钛及其合金材料论文分析.pdf

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1、钛及其合金 机电 11-13 XXX 03111XXX 摘要： 钛是继钢，铝，镁之后21 世纪的新型金属，本文主要介绍了钛及其合金的特性，工艺性能， 生产技术与应用，发展现状以及其具有的巨大的发展潜力。 关键词： 钛合金特性工艺性能应用 发展现状 钛的外观近似于钢，呈银灰色，具有光泽。钛台金主要特点是熔点高达l672 ；硬度高抗拉强度为 l800N/mm2；可塑性强（但有杂质时会变脆、变硬）；密度小，比强度高，同等质量的钛比铝和钢更结实 耐用；无毒、无磁性；耐高温；抗腐蚀性能是普通不锈钢的15 倍，对海水有更特别的抗腐蚀能力。钛的 这些不寻常特性，在飞机、导弹、轮船、汽车，石油、化工、生物医学

2、等领域被广泛利用，尤其是钛的无 极性、钛铌台金的超导性钛铁台金的储氢能力等特性在尖端科学和高科技领域发挥着极其重要的作用。 钛在地壳中的丰度为0.56% ，在所有按元素中居第9 位，而在可作为结构材料的金属中居第4 位，仅次于 Al 、Fe、Mg ，其储量比常见金属Cu，Pb ，Zn 储量的总和还多。我国钛资源丰富，储量为世界第一。钛 的这一系列的优良性能，使其成为一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料。尤其是近年来世界 钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展使其具备了更大的应用潜力。 钛及钛合金具有许多优良特性，主要体现在如下几个方面 1.强度高。钛合金具有很高的强度，其抗拉强度为686

3、1176MPa ，而密度仅为钢的60% 左右，所 以比强度很高。 2.硬度较高。钛合金(退火态 )的硬度 HRC 为 32 38 。 3.弹性模量低。钛合金(退火态 )的弹性模量为1.078 10 1.176 10MPa ，约为钢和不锈钢的一半。 4.高温和低温性能优良。在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工 作温度范围较宽，目前新型耐热钛合金的工作温度可达550 600 ；在低温下，钛合金的强度反而比在 常温时增加，且具有良好的韧性，低温钛合金在253 时还能保持良好的韧性。 5.钛的抗腐蚀性强。钛在550 以下的空气中，表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜，故在大气

4、、海 水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中，其耐蚀性优于大多数不锈钢。 6.导热系数小。钛的导热系数 =15.24W/（m.K ）约为镍的1/4 ，铁的 1/5 ，铝的 1/14 ，而各种钛合 金的导热系数比钛的导热系数约下降50 。 99.5 工业纯钛的性能为：密度 =4.5g/cm3，熔点为 1725 ，导热系数 =15.24W/(m.K)，抗拉强 度 b=539MPa，伸长率 =25 ，断面收缩率=25 ，弹性模量E=1.078 105MPa ，硬度 HB195 。 室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类： 合金 ,( + )合金和 合金。 钛合金： 它是 相固溶体组成的单相

5、合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是 相， 组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500 600的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能， 但不能进行热处理强化，室温强度不高。 钛合金：它是 相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高 的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372 1666MPa；但热稳定性较差，不宜在 高温下使用。 + 钛合金：它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和 高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态 提高 50 100 ；高温强度高，可在400 500

6、的温度下长期工作，其热稳定性次于 钛合金。三 种钛合金中最常用的是 钛合金和 + 钛合金； 钛合金的切削加工性最好， + 钛合金次之， 钛合金最 差。 钛合金代号为TA， 钛合金代号为TB， + 钛合金代号为TC。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。 钛合金材料的生产技术已达到较高水平,近年在技术量变上不断取得一定进展。在钛合金传统的熔炼、铸造 和成型工艺技术基础上开发并应用了不少新工艺、新技术。 在熔炼方面 ,冷床炉熔炼技术已

7、成功应用于工业 化生产 ,能熔炼25t重的无偏析和夹杂铸锭,残钛回收率增加,凝壳 - 自耗电极熔炼技术也在真空自耗熔炼技 术基础上增加了不少优点,使得残钛回收率提高,投资节省 ,冷坩埚熔炼技术进一步发展后,使得熔化能力大 大提高 ,解决了凝壳问题。在铸造方面 ,冷坩埚 + 离心浇铸技术、 真空吸铸和压铸技术已使产品质量进一步提 高。方面 ,冷坩埚 + 离心浇铸技术、真空吸铸和压铸技术已使产品质量进一步提高。冷坩埚感应熔炼后进行 离心浇铸生产钛合金铸件,可以节省原材料,降低预热成本 ,并提高铸件精度,消除缩孔和疏松。 钛合金的应用 航空航天业目前,钛及其合金主要用于航空航天和军事工业。(2)船舶

8、行业钛合金在海洋条件下有着极 其优良的耐腐蚀性能、高的比强度、无磁等特点,因而被应用于船舶工业。目前,钛在舰船上已应用的部位 有船体结构、耐压壳体、螺旋桨和桨轴、通海管路、阀及附件、各类管接头、动力驱动装置、热交换器、 声学装置零部件、系泊装置等。钛制耐压壳体主要用在深海潜水器和潜艇上,水面舰船基本没有采用。(3) 在石化工业中的应用：钛在石化工业中，多用于制造化工设备。化工设备的选材相当重要，大量的压力容 器、贮槽、塔器、换热器、管道乃至紧固件和连接件等等在工作条件下不仅要承受一定的载荷，而且要受 到许多介质的强烈腐蚀，工作条件十分苛刻。(4) 在医药行业中的应用钛作为一种新兴的材料，在我国

9、的制 药工业、医疗器械、人体植入物等领域的开发、使用不过近二十年的历史，却获得了极大的成功，并缩短 了我国与世界先进国家的差距。 钛合金的发展方向 从钛合金研究的潜力来看,钛合金在国防、民用工业上的广泛应用已经成为不可逆转的趋势。但是,钛 合金要真正实现产业化,必须达到经济、实用的要求。可以预计,将来的钛合金从性能上会朝着低温和高应 变速率的方向发展;从商业生产的角度来看,会朝着低成本化的方向发展;工艺上会朝着安全化和环保化的方 向发展。 综上所述 ,钛合金因其优良的性能在航空航天和其他领域有着广泛的应用前景,但受其加工效率和生产 成本的制约 ,目前还没有大批量应用。同时,钛的冶炼技术一旦有所

10、突破,其价格也将明显降低。随着钛合金 的开发研制、钛材品种的增多及价格的降低,钛在民用工业中的应用将成倍增加,特别是在造船、汽车制造、 化工、电子、海洋开发、海水淡化、地热发电、排污防腐等民用领域将获得广泛的应用。与此同时,市场的 需求也将加速钛工业与钛材加工技术的发展。 参考文献：1中国 航空材料手册编辑委员会：中国航空材料手册 ，中国标准出版社2001 年版 2任敬心、康仁科： 难加工材料的磨削 ，国防工业出版社1999 年版。 3杨冠军：钛合金研究和加工技术的新进展， 钛工业进展2001 年。 4李明怡：航空用钛合金结构材料， 世界有色金属2000 年第 6 期。 5曹春晓：我国航空用钛

11、合金面临的21 世纪的挑战 ， 钛工业进展1995 年第 5 期。 6张喜燕、赵永庆、白晨光：钛合金及应用 ，化学工业出版社2005 年版。 1 吴引江，罗建军，段庆文。钛工业进展J，2003 ，,20 （1） ：14 2 彭艳萍， 曾凡昌， 王俊杰等 .材料工程 J，1997 ， （10） ：3 3 赵树萍， 吕双坤 .钛工业进展 J， 2002.19(6):18 4 杨冠军 .钛工业进展 J，2001.18 （3） ：1 ：218 5 钱九红 .稀有金属 J，2000,24 （3） 6 高静，姚丽 .世界有色金属J，2001 ， ：5 （ 2） 7 李东 .世界有色金属J ，1999 ，

12、（9） ： 16 8 陈军，赵永庆， 常辉 .材料导报 J， 2005 ， ： 75 （6） 9 陈丽萍，娄贯涛 .舰船科学技术J， 2005 ， ： 14 （5） ：9 10 冯颖芳 .钛工业进展 J ，2002,19 （3） 1 张喜燕、赵永庆、白晨光：钛合金及应用，化学工业出版社2005 年版。2 瓦利金N, 莫依谢耶夫 . 钛合金在俄罗斯飞机及航空航天上的应用M . 董 宝明 , 张明 , 等译 . 北京 : 航空工业出版社, 2008. 124. 3瘐晋 , 等. 金属钛的性能、发展与应用 J. 有色设备 ,2003, ( 4): 16- 21. 4刘稚庭 . 合金板 材及箔材的带卷

13、轧制 J. 稀有金属材料与工程, 1995, 24( 1): 75- 78. 5林永新 . 钛及钛合金管材生产技 术现状 J. 稀有金属快报, 2005, 24( 2): 1- 2. 6黄永光 . 我国钛及钛合金板材标准化现状 J. 钛工业进 展, 2009, 26( 2): 8- 13. 7罗国珍 . 1990 年国际钛产品应用会总结报告 C . 1990,( 11) . 8孟祥军 , 等. 船用钛合金发展概况 J. 钛工业进展 ,2000, ( 5): 7- 8. 9罗国珍 . 钛的研究发展评述 J. 稀有金属材料与 工程 ,1993, 22( 5): 19. 10文华里 . 世界钛生产技

14、术与钛用途开发新动向 J. 轻金属 , 1997, ( 8): 4- 7. 11 金红 . 民用钛合金的发展前景和方向 J. 钛工业进展 , 1998, ( 4): 67.113 12杨冠军：钛合金研究和加 工技术的新进展 钛工业进展2001 ， 13 李明怡：航空用钛合金结构材料世界有色金 属 2000 年第6 期。， 14 曹春晓：我国航空用钛合金面临的21 世纪的挑战 钛工业进展 1995 ， 年第 5 期。 金属腐蚀学；国防工业出版社；2002 参考文献： 1. 主编：刘秀晨，安成强；年 9 月，P182 ； 2.卫争艳；钛合金文献综述；维普资讯网；钛钢科技，2008 年 第 1 期

15、3 钛合金锻造 工艺的现状与发展 ；维普资讯网； 福建化工； 2010 年 3 月 4.李军，魏建华；新型医用钛合金生 物相容性评价 ；维普资讯网；实用口腔医学杂志 ；2010 年第5 期 5.叶茂，宋晓玲；钛合金表 面热处理工艺技术研究；维普资讯网；金属加工：热加工 ；2010 年第19 期 6.张； 钛合金加工新 技术；维普资讯网； 工具展望 ； 2010 年第4 期 7.表面处理工艺手册编审委员会编；表面处理工艺 手册；上海；上海科学技术出版社；1991 8 刘家浚；材料磨损原理及其耐蚀性；北京；清华大学出 版社；1993 9. 主编：张承宗； 金属的腐蚀与保护 ；北京；冶金工业出版社；

16、1985 1 吴引江，罗建军，段庆文。钛工业进展J，2003 ，,20 （1） ：1 2 彭艳萍，曾凡昌，王俊杰等. 材料工程 J， 1997 ， （10） ：3 3 赵树萍，吕双坤.钛工业进展 J，2002.19(6):18 4 杨冠军 .钛工业 进展 J，2001.18 （3） ：1 5 钱九红 .稀有金属 J，2000,24 （ 3） ：218 6 高静，姚丽 .世界有色金 属 J，2001 ， ：5 （2） 7 李东 .世界有色金属J ，1999 ， ：16 （9） 8 陈军，赵永庆，常辉. 材料导报 J ，2005 ， ：75 （6） 9 陈丽萍，娄贯涛.舰船科学技术J，2005 ，

17、 ：14 （5） 10 冯 颖芳 .钛工业进展 J，2002,19 （ 3） ：9 11中国航空材料手册编辑委员会：中国航空材料手册， 中国标准出版社2001 年版。 12 任敬心、 康仁科：难加工材料的磨削，国防工业出版社1999 年版。13杨冠军：钛合金研究和加工技术的新进展钛工业进展2001 年。， 14李明 怡： 航空用钛合金结构材料世界有色金属2000 年第6 期。， 15曹春晓：我国航空用 钛合金面临的21 世纪的挑战 钛工业进展1995 年第 5 期。， 16 张喜燕、赵永庆、白晨光： 钛合金及应用，化学工业出版社2005 年版。17 【期刊】生物骨科材料与临床研究18 【期刊】稀有金属快报19 【期刊】材料工程20 【期刊】航天制造技术