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钛与钛合金的基本概念
关闭】【点击: 】 【发布日期:2017-07-31 10:07】【编辑:东莞市联顺金属材料有限企业】【来源:
钛 Titanium

钛是一种金属元素,化学符号Ti,原子序数22,外观呈现银白色金属光泽。钛的密度为4.51g/cm3,熔点为1668℃。

 

钛有两种同素异构体,α-Ti在882℃以下稳定,为密排六方晶格(hcp)结构;β-Ti在882℃与熔点之间稳定存在,具有体心立方晶格(bbc)结构。

 

钛在自然界中分布很广,约占地壳质量的6‰,是含量第十高的元素,在金属世界里排行第七。钛的矿物多达70多种,比较常见是钛铁矿Fe-TiO3、金红石TiO2及钒钛磁铁矿等。钛在海水中含量是1μg/L,在海底结核中也含有大量的钛。除此之外,钛还可以在陨石、煤灰、植物,甚至人体中找到。

 

钛的产品

钛的产品主要是两类:第一类是海绵钛,它可以进一步加工制备各类钛材;第二类是钛白粉,是一种白色颜料,广泛应用在涂料、油漆等化工行业中。

 

钛精矿经冶炼成海绵钛后,经过铸锭可制成工业纯钛钛合金

 

钛产品特性

工业纯钛和钛合金都有耐腐蚀、耐高温和高比强度的特点。钛合金因为添加了其他合金元素,比工业纯钛具有更多样的性质和更广泛的用途。

 

耐腐蚀

钛与钛合金在不同介质和不同温度条件下都有良好的耐腐蚀性能。尤其是在海水中的抗蚀性比铝合金、不锈钢和镍基合金都好。

 

钛的耐蚀性能来自于钝化。在大气或水溶液中,钛表面会马上形成一层保护很好的氧化膜(钝化膜)。这层氧化膜有非常好的愈合性,被机械破损后能很快地<0.1s弥合修复形成新膜。温度在315℃以下,钛的氧化膜始终保持这一特性。

 

耐高温

工业纯钛和钛合金都能在高温环境下保持良好的强度与性能。纯钛稍低,可在350℃以下稳定服役;钛合金的工作温度可达500℃甚至更高。

 

高比强度

工业纯钛和钛合金的比强度都很高。比强度指的是材料的强度与密度的比值。比强度高代表材料强度大而重量轻。这样的特性在航空航天领域很受欢迎。

 

飞机或航天器常用材料有不锈钢、镍基合金和铝合金等。与不锈钢和镍基合金相比,钛合金的密度差不多只有它们的一半,质量更轻;与铝合金只能在200℃以下工作相比,钛合金更耐高温。优势十分明显。

 

工业纯钛

工业纯钛(纯度达99.5%)实质上是一种低合金含量的钛合金,含有氮、碳及铁、硅等杂质元素。其退火组织为α组织。由于含有较多的杂质元素,其强度高于化学纯钛(纯度高达99.9%,也叫高纯钛,接近高强铝合金的水平,但和钛合金比,强度仍然较低。

 

工业纯钛的力学性能和化学性能与不锈钢较为相似。主要用作工作温度350℃以下,受力不大但要求高塑性的冲压件和耐蚀结构零件。

 

我国工业纯钛按其杂质含量的不同,分为TA0、TA1、TA2和TA3四个牌号。四种工业纯钛的间隙杂质元素是逐渐增加的,故其机械强度和硬度也随之逐级增加,但塑性、韧性相应下降。工业上常用的工业纯钛是TA2,因其耐蚀性能和综合力学性能适中。对耐磨和强度要求较高时可采用TA3。对要求较好的成型性能时可用TA1。

 

表 他国工业纯钛典型牌号

美国ASTM

Grade1(Gr1)Grade2(Gr2)

Grade3(Gr3)Grade4(Gr4)

日本JIS

Class1Class2Class3

英国IMI

115125130155160

德国DIN

3.70253.70353.70553.7065

 

钛合金

钛合金是以钛元素为基础加入其它元素的合金。加入的合金元素有Al、Mo、Cr、Sn、Mn、V等。

 

世界上已研制出的钛合金有数百种,其中最著名是美国1954年研制成功的Ti-6Al-4V合金,由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好,而成为钛合金工业中的王牌合金,该合金使用量已占全部钛合金的75%~85%。其他许多钛合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。

 

钛合金的比重、强度和使用温度介于铝和钢之间,但比铝、钢强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。钛合金最广泛的应用是作为航空航天工业中重要结构材料。

 

钛合金分类

钛合金可按退火组织分为三类:α钛合金、β钛合金、α+β钛合金(还包括含有少量β相的近α合金)。α钛合金代号为TA,β钛合金代号为TB,α+β钛合金代号为TC。三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金;α钛合金的切削加工性最好,α+β钛合金次之,β钛合金最差。

 

钛合金也可按用途分为耐热合金、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。

 

牌号及用途

 

 
α钛合金

性能:

室温强度低,高温强度高;良好的抗氧化性、耐蚀性和焊接性;不能热处理强化,退火态使用。

牌号:

TA4、TA5、TA6、TA7、TA8等。常用有TA5和TA7,以TA7为最常用。TA7还具有良好的低温性能。

用途:

可在500℃以下使用,如火箭飞船的低温高压容器,航空发动机的叶片和管道,导弹燃料缸等。TA5主要用于制造船舰零件。

 

 
β钛合金

性能:

可热处理强化,有较高的强度,焊接性能和压力加工性能良好;但性能不够稳定,熔炼工艺复杂,故应用不如α型、α+β型钛合金广泛。

牌号:

有TB1、TB2和TB3,实际应用的为TB2。TB2合金一般在固溶处理状态下交货,在固溶、时效后使用。

用途:

可在350℃以下工作,如压气机叶片、轮盘、轴类等重载荷旋转件,以及飞机的构件等。

 

 
α+β钛合金

性能:

具有α型和β型的优点,大部分可热处理强化,焊接性能不如α型。

牌号:

TC1~TC11,常用有TC3、TC4、TC6、TC9、TC10。TC4就是美国的Ti-6Al-4V,最为常用。TC10是在TC4基础上发展起来,有更高的强度和耐热性。

用途:

400℃以下工作的航空发动机压气机叶片,火箭发动机外壳,导弹液氢燃料箱部件,船舰耐压壳体。

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