鈦的基礎(chǔ)知識(shí)

鈦是1950年代開發(fā)的重要結(jié)構(gòu)金屬。鈦合金因其高比強(qiáng)度，良好的耐腐蝕性和高耐熱性而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。世界上許多國(guó)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到鈦合金材料的重要性，并相繼進(jìn)行了研究和開發(fā)，并獲得了實(shí)際應(yīng)用。鈦是元素周期表中的第四個(gè)B元素。它看起來(lái)像鋼，熔點(diǎn)為1 672C。它是一種難熔金屬。地殼中的鈦含量豐富，遠(yuǎn)高于普通金屬，例如Cu，Zn，Sn和Pb。中國(guó)的鈦資源極為豐富。僅在四川省攀枝花地區(qū)發(fā)現(xiàn)的超大型釩鈦磁鐵礦中，相關(guān)的鈦儲(chǔ)量就達(dá)到約4.2億噸，接近國(guó)外已探明鈦儲(chǔ)量的總和。鈦合金可分為耐熱合金，高強(qiáng)度合金，耐腐蝕合金（Ti-Mo，Ti-Pd合金等），低溫合金和特殊功能合金（Ti-Fe儲(chǔ)氫材料和Ti-Ni記憶體）合金）。

鈦合金元素

鈦合金是基于鈦并添加了其他元素的合金。鈦具有兩種均質(zhì)的異質(zhì)晶體：882℃以下具有緊密六方結(jié)構(gòu)的α鈦和882℃以上具有體心立方結(jié)構(gòu)的β鈦。根據(jù)對(duì)相變溫度的影響，合金元素可分為三類： 1.穩(wěn)定α相并提高相變溫度的元素是α穩(wěn)定元素，包括鋁，碳，氧和氮。其中，鋁是鈦合金的主要合金元素。它對(duì)提高室溫和高溫強(qiáng)度，降低比重和增加合金的彈性模量具有明顯的作用。 （2）β穩(wěn)定相和相變溫度下降是β穩(wěn)定元素，可分為同晶和共析兩種。前者包括鉬，鈮和釩，而后者包括鉻，錳，銅，鐵和硅。 （3）鋯和錫等中性元素對(duì)相變溫度的影響很小。

氧，氮，碳和氫是鈦合金中的主要雜質(zhì)。氧和氮在α相中具有較高的溶解度，這對(duì)鈦合金具有明顯的強(qiáng)化作用，但會(huì)降低其可塑性。通常規(guī)定鈦中的氧和氮含量分別低于0.15-0.2%和0.04-0.05%。氫在α相中的溶解度很小。溶解在鈦合金中的過(guò)量氫會(huì)生成氫化物，這會(huì)使合金變脆。通常，鈦合金中的氫含量控制在0.015%以下。氫在鈦中的溶解是可逆的。

分類

鈦是一種異構(gòu)體，其熔點(diǎn)為1720（？）C，在低于882（？）的溫度下具有致密的六方晶格結(jié)構(gòu)，稱為α鈦；在高于882（？）C的溫度下為體心立方晶格結(jié)構(gòu)。 ，稱為β鈦。通過(guò)添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪刂饾u改變相變溫度和相含量，可以獲得具有不同顯微組織的鈦合金。鈦合金在室溫下具有三種基質(zhì)結(jié)構(gòu)。鈦合金也可以分為三類：α合金，（α+β）合金和β合金。中國(guó)分別以TA，TC和TB為代表。

阿爾法鈦合金

它是由α相固溶體組成的單相合金。在常溫和較高的實(shí)際應(yīng)用溫度下均為α相。與純鈦相比，它具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，更高的耐磨性和較強(qiáng)的抗氧化性。其強(qiáng)度和抗蠕變性在500 600 C的溫度下得以維持，但不能通過(guò)熱處理進(jìn)行增強(qiáng)，并且在室溫下的強(qiáng)度也不高。

Beta鈦合金

它是由β相固溶體組成的單相合金。未經(jīng)熱處理，強(qiáng)度高。經(jīng)過(guò)淬火和時(shí)效處理后，合金進(jìn)一步強(qiáng)化，其室溫強(qiáng)度可以達(dá)到1372-1666 MPa。但是，其熱穩(wěn)定性差并且不適合在高溫下使用。

Alpha +β鈦合金

它是一種具有良好綜合性能，良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，良好的韌性，可塑性和高溫變形性能的雙相合金。它可以在熱壓下進(jìn)行加工，并通過(guò)淬火和時(shí)效進(jìn)行強(qiáng)化。熱處理后，與退火狀態(tài)相比，強(qiáng)度提高了50%-100%，高溫強(qiáng)度在400 500的溫度下可以長(zhǎng)時(shí)間工作，其熱穩(wěn)定性不如α鈦合金。

在三種鈦合金中，最常用的是α-鈦合金和α+β-鈦合金。 α-鈦合金具有最佳的可加工性，其次是α+β-鈦合金和β-鈦合金。 Alpha鈦合金代碼TA，β鈦合金代碼TB，α+β鈦合金代碼TC。

鈦合金的應(yīng)用

鈦合金可分為耐熱合金，高強(qiáng)度合金，耐腐蝕合金（Ti-Mo，Ti-Pd合金等），低溫合金和特殊功能合金（Ti-Fe儲(chǔ)氫材料和Ti-Ni記憶體）合金）。表中列出了典型合金的成分和性能。

通過(guò)調(diào)節(jié)熱處理工藝可以獲得不同的相組成和結(jié)構(gòu)。通常認(rèn)為，細(xì)等軸結(jié)構(gòu)具有更好的可塑性，熱穩(wěn)定性和疲勞強(qiáng)度；針狀結(jié)構(gòu)具有較高的耐力強(qiáng)度，蠕變強(qiáng)度和斷裂韌性；等軸針狀混合結(jié)構(gòu)具有較好的綜合性能。

鈦合金具有高強(qiáng)度，低密度，良好的機(jī)械性能，良好的韌性和耐腐蝕性。另外，鈦合金的技術(shù)性能差并且難以切削。在熱加工中很容易吸收氫，氧，氮和碳等雜質(zhì)。耐磨性差且生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜。鈦的工業(yè)化生產(chǎn)始于1948年。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，鈦工業(yè)以每年平均8%的速度增長(zhǎng)。目前，世界鈦合金加工材料的年產(chǎn)量已達(dá)4萬(wàn)噸以上，鈦合金牌號(hào)近30種。使用最廣泛的鈦合金是Ti-6Al-4V（TC4），Ti-5Al-2.5Sn（TA7）和工業(yè)純鈦（TA1，TA 2和TA3）。

鈦合金主要用于制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)零件，其次是火箭，導(dǎo)彈和高速飛機(jī)。在1960年代中期，鈦及其合金已在一般工業(yè)中用于制造電解工業(yè)中的電極，發(fā)電廠的冷凝器，煉油和海水淡化用加熱器以及環(huán)境污染控制設(shè)備。鈦及其合金已成為一種耐腐蝕的結(jié)構(gòu)材料。此外，它還用于生產(chǎn)儲(chǔ)氫材料和形狀記憶合金。

1956年在中國(guó)對(duì)鈦和鈦合金進(jìn)行了研究，1960年代中期開發(fā)了鈦材料和TB2合金的工業(yè)化生產(chǎn)。

鈦合金是一種用于航天工業(yè)的新型重要結(jié)構(gòu)材料。其比重、強(qiáng)度和使用溫度介于鋁和鋼之間，但具有較高的比強(qiáng)度和優(yōu)良的耐海水腐蝕性能和超低溫性能。 1950年，美國(guó)首先使用F-84戰(zhàn)斗轟炸機(jī)作為后機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、尾罩等非承重部件。 1960年代以來(lái)，鈦合金的使用從機(jī)身后部轉(zhuǎn)移到機(jī)身中部，部分替代結(jié)構(gòu)鋼制造隔板、橫梁、襟翼和滑軌等重要的承重部件。軍用飛機(jī)用鈦合金用量迅速增加，達(dá)到飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的20%-25%。自1970年代以來(lái)，鈦合金已廣泛用于民用飛機(jī)。例如，波音747客機(jī)使用的鈦量超過(guò)3640公斤。馬赫數(shù)小于2.5的飛機(jī)用鈦主要用于替代鋼材，以減輕結(jié)構(gòu)重量。例如美國(guó)SR-71高空高速偵察機(jī)（飛行馬赫數(shù)3，飛行高度26212米），鈦合金占該機(jī)結(jié)構(gòu)重量的93%，被稱為“全鈦”飛機(jī)。當(dāng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比從 4 提高到 6 提高到 8 提高到 10，壓氣機(jī)出口溫度從 200 到 300 ℃ 提高到 500 到 600 ℃ 時(shí)，原來(lái)的低壓壓氣機(jī)圓盤和葉片由鋁必須用鈦合金代替，或用鈦合金代替不銹鋼制成的高壓壓氣機(jī)盤和葉片，以減輕結(jié)構(gòu)重量。 1970年代，航空發(fā)動(dòng)機(jī)用鈦合金用量一般占結(jié)構(gòu)總重量的20%-30%。主要用于制造壓氣機(jī)部件，如鍛造鈦風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤和葉片、鑄鈦壓氣機(jī)殼、中間機(jī)殼、軸承座等。航天器主要利用鈦合金的高比強(qiáng)度、耐腐蝕和耐低溫特性制造各種壓力容器、油箱、緊固件、儀表帶、框架和火箭彈。鈦合金板焊件還用于人造地球衛(wèi)星、登月艙、載人航天器和航天飛機(jī)。