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普及關于鈦以及鈦合金的基礎知識

文字來源:深圳市圣瑞金屬科技有限公司人氣:1370發布時間:2019-04-25

本文主要介紹鈦和鈦合金的生產方法、特性、合金化方向、分類以及現階段的研究。

1、生產方法

鈦作為一種化學元素,是英國人維利雅姆?格列高爾在1791年發現的?鈦作為一種結構金屬,50年前才開始使用?鈦在自然界中的分布相當廣泛,金屬中僅次于鋁、鐵、鎂居第四位?

鈦作為工業結構金屬的開發,晚于其它金屬,這是因為鈦是一種難以熔化的、而在高溫下化學活性很高的元素,從礦石中提取金屬鈦以及由金屬鈦生產制品,都存在很大的技術性困難.自從真空冶金方法和其它新 工藝方法出現以后,才克服了這些困難? 鈦的特點之一,是能與空氣中的氧和氮產生劇烈的相互作用,形成脆性的合金,即使鈦中的氧、氮的含量只有百分之幾,也足以使合金變脆?所以,金屬鈦真實的機械性能,直到不久前,也就是以碘化法制得高純鈦以后才得以確定?

由于鈦對氧的化學親和力高,由氧化物礦石提取純金屬的嘗試,在經濟技術指標方面沒有得到令人滿意的結果?用鈦與鹵素(氯、碘)的化合物作原料,可得到高純金屬?用于研究目的的高純鈦,可通過揮發性碘化鈦的熱解法來制得,即所謂的碘化法? 生產工業用途的工業純鈦,可用鎂(鎂熱法)或鈉(鈉熱法)還原四氯化鈦的方法,其中鎂熱法應用最為廣泛.

應該指出,電解法目前僅用于鈦的除雜精煉(溶解陰極法) .由氧化物礦石作原料進行鈦工業生產的許多電解實驗,至今都是不成功的,這是因為其成本高于氯化鈦的鎂熱還原法或鈉熱還原法?

用氫化鈣還原純氧化鈦的方法〔第匹種方法),僅在制取特殊用途細鈦粉方面有少量的應用,因為該方法既不能保證還原的充分性,也不能保證產品有需要的純度水平.鎂熱制鈦方法的優點,是金屬鎂價廉易

得,各工業發達國家都能生產,此外,可形成閉路的生產循環,而還原反應的副產品(氯化鎂)還可用于制取生產過程所需要的兩種原料一氯和金屬鎂,從而顯著降低了生產成本?

鎂熱法的缺點,是其生產不連續?開發連續生產方法,將能進一步降低目前還相當高的鈦生產成本,同時提高生產效率.

1995年全世界金屬鈦的總產量為5 ? 54 t.主要的產鈦國和用鈦國有美國、獨聯體國家、日本和中國?鈦和鐵、鋁、鎂、鎳一樣,是現代機器制造業最重要的材料之一。

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2、特性

鈦作為結構材料的優點,是眾所周知的,鈦的重量輕、在很寬的工作溫度范圍內有較高的持久強度,可廣泛應用于航空、宇航和其它的機器制造部門?鈦的耐腐蝕性高,可使用于化學機器制造業和其它部門? 鈦可使用在由極端低溫到500600 ℃ 的溫度范圍內,純鈦和某些鈦合金,甚至在液氦中也不變脆,而鈦鋁合金甚至可使用到 750850 ℃.在從低溫到高溫的整個溫度范圍內,鈦合金的比強度均超過其它結構材料?

鈦與鐵一樣,是多晶型金屬,因而鈦合金具有各種各樣的組織形態和相組成.鈦的綜合物理化學性能與鐵族金屬極不相同,所以將現代的研究方法應用到鈦合金上也有一定的特點,甚至是制備顯微組織與宏觀組織磨片,都有一定的困難,因為鈦有粘附切削工具的特性?鈦及鈦合金試片的機械加工,磨削和拋光,應采用特殊的工藝方法與操作規程?由于鈦的氧化與滲氫,制備透射電子顯微鏡檢查用的箔片存在不少困難?鈦及鈦合金在酸洗時,在滲氫性制劑和電解質中都會吸收大量的氫,結果使試樣的相組成與原始值相去甚遠?

盡管鈦合金(不包括金屬間化合物)中只有為數較少的相(愎、  ,但由于這些相的晶格取向對應關系接近,而使其x射線反射處于相近的、通常相互重疊的角度范圍,這就給解釋x射線組織分析的結果以及電子照相的分析結果造成困難?

合金的金相研究方法,通常廣泛應用于半成品和成品的控制與調整.例如,研究宏觀組織便可查因鑄錠鑄造工藝不完善而造成的化學成分不均勻性、晶粒不一致性以及材料的其它缺陷?顯微分析可判斷是否違反了不同的工藝加熱規范,諸如壓力加工前加熱、退火、熱處理強化等規范?為了評價斷口的組織形態并研究在使用時發生破壞的原因,正越來越多地使用金相分析法及其相似方法?

金相學的重要組成部分,是二元系、 元系及多元復雜系的相平衡圖?關于多元復雜系相平衡圖的資料還很有限,在使用相平衡圖時應該注意使其處于最接近相平衡狀態的條件下,在工業條件下,由于冷卻速度高,合金不會實現平衡狀態,而其相組成則與理論值有相當大的差距.某些鈦合金實現平衡非常緩慢:例如建立Ti-cr系相平衡圖在實驗方面存在很大的困難?而且根據相平衡圖通常只能確定大致的相組成,并判斷應該如何在合金狀態接近平衡的條件下調整相的數量與組成?

根據相平衡圖,可以預測合金性能與其化學成分及相組成之間的關系.H ℃ ?庫爾納科夫曾提出假設,兩相合金的性能是加和性的?而后,A ? A ?博奇瓦爾院士指出,如果兩相二元合金化學成分的變化能顯著改變單個的晶粒尺寸,則違反加和定率?札菲發現兩相二元鈦合金性能偏離加和定律?而后,B ? H ?莫依謝耶夫通過比較札菲的理論用其它方法,發展了兩相鈦合金遵守加和定律的論點? ?A ?科拉切夫對這些規律性進行了總結?

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3、合金化

鈦的合金化可使其強度提高12倍,在某些情況下還可提高耐腐蝕性?工業鈦合金的主要合金化元素是鋁?Ti—Al系為基礎,研制了一系列的可焊鈦合金?除此而外,鋁存在于幾乎所有的鈦基合金成分中.所以,Ti— Al系對鈦合金的意義相當于 Fe—c系對鐵基合金的意義?

重要的合金化添加劑還有釩和鉬?高強鈦合金的基礎為Ti—Al-V三元系,而熱強鈦合金的基礎則為Ti—Al—Mo三元系?例如Ti—6Al—4V合金(通常用64代號表示)是最常用的一種合金?哈森研制的這一合金,對于發展鈦工業所起的作用,不小于維里姆硬鋁對發展鋁冶金工業所起的作用? 由于多組分合金化趨勢的出現,許多現代鈦合金同時含有鋁、釩、鉬?

除這三種金屬以外,還有七種金屬可作為工業鈦合金的合金化組分:Cr、Mn、 Fe、Cu、sn、zr、w.有時也使用鈮和鉭?在某些實驗合金的組分中,還可見到鎵、銻、鉍,但是這些合金都沒有得到廣泛的工業應用?將鈀和鉑加人純鈦,提高其在強腐蝕性介質中的穩定性,尤其是在無機酸中的穩定性?對鈦合金而言,最有意義的非金屬包括硅和硼,以及可形成間隙固溶體的元素一碳、氧、氮、氫,通常在鈦合金中加硅,可提高熱強性,加硼可起到改性作用?這些元素通常屬于有害雜質,其含量應盡可能的小?而且,氧在已知的范圍內可看作是合金化添加劑,在任意鈦合金的爐料計算中,其強化作用都必須加以考慮?不同牌號工業純鈦強度的差異,正是由于氧和其它雜質含量的不同而造成的,其中氧含量是主要因素?在工業條件下,原料鈦中雜質含 的多少按其對瞬時抗斷強度的總和作用加以考慮?這樣就沒有必要對每種雜質的含量進行化學分析,還可避免因海綿鈦中雜質分布不均勻而造成的分析誤差.由于熔融金屬超快凝固工藝的開發方面的最新發展,將一些新的合金化元素(因為其固態溶解度小,早先認為是沒有前途的合金化元素)用作合金化組分也是有意義的?可用于鈦的這類元素是稀土元素,采用超快凝固工藝時添加稀土元素可獲得熱穩定彌散強化型鈦合金?

根據合金化元素影響鈦多晶型轉變溫度的效果,合金化元素可分以下三類:

第一類元素為提高鈦多晶型轉變溫度的 穩定劑?列人儀穩定劑的金屬包括鋁、鎵、銦,非金屬有碳、氮、氧?

第二類元素為降低鈦多晶型轉變溫度的 穩定劑?含有第一類元素的鈦合金在足夠低的溫度下發生相共析分解:=“  這種元素有Cr、Mn、Fe、Cu、Ni、Pb. Be、co,它們被稱之為共析型穩定劑? 含有第二類元素的鈦合金,在其含量足夠高的情況下,固溶體可保持到室溫而不發生共析分解?這種元素被稱作同晶型穩定劑?這類元素有v、MO、Nb、Ta.第三類元素()u、Rh、Re、Os、(r)在富鈦區與鈦形成的相平衡圖,相當于鈦與同晶型穩定劑形成的相平衡圖?在這類元素含量足夠大的情況下,相在室溫下是完全穩定的,只是在相對貧鈦區出現新相和與其有關的無變量平衡?

鎢與鈦形成連續固溶體,然而當溫度下降時相發生類偏晶轉變

" ?當溫度低于類偏晶點時該系的平衡,類似于含有同晶型元素的鈦系的相平衡,在兩種情況下,儀和固溶體均處于平衡狀太

所以,Ru、Rh、Re、Os、Ir、W元素屬于近同晶型穩定劑?而且這些元素對淬火鈦合金相組成的影響,類似于同晶型 穩定劑的影響?在淬火之后,當鈦合金中這些元素的含量足夠時?馬氏體為 馬氏體所取代,這與含有同晶型穩定劑 、MO、Ta、(b)的合金相類似?

第三類是指對鈦多晶型轉變溫度影響較小的合金化元素?可列人這類元素的有 sn、zr、GC、Hf和,這些元素被稱為中性強化劑?

鈦中的合金化元素及雜質,還可分為置換元素和間隙元素?圖1對鈦中合金化元素與雜質的分類做了總結?

鈦合金的基礎是以鈦的兩種同質多晶型變體為基的固溶體一僕和它們可形成不同的顯微組織?除固溶體之外,合金組織中還可以存在碳化物、氫化物以及其它的金屬互化物,例如常見的少量硅化物?

目前,關于鈦合金的相組成、組織與性能,主要按Ti-Mo類型相平衡圖來判斷,同時通過鉬當量來考慮除鉬以外的其余所有 的作用.在使用鉬當量時,可將所有的合金化元素按其影響鈦多晶型轉變的程度做順序排列.這種影響的特征是該元素在鈦二元合金中淬火獲得百分之百組織的最小需要濃度?把鉬的相應濃度作為1.鈦合金相組成的這種分析方法,類似于按系數評價銅合金相組成的方法?采用鉬當量'的原因多多少少是因為未能建立最重要的鈦基多組分系相平衡圖,未能確定復雜系成分一性能的普遍規律性?應該指出,早就需要更有效地使用三元系和三元以上復雜系,來描述鈦合金的相組成以及熱處理時在鈦合金中發生的轉變?

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 4 分類

用一種或幾種穩定劑合金化的“? 40。

組織的工業鈦合金,很容易按合金成分接近臨界值的程度進行分類?為此,可采用合金阝穩定化的所謂標準系數.系數取決于所研究二元合金中穩定劑含量與其在臨界成分Ckp二元合金中含量(即區淬火可獲得百分之百組織的最小合金化程度的合金)的比例?由此可見, K,= C/ Ckp,式中c一合金中穩定劑的含量?所以,亞臨界成分合金的該系數小于 1,臨界成分合金等于1,超臨界成分合金大于1.例如,二元鈦合金的鉬臨界濃度為 10?所以含有4MO的合金,:4 / 100 ? 4,而含有16M。的合金,一16 / 101 ?6,依次類推?

用類似的方法不但可以評價二元合金的 穩定系數,還可評價含有幾種穩定元素的復雜合金的穩定系數?在此情況下,需要作出一系列的假設?不考慮鋁(在二元合金中鋁是儀穩定劑)以及錫和鋯(屬中性強化劑)等元素對相穩定化的影響?不考慮穩定劑在儀鈦中的溶解度,大多數元素的溶解度在0 ? 2%一0 ? 9%之間(不包括釩、鈮、鉭,這幾種元素在。鈦中的溶解度為幾個百分點) .當提高穩定劑含量時,相的穩定性呈直線變化,一種合金中同時存在數種阝穩定劑的作用是加和性的,也就是說等于每種阝穩定劑穩定系數的簡單總和?所以,復雜合金的穩定系數與其說是個質量特性,倒不如說是數量特性.而且,它可相當精確地預測多組分工業鈦合金相組成及工藝加熱特性?此外,它還是+組織鈦合金合適的分類基礎?

根據該分類體系,所有的工業鈦合金可方便地分為五類(表1) :合金(不含阝穩定劑),近儀合金邙穩定系數不大于 0 ? 25),兩相合金邙穩定系數0 ? 3 0 ? 9),近合金穩定系數為1.42 ? 4)和合金穩定劑含量大于相的平衡組成,> 2 ? 5) . BT22合金與其余所有合金均有所不同,最好將其列人單獨類型一過渡類型“合金?這些合金類型中的每個合金類型都各有各自的綜合性能與特點?

5研究

鈦合金可發生不同類型的相變,包括馬氏體轉變及不同亞穩定相分解的過程?盡管在該領域進行過大量的研究,不同鈦合金的相變機制仍不很清楚,這是因為存在各種各樣的中間相變階段?而且針對熱處理過程中的實際情況相當多地研究了相變的基本規律?建立了大多數工業鈦合金加熱到不同溫度時的等溫轉變圖,這就可以選擇熱處理規范,從而保證合金的規定相組成及其特性? 很遺憾,建立的非等溫轉變圖則很少,這就很難預測在連續冷卻時形成的合金相組成? 然而等溫轉變圖及非等溫轉變圖只能反映合金的相組成,并不能提供有關合金形態? 42 ?

與尺寸及相組成方面的任何信息,而且,鈦合金的機械性能對顯微組織的類型與參數極為敏感?根據組織因數的不同,斷裂韌性和疲勞強度等重要的使用性能,可相差幾倍,而疲勞裂紋的長大速度則相差一個數量級? 組織類型對機械性能的影響是不同的?形成片狀組織可提高斷裂韌性、降低疲勞裂紋長大速度,但同時卻降低鈦合金塑性性能以及在循環負載下的抗斷強度?所為了保證最佳的綜合性能,必須嚴格限制鈦半成品和成品的組織類型及其參數?

盡管鈦合金主要用于退火狀態,但卻越來越多地使用到熱處理強化,這樣就可在保持塑性的情況下使強度性能提高30%一 60?然而這會顯著降低斷裂韌性?而合理的強化處理則應該使合金得到比退火狀態性能更好的綜合使用性能?

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