
，是以希腊神（Titan，泰坦）为名。
虽然
钛金属被发现的很早，但是利用钛金属来制造飞机是最近60年来的事，而且随着航空科技的发展，钛金属的用途越来越大。
因为钛金属及其合金有很多的特性，因此钛合金于1957年开始被广泛的运用在太空及航空科技上，作为制造航天飞机、卫星、飞机等的材料，到了1963年钛合金甚至被用于制造潜水艇的外壳，现
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