钛及其合金的性能研究.docx
- 文档编号:15334212
- 上传时间:2023-07-03
- 格式:DOCX
- 页数:10
- 大小:626.63KB
钛及其合金的性能研究.docx
《钛及其合金的性能研究.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《钛及其合金的性能研究.docx(10页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
钛及其合金的性能研究
钛及其合金的性能研究
摘要:
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,钛合金材料由于密度小、比强度高、耐高温等特点,在军事工业、航天航空、汽车工业、医学等领域中都有广泛应用。
为了便于进行机械工业加工并得到具有一定性能的钛和钛合金,以满足各种产品对材料性能的要求,需要对钛及钛合金进行热处理
关键字:
钛合金材料、机械加工性能、热处理
引言:
钛是20世纪五十年代发展起来的一种性能优异、资源丰富的金属。
随着军事工业对高强低密度材料需求的日益迫切,钛合金的产业化进程显著加快。
钛和钛的合金大量用于航空工业,有"空间金属"之称;另外,在造船工业、化学工业、硬质合金等方面有着日益广泛的应用
一.钛金属的性质
1.
钛的物理性质:
1)钛是一种金属元素,灰色,钛没有磁性,能在氮气中燃烧
2)钛的密度为4.506~4.516克/立方厘米(20℃),高于铝而低于铁、铜、镍,但比强度位于金属之首。
熔沸点高
3)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,钝钛和以钛为主的合金是新型的结构材料,主要用于航天工业和航海工业
4)钛属于稀有金属,用于冶炼钛的矿物主要有钛铁矿(FeTiO3)、金红石(TiO2)和钙钛矿等
2.钛的化学性质:
1)室温下钛比较稳定,高温下很活泼,熔融态能与绝大部分坩埚或型材发生作用
2)高温下可与氧、硫、碳、氮等进行强烈反应
3)钛可在真空或惰性气氛下熔炼,如真空自耗电焊弧炉、电子束炉等电子熔炉设备中熔炼
4)钛在氮气中加热即能燃烧,钛尘在空气中有爆炸危险,所以钛材加热或焊接应用氩气做保护气体
5)钛在室温可吸收氢气,故可作为高真空电子仪器的脱气剂;利用钛吸收氢和放氢的特性,可以用为储氢材料
3.钛的耐蚀性能:
1)钛的标准电极电位很低(E=-1.63V),但钛的致钝电位也低,故钛容易钝化。
2)常温下钛表面极易形成由氧和氮组成的钝化膜,它在大气及许多侵蚀性介质中非常稳定,具有很好的抗蚀性
3)在大气、海水、氯化物水溶液及氧化性酸和大多数有机酸中,其抗蚀性相当于或超过不锈钢,在海水中耐蚀性极强,能与白金相比,是海洋开发工程理想的材料
4)钛与生物体有很好的相容性,而且无毒,适合做生物工程材料。
5)钛在还原性酸(浓硫酸、盐酸、正磷酸)、氢氟酸、氯气、热强碱,某些热浓有机酸及氧化铝溶液中不稳定,会发生强烈腐蚀
4.钛的金属性能:
1)钛的硬度与钢铁差不多,而它的重量几乎只有同体积的钢铁的一半,极细的钛粉,还是火箭的好燃料,所以钛被誉为宇宙金属
2)室温下纯钛的晶体结构为密排六方结构,室温变形时主要以柱面滑移为主,并常诱发孪生;钛同时兼有钢(强度高)和铝(质地轻)的优点
3)高纯钛具有良好的塑性,但杂质含量超过一定时,变得硬而脆
4)钛的屈服强度与抗拉强度接近,屈强比较高,而且钛的弹性模量小,成形加工时回弹量大,冷成形困难
5)在高温能保持比较高的比强度。
作为难熔金属,钛熔点高,随着温度的升高,其强度逐渐下降,但是,其高的比强度可保持到550~600℃
6)同时在低温下,钛仍具有良好的力学性能:
强度高,保持良好的塑性和韧性
5.钛的工艺性能
1)钛可进行锻造、轧制、挤压、冲压等压力加工,原则上加热钢材所用的设备都可以用于钛材的加热,要求炉内气氛保持中性或弱氧化性气氛,绝不可以使用氢气加热。
2)钛的屈强比较高,变形抗力大,而弹性模量低,因此钛材在加工成型方面较困难。
3)钛材具有良好的焊接性能,焊缝强度、延性和抗蚀性与母材差不多。
4)钛的切削加工比较困难,主要是因为钛的摩擦系数大,导热性差,热量主要集中在刀尖上,使刀尖容易软化。
二.钛的热处理方法
工业纯钛是单相α型组织,虽然在890℃以上有α-β的多型体转变,但由于相变特点决定了它的强化效应比较弱,所以不能用调质等热处理提高工业纯钛的机械强度。
工业纯钛唯一的热处理就是退火。
它的主要退火方法有三种:
1再结晶退火2消应力退火3真空退火。
前两种的目的都是消除应力和加工硬化效应,以恢复塑性和成型能力。
(一)消应力退火
为了消除钛和钛合金在熔铸、冷加工、机械加工及焊接等工艺过程中所产生的内应力,以便于以后加工,并避免在使用过程中由于内应力存在而引起开裂破坏,对α-钛应进行消除应力退火处理。
消除应力退火温度不能过高、过低,因为过高引起晶粒粗化,产生不必要的相变而影响机械性能,过低又会使应力得不到消除,所以,一般是选在再结晶温度以下。
(二)再结晶退火(完全退火)
α-钛大部分在退火状态下使用,退火可降低强度、提高塑性,得到较好的综合性能。
为了尽可能减少在热处理过程中气体对钛材表面污染,热处理温度尽可能选得低些。
(三)真空退火
钛中的氢虽无强化作用,但危害性很大,能引起氢脆。
氢在α-钛中的溶解度很小,主要呈TiH2化合物状态存在,而TiH2只在300℃以下才稳定。
当钛中含氢量过多时需要除氢,为了除氢或防止氧化,必须进行真空退火。
三.钛合金材料
1.钛合金的分类
钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金。
钛有两种同质异晶体:
882℃以下为密排六方结构α钛,882℃以上为体心立方的β钛。
合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类:
α钛合金它是α相固溶体组成的单相合金,不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下,均是α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。
β钛合金它是β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。
α+β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℃的温度下长期工作,其热稳定性次于α钛合金。
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。
2.钛合金的性能
(1)强度高 钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右,仅为钢的60%,纯钛的强度才接近普通钢的强度,一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。
因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,见表7-1,可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。
目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。
(2)热强度高
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450~500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃~500℃范围内仍有很高的比强度,而铝合金在150℃时比强度明显下降。
钛合金的工作温度可达500℃,铝合金则在200℃以下。
(3)抗蚀性好
钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作,其抗蚀性远优于不锈钢;对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强;对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。
但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。
(4)低温性能好
钛合金在低温和超低温下,仍能保持其力学性能。
低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。
因此,钛合金也是一种重要的低温结构材料。
(5)化学活性大
钛的化学活性大,与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。
含碳量大于0.2%时,会在钛合金中形成硬质TiC;温度较高时,与N作用也会形成TiN硬质表层;在600℃以上时,钛吸收氧形成硬度很高的硬化层;氢含量上升,也会形成脆化层。
吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1~0.15mm,硬化程度为20%~30%。
钛的化学亲和性也大,易与摩擦表面产生粘附现象。
(6)导热系数小、弹性模量小
钛的导热系数λ=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%。
钛合金的弹性模量约为钢的1/2,故其刚性差、易变形,不宜制作细长杆和薄壁件,切削时加工表面的回弹量很大,约为不锈钢的2~3倍,造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。
3.钛合金的热处理
(1)消除应力退火:
目的是为消除或减少加工过程中产生的残余应力。
防止在一些腐蚀环境中的化学侵蚀和减少变形。
(2)完全退火:
目的是为了获得好的韧性,改善加工性能,有利于再加工以及提高尺寸和组织的稳定性。
(3)固溶处理和时效:
目的是为了提高其强度,α钛合金和稳定的β钛合金不能进行强化热处理,在生产中只进行退火。
α+β钛合金和含有少量α相的亚稳β钛合金可以通过固溶处理和时效使合金进一步强化。
(4)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、β热处理、形变热处理等金属热处理工艺。
4.钛合金的应用
1)飞机制造业
世界钛工业从1979年到1980年是最繁荣的时期,主要是因为美国波音民用喷气运输机制造增加的缘故,据测算,目前客机制造使用钛加工材的数量占到飞机自重的20%左右,随着钛材在这一领域应用研究的深入,用量将会进一步扩大。
2)
宇航应用(火箭、航天飞机、卫星、宇宙飞船等)
宇航应用材要求高强度、耐热性,断裂强度高,宇航飞船和航天飞机往返地球轨道间的有效载重量大,钛合金具备上述特点,在宇航工业上获得了巨大的发展,成为金属钛消费最大的用户,从板、管材到铸件、锻件,占到钛加工材料的60%的比例。
3)薄壁焊接钛管的制作
机械性能和耐蚀性高的金属钛制作的薄壁焊接钛管,不仅尺寸精度高,而且质量稳定,适合大量生产,被广泛应用于海水冷凝器冷凝管,代替传统的铝黄铜管、海水淡化设备,化学、石油工业设备制造,炼铁厂、空调、冷冻机、发电机等制造领域。
4)化学工业的耐蚀材料
由于化学工业新工艺的开发,应用范围的扩大,所处理的液体腐蚀性更加强烈,再加上处理环境的高温高压条件,促进了钛合金在这一领域的优异的结构材料,被广泛应用于洗涤塔、下水道污水清理设备、废物焚烧炉、工业废液处理设备的制作等。
5)
船舶制作
船舶制作最基本、最重要的要素就是强度大、比重轻、耐腐蚀,由于钛合金具备了上述特点,所以在这了领域有广泛的应用,特别是深海潜水调查船、潜水艇。
6)生物用钛合金
由于钛的生物适应性,即对身体组织几乎没什么影响,不会引起炎症、过敏性、变态反应,不会使血液凝固,在钛材料上,细胞可以再生,骨骼可以生长等等,被作为医疗外科用的植入材料,用在骨骼整补、脊椎固定,齿列矫正和假牙制作等人早嵌入件。
7)
汽车上的应用
由于钛的高比强特性,作为陆地行驶的汽车用材料,钛很早就被人们关注,但目前仅用于赛车的制造,以符合赛车要求的更轻量化,更高速度化,用于赛车的进气阀、排气阀、阀档板、连接杆等的制作。
四.总结
钛及其钛合金由于其优越的性能将会受到越来越多的关注,世界各国也在不断的开发钛资源,研究钛的应用,相信钛产品很快就会被广泛的应用于生活中的方方面面,对于社会的发展,促进经济的繁荣等方面都会做出重要的作用。
五.参考文献:
【1】金属钛的性能、发展与应用,庾晋;周洁,有色设备,2003/04
【2】浅谈金属钛的应用,陈福亮;李松春;陈利生;高金锦,云南冶金,2010/05
【3】钛的热处理,张小明,稀有金属快报,2005/06
【4】钛合金的性能及其应用,StanR.Seagle;BruceP.Bannon;袁竞雄,国外化工装备技术,1982/05
【5】钛合金的应用现状及发展前景,李梁;孙健科;孟祥军,钛工业进展,2004/05
【6】钛合金的应用现状及发展前景,李文平,轻金属,2002/05
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 及其 合金 性能 研究