鈦及鈦合金-課件

鈦及鈦合金鈦及鈦合金1概述鈦源于Titans，即希臘神話中地球上大力士。地殼中金屬元素鈦元素含量位列第四(0.86%)，居鋁、鐵、鎂之后。自然界中不存在純鈦，僅以氧化物存在，如FeTiO3、TiO2。強(qiáng)度與鋼相當(dāng)，而密度幾乎僅有鋼的一半。TiO2FeTiO3概述鈦源于Titans，即希臘神話中地球上大力士。TiO2F2鈦是英國(guó)科學(xué)家格內(nèi)戈?duì)栍?791年首先從鈦鐵礦石中發(fā)現(xiàn)的，1795年德國(guó)化學(xué)家克拉普洛特也從金紅石中發(fā)現(xiàn)了這一元素，并命名為“鈦”。由于鈦的化學(xué)活性高，在它被發(fā)現(xiàn)的120年后的1910年才首次提煉出金屬鈦，1940年用鎂還原法制得了海綿鈦，從此奠定了鈦的工業(yè)生產(chǎn)方法的基礎(chǔ)。

鈦是英國(guó)科學(xué)家格內(nèi)戈?duì)栍?791年首先從鈦鐵礦石中發(fā)現(xiàn)的，13鈦屬于稀有金屬，實(shí)際上鈦并不稀有，其在地殼中的豐度占第七位，占0.45%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于許多常見的金屬。但由于鈦的性質(zhì)活潑，對(duì)冶煉工藝要求高，使得人們長(zhǎng)期無(wú)法制得大量的鈦，從而被歸類為“稀有”的金屬。用于冶煉鈦的礦物主要有鈦鐵礦（FeTiO3）、金紅石（TiO2）和鈣鈦礦等,也是鈦的主要礦石,礦石經(jīng)處理得到易揮發(fā)的四氯化鈦，再用鎂還原而制得純鈦。鈦屬于稀有金屬，實(shí)際上鈦并不稀有，其在地殼中的豐度占第七位，4中國(guó)鈦資源總量9.65億噸，居世界之首，占世界探明儲(chǔ)量的38.85%，主要集中在四川、云南、廣東、廣西及海南等地，其中攀西（攀枝花西昌）地區(qū)是中國(guó)最大的鈦資源基地，鈦資源量為8．7億噸。

中國(guó)探明的鈦資源分布在21個(gè)省（自治區(qū)、直轄市）共108個(gè)礦區(qū)（圖3.5.1及表3.5.4）。主要產(chǎn)區(qū)為四川，次有河北、海南、廣東、湖北、廣西、云南、陜西、山西等?。▍^(qū)）。中國(guó)鈦資源總量9.65億噸，居世界之首，占世界探明儲(chǔ)量的385全世界:1955年1975年2006年2萬(wàn)噸7萬(wàn)噸14萬(wàn)噸全世界:6

鈦及鈦合金發(fā)展至今，已有50多年歷史，由于它具有很高的比強(qiáng)度和耐蝕性，是世界各國(guó)大力發(fā)展的輕金屬材料。世界市場(chǎng)每年需求4～5萬(wàn)t鈦及鈦合金。美國(guó)是最大的鈦消費(fèi)國(guó)。1994年用于軍事宇航約3200t，用于非軍事商業(yè)宇航約7700t，用于非宇航業(yè)約4800t，總共約15700t。日本則注重發(fā)展鈦的耐蝕性應(yīng)用，1994年總共消費(fèi)4241t，耐蝕性商業(yè)純鈦占3773t，以應(yīng)用其高比強(qiáng)度為主的結(jié)構(gòu)材料鈦合金只占468t，其中宇航應(yīng)用的鈦合金只占32.7％，非宇航用鈦合金占67.3％，這其中又以消費(fèi)品為主（占三分之二）.鈦及鈦合金發(fā)展至今，已有50多年歷史，由于它具有很高的比7鈦的基本性質(zhì)（1）鈦存在兩種同素異構(gòu)體α及β。α-Ti在882℃以下穩(wěn)定，具有六方密排結(jié)構(gòu)。β-Ti穩(wěn)定于882℃～熔點(diǎn)1678℃，具有體心立方結(jié)構(gòu)。（2）鈦的體積質(zhì)量?。?.51g／cm3），比強(qiáng)度高，熔點(diǎn)高，塑性好，雖然其強(qiáng)度隨溫度升高而下降，但其比強(qiáng)度高的特性仍可保持到550～600℃。與高強(qiáng)合金相比，相同強(qiáng)度水平可降低重量40％以上，因此在宇航上有巨大應(yīng)用潛力。鈦的基本性質(zhì)（1）鈦存在兩種同素異構(gòu)體α及β。α-Ti在88（3）具有優(yōu)良的耐蝕性，在室溫下就能很快生成一層具有極好保護(hù)性的鈍化層（TiO2）。它僅有納米尺度，室溫下長(zhǎng)大極慢。許多介質(zhì)中，鈦的耐蝕性極高；但在還原性介質(zhì)中差一些，不過(guò)可以通過(guò)合金化改善。（4）鈦的低溫性能很好，在液氮溫度下仍有良好的機(jī)械性能，強(qiáng)度高而仍保持有良好的塑性及韌性。（5）彈性模量較低（120GP），約為鐵的54％。

（3）具有優(yōu)良的耐蝕性，在室溫下就能很快生成一層具有極好保護(hù)9（6）導(dǎo)熱系數(shù)及線脹系數(shù)均較低。其導(dǎo)熱系數(shù)比鐵低4.5倍，使用時(shí)易產(chǎn)生溫度梯度及熱應(yīng)力，不過(guò)，線脹系數(shù)低可補(bǔ)償因?qū)嵯禂?shù)低帶來(lái)的熱應(yīng)力問(wèn)題。（6）導(dǎo)熱系數(shù)及線脹系數(shù)均較低。其導(dǎo)熱系數(shù)比鐵低4.5倍，使10鈦的熔點(diǎn)為1668℃，比鐵、鎳的肖高，比鋁、鎂的熔點(diǎn)高1000℃以上。因此，作為輕金屬結(jié)構(gòu)材料，鈦合金具有比鋁、鎂合金好得多的熱強(qiáng)性，最高使用溫度以達(dá)600℃。鈦在氧化性氣氛中極易在表面與氧形成一層堅(jiān)固的氧化物薄膜，是其在氧化性酸、堿、鹽介質(zhì)，特別是在濕氯氣和海水中，具有優(yōu)異的抗腐蝕性能。鈦的熔點(diǎn)為1668℃，比鐵、鎳的肖高，比鋁、鎂的熔點(diǎn)高10011鈦的特性

晶體結(jié)構(gòu)：原子半徑：密度：熔點(diǎn)：882.5度同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(α-Ti?β-Ti)。與氧、氮、碳和氫劇烈反應(yīng)。價(jià)格昂貴。主要用于價(jià)格不是關(guān)鍵因素的先進(jìn)應(yīng)用場(chǎng)合。高強(qiáng)度和韌性。鈦的特性

晶體結(jié)構(gòu)：882.5度同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(α-Ti?β12化學(xué)性質(zhì)室溫下鈦比較穩(wěn)定。高溫下活潑，熔化態(tài)能與大多數(shù)坩堝造型材料發(fā)生作用。高溫下與鹵素、氧、硫、碳、氮等進(jìn)行強(qiáng)烈反應(yīng)。鈦在真空或惰性氣氛下熔煉，如真空自耗電弧爐、電子束爐、等離子熔爐等設(shè)備中熔煉。鈦在氮?dú)庵屑訜釙?huì)發(fā)生燃燒，鈦塵在空氣中會(huì)發(fā)生爆炸，所以鈦材加熱和焊接宜用氬氣作保護(hù)氣體。鈦在室溫可吸收氫氣，500℃以上吸氣能力更強(qiáng)烈，可作為高真空電子儀器的脫氣劑；利用鈦吸氫和放氫的特性，可以作儲(chǔ)氫材料?；瘜W(xué)性質(zhì)室溫下鈦比較穩(wěn)定。13鈦在還原性酸(濃硫酸、鹽酸、正磷酸)、氫氟酸、氯氣、熱強(qiáng)堿、某些熱濃有機(jī)酸及氧化鋁溶液中不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈腐蝕。另外，鈦合金有熱鹽應(yīng)力腐蝕傾向。550℃以下鈦與氧形成保護(hù)作用良好的致密氧化膜。538℃以下，鈦的氧化符合拋物線規(guī)律。但在800℃以上，氧化膜分解，氧原子以氧化膜為轉(zhuǎn)換層進(jìn)入金屬晶格，此時(shí)氧化膜已失去保護(hù)作用，使鈦很快氧化。鈦在還原性酸(濃硫酸、鹽酸、正磷酸)、氫氟酸、氯氣、熱強(qiáng)堿、14耐蝕性能ETi=－1.63V，而鈦的致鈍電位低，故鈦易鈍化。常溫下鈦表面極易形成由氧化物、氮化物組成的鈍化膜，它在大氣及許多浸蝕性介質(zhì)中非常穩(wěn)定，具有很好的抗蝕性。大氣、海水、氯化物水溶液及氧化性酸(硝酸、鉻酸等)和大多數(shù)有機(jī)酸中，鈦抗蝕性相當(dāng)于或超過(guò)不銹鋼，在海水中耐蝕性極強(qiáng)，可與白金相比，是海洋開發(fā)工程理想的材料。鈦與生物體相容性好，無(wú)毒，適做生物工程材料。耐蝕性能ETi=－1.63V，而鈦的致鈍電位低，故鈦易鈍化。15由于鈦所具有的一系列優(yōu)良性能，資源又很豐富，鈦的工業(yè)生產(chǎn)問(wèn)世后，立即受到世界普遍高度重視。1947年美國(guó)率先實(shí)現(xiàn)海綿鈦生產(chǎn)工業(yè)化，當(dāng)年生產(chǎn)２噸海綿鈦，1957年就發(fā)展到15000多噸。日本1952年，前蘇聯(lián)1954年均相繼開始了海綿鈦的生產(chǎn)。中國(guó)也于1958年開始了海綿鈦的試生產(chǎn)，現(xiàn)在已形成了完整的鈦工業(yè)體系。當(dāng)前，世界上有鈦工業(yè)的國(guó)家主要是美國(guó)、獨(dú)聯(lián)體、日本、英國(guó)、中國(guó)和德國(guó)。由于鈦所具有的一系列優(yōu)良性能，資源又很豐富，鈦的工業(yè)生產(chǎn)問(wèn)世16鈦合金的生產(chǎn)提取工藝：

Kroll提取工藝Kroll提取工藝熔化工藝：

電渣精煉法ElectroslagRefinning(ESR)真空電弧重熔法VacuumArcRemelting(VAR)電子束熔煉(EBM)等離子弧熔煉(PAM)感應(yīng)凝殼熔煉法鈦合金的生產(chǎn)提取工藝：17鈦的提取通過(guò)下列步驟，鈦礦石(主要為金紅石，TiO2)轉(zhuǎn)變?yōu)楹＞d鈦：⑴Cl2與礦石中的TiO2反應(yīng)，形成TiCl4；⑵TiCl4經(jīng)分級(jí)蒸餾而凈化；⑶在Ar保護(hù)下，液態(tài)TiCl4與Mg或Na反應(yīng)，獲得海綿鈦。生產(chǎn)過(guò)程：鈦鐵礦或金紅石→高純度四氯化鈦→鎂還原四氯化鈦→海綿鈦→鈦材和鈦粉鈦的提取通過(guò)下列步驟，鈦礦石(主要為金紅石，TiO2)轉(zhuǎn)18鈦及鈦合金-ppt課件19真空電弧重熔法海綿鈦與合金元素混合后液壓成塊狀；塊狀物焊接成熔化電極棒；電極棒經(jīng)二次或三次真空熔煉得到優(yōu)質(zhì)鈦或鈦合金錠真空電弧重熔法海綿鈦與合金元素混合后液壓成塊狀；20鈦及鈦合金-ppt課件21電渣精煉法方坯作為電極，其一端位于交流電加熱的電渣熔池中；熔融金屬與高溫電渣反應(yīng)，電渣中還可加入合金元素用以調(diào)整合金成分；已熔化金屬流經(jīng)熔渣進(jìn)入熔池而被提純，最終凝固成電渣精煉鑄錠；精煉時(shí)，非金屬雜質(zhì)和熔渣發(fā)生反應(yīng)，熔融金屬中的夾雜物被電渣吸收去除。屬于非直接結(jié)晶，消除了中心結(jié)晶孔，提高了均勻性電渣精煉法方坯作為電極，其一端位于交流電加熱的電渣熔池中；22在惰性氣體保護(hù)下ALD真空技術(shù)電渣重熔爐在惰性氣體保護(hù)下ALD23等離子弧熔煉它是對(duì)真空電弧熔煉的改進(jìn)在水冷銅坩堝中熔化金屬；所用熱源為等離子槍或電子束；與坩堝壁接觸的金屬液形成凝固殼層(凝固的鈦)，而熔融的鈦合金浮于殼層上部，阻止坩堝污染鈦合金熔體；大密度夾雜物沉積到坩堝底部而去除。等離子弧熔煉它是對(duì)真空電弧熔煉的改進(jìn)在水冷銅坩堝中熔化金屬；24電子束熔煉由爐壁側(cè)底面加入要熔化的材料，熔化熱源為電子束。電子束熔煉由爐壁側(cè)底面加入要熔化25感應(yīng)凝殼熔煉法

水冷銅坩堝可避免爐襯材料的污染；裝入坩堝中的金屬受感應(yīng)電源的磁場(chǎng)作用而熔化；熔化的金屬液體在坩堝底、側(cè)壁凝固形成殼層；生產(chǎn)低成本、高質(zhì)量鈦合金。感應(yīng)凝殼熔煉法

水冷銅坩堝可避免爐襯材料的污染；26鈦合金

合金分類、牌鈦號(hào)TA表示組織為α的鈦合金包括全α、近α和α+化合物合金。以鋁、錫、鋯為主要合金元素，在近α型鈦合金中還添加少量β穩(wěn)定化元素，如鉬、釩、鉭、鈮、鎢、銅、硅等。共33個(gè)牌號(hào)。

鈦合金

合金分類、牌鈦號(hào)27鈦及鈦合金-ppt課件28TB表示組織為β的鈦合金包括熱力學(xué)穩(wěn)定型β合金、亞穩(wěn)定β型合金和近β型合金主要加入的合金元素：Mo、VTB表示組織為β的鈦合金29TC表示組織為α＋β的鈦合金：以Ti-Al為基再加適量β穩(wěn)定元素TC表示組織為α＋β30合金類型Rel/MPaRm/MPaA/%特點(diǎn)α型200～500250～55015～2599%純鈦，性能隨氧含量變化近α型850～1000950～110012～15有一定的蠕變抗力，少量β（雜質(zhì)Fe的穩(wěn)定作用）可細(xì)化晶粒；焊接性能好，可進(jìn)行鍛造。α＋β型900～12001000～130010～15低溫到400℃范圍內(nèi)均有較好的性能；通過(guò)熱機(jī)械處理很容易改變晶粒結(jié)構(gòu)。β型1100～13001250～14006～10可時(shí)效熱處理；時(shí)效前的成形性能優(yōu)良。合金類型Rel/MPaRm/MPaA/%特點(diǎn)α型200～5031合金元素α穩(wěn)定元素中性元素β穩(wěn)定元素間隙元素置換元素C、N、OAl

Ga置換元素Zr、Sn、Hf、Ge、Ce、La、Mg間隙元素置換元素Hβ同晶元素β共析元素Mo、V、Ta、Nb慢速分解快速分解Cr、Mn、Fe、CoSi、Cu、Ag、Ni、Y、W、B合α中β間隙元素置換元素C、N、OAlGa置換元素Zr、32

從而改善熱強(qiáng)性。在可熱處理β合金中，加入約3％的鋁，可防止由亞穩(wěn)定β相分解產(chǎn)生的ω相而引起的脆性。鋁還提高氫在α-Ti中的溶解度，減少由氫化物引起氫脆的敏感性。錫和鋯：

屬中性元素，在α-Ti和β-Ti中均有較大溶解度，常與其他元素同時(shí)加入，起補(bǔ)充強(qiáng)化作用。為保證耐熱合金獲得單相α組織，除鋁以外，還加入鋯和錫進(jìn)一步提高耐熱性；同時(shí)對(duì)塑性不利影響比鋁小，使合金具有良好的壓力加工性和焊接性能。從而改善熱強(qiáng)性。在可熱處理β合金中，加入約3％的鋁，可防33鈦合金中常見合金元素的作用鈦合金中的常加入的合金元素：鋁、錫、鋯、鉬、釩、鉻、鐵、硅、銅、稀土，其中應(yīng)用最多的是鋁。

鋁：除工業(yè)純鈦外，各類鈦合金中幾乎都添加鋁，鋁主要起固溶強(qiáng)化作用，每添加1％Al，室溫抗拉強(qiáng)度增加50MPa。鋁在鈦中的極限溶解度為7.5％；超過(guò)極限溶解度后，組織中出現(xiàn)有序相Ti3Al(α2)，對(duì)合金的塑性、韌性及應(yīng)力腐蝕不利，故一般加鋁量不超過(guò)7％。鋁改善抗氧化性，鋁比鈦還輕，能減小合金密度，并顯著提高再結(jié)晶溫度，如添加5％Al可使再結(jié)晶溫度從純鈦600℃提高到800℃。鋁提高鈦固溶體中原子間結(jié)合力。鈦合金中常見合金元素的作用鈦合金中的常加入的合金元素：鋁、錫34鉬、釩：

β穩(wěn)定元素中應(yīng)用最多，固溶強(qiáng)化β相，并顯著降低相變點(diǎn)、增加淬透性，從而增強(qiáng)熱處理強(qiáng)化效果。含釩或鉬的鈦合金不發(fā)生共析反應(yīng)，在高溫下組織穩(wěn)定性好；但單獨(dú)加釩，合金耐熱性不高，其蠕變抗力只能維持到400℃；鉬提高蠕變抗力的效果比釩高，但密度大；鉬還改善合金的耐蝕性，尤其是提高合金在氯化物溶液中抗縫隙腐蝕能力。鉬、釩：β穩(wěn)定元素中應(yīng)用最多，固溶強(qiáng)化β相，并顯著降35

硅量以不超過(guò)α相最大固溶度為宜，一般為0.25％左右。由于硅與鈦的原子尺寸差別較大，在固溶體中容易在位錯(cuò)處偏聚，阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高耐熱性。稀土：

提高合金耐熱性和熱穩(wěn)定性。稀土的內(nèi)氧化作用，形成了細(xì)小穩(wěn)定的RExOv顆粒，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化。由于內(nèi)氧化降低了基體中的氧濃度，并促使合金中的錫轉(zhuǎn)移到稀土氧化物中，這有利于抑止脆性α2相析出。此外，稀土還有強(qiáng)烈抑制β晶粒長(zhǎng)大和細(xì)化晶粒的作用，因而改善合金的綜合性能。硅量以不超過(guò)α相最大固溶度為宜，一般為0.25％左右。由36合金元素的作用：⑴固溶強(qiáng)化：提高室溫強(qiáng)度最顯著的元素為鐵、錳，鉻、硅，其次為鋁、鉬、釩，而鋯、錫、鉭、鈮強(qiáng)化效果差。⑵穩(wěn)定α相或β相：合金元素提高或降低相變點(diǎn)。⑶增強(qiáng)熱處理強(qiáng)化效果：β穩(wěn)定元素增加合金淬透性。⑷消除有害作用：鋁、錫防止ω相，稀土抑制α2相析出，β同晶元素阻制β相共析分解。⑸改善合金的耐熱性：加入鋁、硅、鋯，稀士等。⑹提高合金的耐蝕性和擴(kuò)大鈍化范圍：加鈀、釕、鉑，鉬等。合金元素的作用：37錳、鉻：強(qiáng)化效果大，穩(wěn)定β相能力強(qiáng)，密度比鉬、鎢等小，故應(yīng)用較多，是高強(qiáng)亞穩(wěn)定β型鈦合金的主要加入元素。但它們與鈦形成慢共析反應(yīng)，在高溫長(zhǎng)期工作時(shí)，組織不穩(wěn)定，蠕變抗力低；當(dāng)同時(shí)添加β同晶型元素，特別是鉬時(shí)，有抑制共析反應(yīng)的作用。硅：共析轉(zhuǎn)變溫度較高(860℃)，加硅可改善合金的耐熱性能，因此在耐熱合金中常添加適量硅，加入錳、鉻：強(qiáng)化效果大，穩(wěn)定β相能力強(qiáng)，密度比鉬、鎢等小，故應(yīng)用38

錫能減少對(duì)氫脆的敏感性。鈦錫系合金中，錫超過(guò)一定濃度后形成有序相Ti3Sn，降低塑性和熱穩(wěn)定性。為了防止有序相Ti3X(α2相)的出現(xiàn)，考慮到鋁和其它元素對(duì)α2相析出的影響，Rosenberg提出鋁當(dāng)量公式。Al*=Al%+1/3Sn%+1/6Zr%+1/2Ga%+10[O]%<=8~9%只要鋁當(dāng)量＜8～9％，就不出現(xiàn)α2相錫能減少對(duì)氫脆的敏感性。鈦錫系合金中，錫超過(guò)一定濃度后39合金元素對(duì)性能的影響α穩(wěn)定元素：鋁的固溶強(qiáng)化效果最大，鋯、錫次之。鋯、錫一般不單獨(dú)加入，而是與其它元素復(fù)合加入。β同晶元素：合金元素濃度超過(guò)α相極限溶解度時(shí)，將進(jìn)入α+β相區(qū)，此時(shí)合金元素優(yōu)先溶于β相，因而β相具有更高的強(qiáng)度和硬度，合金強(qiáng)度將隨組織中β相所占比例增加而提高，大約至α相和β相各占50％時(shí)強(qiáng)度達(dá)到峰值。再增加β相數(shù)量，強(qiáng)度反而有所下降。強(qiáng)化作用按鉬、釩、鉭、鈮次序遞減。合金元素對(duì)性能的影響α穩(wěn)定元素：鋁的固溶強(qiáng)化效果最大，鋯、錫40共析型β穩(wěn)定元素：對(duì)合金性能的影晌規(guī)律和β同晶型元素相似，特別是非活性共析元素鉻、錳、鐵在一般生產(chǎn)和熱處理?xiàng)l件下，共析轉(zhuǎn)變并不發(fā)生，因此可將鉬、釩等組元同等對(duì)待，退火組織仍為α+β相。但在高溫長(zhǎng)期使用的耐熱合金，非活性共析元素的存在，將降低材料的熱穩(wěn)定性。

共析型β穩(wěn)定元素：對(duì)合金性能的影晌規(guī)律和β同晶型元素相似41合金耐熱性取決于金屬基體鍵合能力、原子擴(kuò)散過(guò)程及組織穩(wěn)定性。鈦合金耐熱性與相圖類型及成分的關(guān)系為：⑴單相固溶體的耐熱性隨溶解度增加而提高，當(dāng)組織中出現(xiàn)第二相時(shí)則有所下降；因α+β兩相組織在加熱時(shí)發(fā)生α→β轉(zhuǎn)變，相界附近原子擴(kuò)散，且原子在β相中的擴(kuò)散比α相快，這導(dǎo)致耐熱性下降。所以，耐熱合金以單相組織為宜，常用α型或近α型鈦合金作為高溫材料。⑵提高鈦合金固態(tài)相變溫度的合金元素，可改善耐熱性。合金耐熱性取決于金屬基體鍵合能力、原子擴(kuò)散過(guò)程及組織穩(wěn)定性。42

在相變溫度附近，組織穩(wěn)定性下降，原子活性增加，從而金屬軟化。因此，耐熱合金的合金化應(yīng)以α穩(wěn)定元素(如鋁)和中性元素(錫、鋯)為主；β穩(wěn)定化元素中，只有鉬、鎢（強(qiáng)烈提高鈦原子鍵合能力）及硅、銅（提高共析轉(zhuǎn)變溫度）等元素，在適當(dāng)濃度范圍內(nèi)可有效地增加合金的熱強(qiáng)性。⑶某些金屬間化合物的耐熱性高，如Ti-Al系中Ti3Al(α2相、TiAl(γ)。在相變溫度附近，組織穩(wěn)定性下降，原子活性增加，從而金屬軟化43典型鈦合金TA7合金：為α型鈦合金，屬Ti-Al-Sn系(Ti-5Al-2.5Sn).合金元素作用：鋁和錫起穩(wěn)定α和固溶強(qiáng)化作用。性能特點(diǎn)：⑴具有中等強(qiáng)度和較高的耐熱性，可在400℃下長(zhǎng)期工作。⑵具有良好的低溫性能和焊接性能。隨溫度降低，強(qiáng)度升高，塑性略有下降。間隙元素含量低的合金，在－250℃時(shí)仍保持良好的塑性,典型鈦合金TA7合金：44

用于超低溫高壓容器，多以管材供應(yīng)。

⑶冷熱加工性較差。軋制工藝對(duì)熱成型影響較大，軋制溫度為750℃左右，具有較好的熱成型性，高溫軋制塑性反而降低，原因是晶粒粗化，但通過(guò)交叉軋制改善組織，可提高熱塑性。用于超低溫高壓容器，多以管材供應(yīng)。45TC4(Ti-6Al-4V)：α+β型合金，國(guó)際上一種通用型鈦合金，其用量占鈦合金總消耗量50％左右。在航空工業(yè)上多用于做壓氣機(jī)葉片，盤和緊固件等；當(dāng)間隙元素含量低時(shí)，具有良好的低溫性能，可制作在－196℃下使用的低溫容器。⑴合金成分特點(diǎn)：鋁：基本組元，用以保證合金在常溫及高溫下的性能。釩：賦予合金熱處理強(qiáng)化能力，可改善塑性；β同晶型元素，不存在共析反應(yīng)，故組織穩(wěn)定性較好，長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)350℃。TC4(Ti-6Al-4V)：α+β型合金，國(guó)際上一種通用型46鈦及鈦合金-ppt課件47Ti-Al系合金形成ω相的危險(xiǎn)以及減輕鋁的偏析。TC4合金處于α+β相區(qū)，α＋β→β轉(zhuǎn)變溫度為996℃。在平衡條件下，β相約占7～l0％。⑵組織與性能特點(diǎn)TC4合金平衡組織為α+β，其形態(tài)為魏氏α+β和等軸α+β。熱加工后組織取決于變形溫度、變形量及隨后熱處理工藝。如在兩相區(qū)加工，變形量小于50％，不能將粗大組織破碎，只有增大變形量才能將原Ti-Al系合金形成ω相的危險(xiǎn)以及減輕鋁的偏析。48β晶界、α和β條破碎；熱軋溫度提高，組織由等軸狀變?yōu)榫W(wǎng)籃狀和粗大魏氏組織，同時(shí)屈服強(qiáng)度略有下降，斷裂韌性明顯提高。950℃以下加熱，冷卻方式對(duì)性能的影響較小，合金具有較高的綜合性能；950℃以上加熱，合金強(qiáng)度隨冷卻速度增加而提高，但塑性、韌性下降，故TC4合金熱處理溫度不應(yīng)越過(guò)950℃。⑶熱處理：退火和淬火時(shí)效普通退火：750～800℃×1～2h＋空冷，得到不完全再結(jié)晶組織，故又稱不完全退火。β晶界、α和β條破碎；熱軋溫度提高，組織由等軸狀變?yōu)榫W(wǎng)籃49再結(jié)晶退火：930～950℃加熱，以保證α相發(fā)生充分再結(jié)晶，隨爐冷至540℃以下空冷。淬火時(shí)效工藝：930～950℃＋水冷＋540℃×4～8h。⑷性能特點(diǎn)：TC4合金綜合性能良好，使用溫度范圍寬(400～-196℃)，合金組織和性能穩(wěn)定，合金化簡(jiǎn)單，工藝易掌握，適合大規(guī)模生產(chǎn)（棒料、鍛件和中厚板材）。再結(jié)晶退火：930～950℃加熱，以保證α相發(fā)生充分再結(jié)晶50當(dāng)合金組織為細(xì)小等軸α+β組織，在800～925℃范圍內(nèi)，以一定變形速率進(jìn)行拉伸，合金呈現(xiàn)超塑性。據(jù)此可生產(chǎn)出精密的復(fù)雜鍛件和鈑金件，以減少工序，降低成本。性能不足：如冷變形性能差，難于軋制成薄板和薄壁管材；淬透性低(小于25mm)，限制了時(shí)效強(qiáng)化的應(yīng)用。當(dāng)合金組織為細(xì)小等軸α+β組織，在800～925℃范圍內(nèi)，51TB5（Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al）高韌性合金，冷成型性能優(yōu)異，薄板、帶材和箔材。固溶時(shí)效處理后其強(qiáng)度可超過(guò)TC4合金約50％，性能均勻。如在B1轟炸機(jī)上用它制作的零件達(dá)250個(gè)，用它取代強(qiáng)度較低的TA7和必須熱成型的TC4合金。合金的冷成型性能優(yōu)良、各向異性較小，適于鈑金成型。TB5合金具有很好的超塑性，在680～900℃下拉伸，當(dāng)變形速率ε=10－4～10－8s-1時(shí)，延伸率可達(dá)400～490％，應(yīng)變速率敏感系數(shù)TB5（Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al）高韌性合金，冷52m=0.35～0.40，適于航空部門制造形狀復(fù)雜的零件和蜂窩結(jié)構(gòu)。TB5合金的Tβ為760±5℃。加熱到800℃水冷或空冷，得到最低的屈強(qiáng)比和較高的塑性，固溶處理后的組織為單相β，這對(duì)于冷成型十分有利。固溶溫度過(guò)低(如700℃)或過(guò)高(如900℃)，因組織中存在較多的α相或β晶粒粗大，均會(huì)提高屈強(qiáng)比和降低塑性，對(duì)冷成型不利。TB6（Ti-10V-2Fe-3Al）近β型高強(qiáng)高韌合金，具有高淬透性和優(yōu)良成型性,m=0.35～0.40，適于航空部門制造形狀復(fù)雜的零件和蜂窩53適用于做航空鍛件。σb≥1105MPa時(shí)，K1c≥60MPam-0.5。該合金已用于波音757客機(jī)和F-18戰(zhàn)斗機(jī)等，用該合金代替TC4合金可以減重20％，用它代替30CrMnSiA時(shí)，可減重40％。Tβ≈800～810℃，加熱到Tβ以上淬火，β相處于機(jī)械不穩(wěn)定狀態(tài)，Ms點(diǎn)低于室溫，但形變誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ms高于室溫，在淬火應(yīng)力作用下，發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體轉(zhuǎn)變，形成少量α″，并且發(fā)生β→ω轉(zhuǎn)變，故淬火得到α″+ω＋βm。兩相區(qū)加熱淬火，組織中還存在初生α相。該合適用于做航空鍛件。σb≥1105MPa時(shí)，K1c≥60M54合金淬火時(shí)效工藝為740℃×2h＋水淬＋520℃×8h＋空冷。在β區(qū)鍛造后直接進(jìn)行時(shí)效(500℃×8h)可獲得更高的綜合性能：σb=1184MPa，δ5=14.6％，ψ=48.5％，K1c=101.8MPam-0.5；普通固溶時(shí)效后的性能：σb=1125MPa，δ5=12.3％，ψ=39.1％，K1c=68.8MPam-0.5.合金淬火時(shí)效工藝為740℃×2h＋水淬＋520℃×8h＋空冷55

TB6在α+β區(qū)軋制或β區(qū)軋制狀態(tài)下，具有優(yōu)良超塑性，在750℃、變形速率1.7×10-4S-1時(shí)，延伸率可達(dá)650％。合金中β穩(wěn)定化元素含量高，特別是含有β共析元素鐵，很容易形成鐵偏析。在富鐵區(qū)因β轉(zhuǎn)變溫度下降而形成一種不含α相或β相稀少的區(qū)域，即所謂β斑點(diǎn)。嚴(yán)重的β斑點(diǎn)會(huì)降低合金的塑性和低周疲勞性能。常規(guī)鍛造或近β鍛造對(duì)改善β斑點(diǎn)無(wú)效，因?yàn)棣梁挺聝上啻嬖跁r(shí)，鐵的擴(kuò)散受到相界阻礙。β鍛造和鍛后水冷有利減輕β斑點(diǎn)，因?yàn)殄懞笏鋬?chǔ)存的畸變能有利于鐵的擴(kuò)散。減少鐵偏析有效方法是使電極中鐵分TB6在α+β區(qū)軋制或β區(qū)軋制狀態(tài)下，具有優(yōu)良超塑性，在756布均勻和控制二次熔煉電流大小，如用鐵粉代替V-Fe中間合金加入?？墒功?7mm鑄錠截面上鐵偏差小于0.08％?？v詢偏差僅為0.15％。高溫鈦合金：可在400℃以上長(zhǎng)期工作的鈦合金。主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)盤和葉片等，用它代替部分鋼，可使發(fā)動(dòng)機(jī)減重，提高推重比。高溫鈦合金主要性能指標(biāo)：高溫強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和高溫?zé)岱€(wěn)定性。后者是指合金在一定溫度下，對(duì)于應(yīng)力或非應(yīng)力狀態(tài)暴露后保持塑性和韌布均勻和控制二次熔煉電流大小，如用鐵粉代替V-Fe中間合57性的能力。通常用暴露前后斷面收縮率或斷裂韌性K1c的變化來(lái)衡量。高溫暴露后的室溫ψ大于未暴露時(shí)的60％，則為熱穩(wěn)定，否則是不穩(wěn)定。影響熱穩(wěn)定性的主要因素有兩個(gè)。一個(gè)是高溫長(zhǎng)期暴露過(guò)程中內(nèi)部組織的變化，如出現(xiàn)有序相Ti3Al、剩余β相分解、硅化物的沉淀和聚集等；另一個(gè)是氧的滲入形成污染層，使合金變脆。而表面污染層比內(nèi)部組織變化對(duì)熱穩(wěn)定的影響更大。高溫鈦合金成分特點(diǎn)：組元多，合金元素有鋁、錫、鋯、鉬、硅、鈮、稀土等。硅對(duì)耐熱性有利作用是肯定的，硅和鉬共存時(shí)作用更顯著。性的能力。通常用暴露前后斷面收縮率或斷裂韌性K1c的變58鋁、錫、鋯固溶強(qiáng)化α相，可改善室溫和高溫性能。稀土能阻止β晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化晶粒，并提高熱穩(wěn)定性和耐熱性。大多數(shù)高溫鈦合金成分為Ti-A1-Sn-Zr-Si系合金，我國(guó)還添加了稀土(Ce、Y、Nd、Gd)。高溫鈦合金組織特點(diǎn)：以α相為基體加上少量β相，即近α合金。它保留α合金耐熱性和熱穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼有α+β型合金強(qiáng)度高和塑性好的特點(diǎn)。為獲得最佳的蠕變性能，近α合金使鋁、錫、鋯固溶強(qiáng)化α相，可改善室溫和高溫性能。稀土能阻止β晶59用狀態(tài)最好是片狀組織，但室溫塑性和疲勞性能不如等軸組織好。如果加工工藝能保證得到細(xì)小β晶粒和細(xì)片尺寸的魏氏組織，就可以獲得滿意的綜合性能，如IMI685合金已采用了β加工和β熱處理，得到針狀組織，改善了耐熱性能。用狀態(tài)最好是片狀組織，但室溫塑性和疲勞性能不如等軸組織60鈦的應(yīng)用鈦的應(yīng)用61鈦及鈦合金-ppt課件62

民用飛機(jī)的上各種材料用量的變化趨勢(shì)：復(fù)合材料和鈦合金的用量不斷增多。波音民機(jī)機(jī)體上鈦合金和復(fù)合材料的用量（%）民用飛機(jī)的上各種材料用量的變化趨勢(shì)：復(fù)合材料和鈦合金的用量63鈦及鈦合金-ppt課件64鈦在航空航天工業(yè)的應(yīng)用

在航空工業(yè)中，為減輕飛機(jī)重量，提高飛機(jī)的推重比以提高飛機(jī)的性能，自1949年鈦用于飛機(jī)構(gòu)件以來(lái)，其用量與日俱增。例如，1947年美國(guó)設(shè)計(jì)的第一代B52轟炸機(jī)，用鈦量為660磅，占結(jié)構(gòu)重量的0.8%，而1956年設(shè)計(jì)制造的B52轟炸機(jī)，則用了近2000磅鈦，超過(guò)結(jié)構(gòu)重量的2%。時(shí)至今日，鈦在軍用飛機(jī)F15戰(zhàn)斗機(jī)上的用量已達(dá)結(jié)構(gòu)重量的35%，在改進(jìn)的新型戰(zhàn)斗機(jī)F22上，鈦的用量占33%。鈦在民用飛機(jī)上的用量也有明顯地增長(zhǎng)，如在最新設(shè)計(jì)的波音777飛機(jī)上，鈦的用量達(dá)到結(jié)構(gòu)重量的10%。鈦在航空航天工業(yè)的應(yīng)用在航空工業(yè)中，為減輕飛機(jī)重量，提高飛65鈦在航空工業(yè)，作為結(jié)構(gòu)材料主要用于飛機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)和骨架。在發(fā)動(dòng)機(jī)上，鈦合金用量以達(dá)25%左右，其中大部分用于風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤和葉片以及導(dǎo)管和機(jī)殼。在飛機(jī)骨架上，用鈦代替其它材料主要是鈦的密度小，強(qiáng)度高，能大量減輕重量?，F(xiàn)在，民用飛機(jī)用鈦量約占構(gòu)架重量的20~25%，其它還包括飛機(jī)的艙壁、防水設(shè)備和空調(diào)管，軍用飛機(jī)的整流裝置、龍骨和機(jī)身等。在航天工業(yè)中，鈦也得到廣泛應(yīng)用。其中主要有戰(zhàn)略火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的部分零件，衛(wèi)星天線等。鈦在航空工業(yè)，作為結(jié)構(gòu)材料主要用于飛機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)和骨架。在發(fā)66鈦在艦船方面的應(yīng)用

海底資源勘探用鈦

根據(jù)國(guó)外最新公布的數(shù)據(jù)，在海洋中，除石油資源外，還蘊(yùn)藏著黃金70億噸，白銀133億噸，鈾40億噸，這些極其寶貴的資源，正等待著人類用現(xiàn)代技術(shù)去探測(cè)和開發(fā)。目前，美、日、法等國(guó)家都已研制出各種先進(jìn)的鈦深潛器、潛艇、海底實(shí)驗(yàn)室裝置來(lái)進(jìn)行海底資源調(diào)查研究。

1974年，美國(guó)用鈦合金制造了“Alvin”號(hào)深潛器耐壓殼體和浮力球，使深潛器下潛深度達(dá)3600米。

鈦在艦船方面的應(yīng)用海底資源勘探用鈦

根據(jù)國(guó)外最新公布的671979年，美國(guó)又用相同的鈦材料制造了第二艘深潛器，他們還計(jì)劃用底氧級(jí)的鈦合金制造下潛深度為6100米的DSSV號(hào)調(diào)查深潛器。

日本在“深海2000”號(hào)調(diào)查船上選用了鈦合金的耐壓殼體?！吧詈?500”號(hào)的建造計(jì)劃已完成，其耐壓殼體仍將采用鈦合金。日本聲稱，“深海6500”號(hào)一旦下水，則日本近海所有大陸架都可以探測(cè)。

1979年，美國(guó)又用相同的鈦材料制造了第二艘深潛器，他們還計(jì)68法國(guó)建造了一艘6000m級(jí)的“SM97”號(hào)潛水調(diào)查船，其耐壓殼體也是用鈦合金制造的。1981年，法國(guó)還用鈦合金建造了一個(gè)直徑2.10米的半球形海底實(shí)驗(yàn)室，用鈦量達(dá)5.5噸，價(jià)值100多萬(wàn)法國(guó)法郎。該實(shí)驗(yàn)室的工作深度為6000米。

中國(guó)也在1987年成功地研制出世界上第一套鈦制盔甲式常壓潛水器，用于近海資源開發(fā)及海軍軍事工程。

法國(guó)建造了一艘6000m級(jí)的“SM97”號(hào)潛水調(diào)查船，其耐壓69鈦在海軍裝備上的應(yīng)用核動(dòng)力潛艇：前蘇聯(lián)從1970年開始建造ALFA級(jí)核動(dòng)力潛艇，至今已有四艘服役。該潛艇的耐壓殼體均用鈦合金制造，每艘潛艇用鈦量為3500噸，下潛深度為900米，水面航速16節(jié)，水下航速42節(jié)，潛艇尺寸為79.3×10×7.6m。水翼艇：水翼艇的殼體、水翼和支柱以及聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)臂使用了鈦合金。

艦艇螺旋漿：用鈦合金制造船用螺旋漿，解決了海水沖刷腐蝕和空泡腐蝕等問(wèn)題，因此艦艇螺旋漿大量使用鈦合金制造。鈦在海軍裝備上的應(yīng)用核動(dòng)力潛艇：前蘇聯(lián)從1970年開始建造70鈦在民用船舶上的應(yīng)用在民用船舶上，鈦金屬主要用來(lái)制造（主發(fā)動(dòng)機(jī)透平）凝汽器、鈦板式換熱器、海水淡化裝置和管式天線等。

現(xiàn)在，美國(guó)、日本一些先進(jìn)國(guó)家試用鈦板制造高級(jí)游艇的船體及其它部件，一些高級(jí)賽艇也大量采用鈦金屬制造。鈦在民用船舶上的應(yīng)用在民用船舶上，鈦金屬主要用來(lái)制造（主發(fā)動(dòng)71鈦在海洋石油開采中的應(yīng)用

世界石油資源的極限儲(chǔ)量是10000億噸，可采量約3000億噸，其中海底儲(chǔ)量約1300億噸。因此許多國(guó)家都在加緊研制海上石油開采設(shè)備。目前，美國(guó)在這一海域的鉆井平臺(tái)上大約使用了100多臺(tái)鈦換熱器。

海上采油平臺(tái)上的石油提升管路系統(tǒng)，也大量采用鈦合金制造。還有鈦泵、鈦閥、鈦緊固件也大量采用。海上石油勘探測(cè)井儀器外殼也已大量使用了鈦合金，測(cè)井深度超過(guò)6000米。鈦在海洋石油開采中的應(yīng)用世界石油資源的極限儲(chǔ)量是1000072鈦在海洋工程中的其它應(yīng)用

海洋化工生產(chǎn)裝置：如利用海水制取氯化鎂，用鈦合金制造加熱室等裝置;

海水養(yǎng)殖業(yè)：例如，沿海人工養(yǎng)殖石斑魚，用鈦制造養(yǎng)殖網(wǎng)箱，帶來(lái)極好的效益。日本人用海水養(yǎng)殖獅魚、比目魚、鰻魚等，采用大量鈦金屬網(wǎng)，并用鈦管熱交換器維持一定的海水溫度。

此外，鈦金屬還可以用來(lái)做海中航標(biāo)架、海濱浴場(chǎng)安全浮標(biāo)、海上運(yùn)動(dòng)賽艇、沖浪板、海底電纜、海底挖掘機(jī)等。

鈦在海洋工程中的其它應(yīng)用海洋化工生產(chǎn)裝置：如利用海水制取氯73鈦在軍工方面的應(yīng)用

鈦在軍事工業(yè)方面用途很廣。目前已應(yīng)用和試驗(yàn)應(yīng)用的有：迫擊炮身管，反坦克導(dǎo)彈，導(dǎo)彈發(fā)射器，坦克防護(hù)板，防彈背心等方面。鈦在軍工方面的應(yīng)用鈦在軍事工業(yè)方面用途很廣。目前已應(yīng)用和試74鈦及鈦合金在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

在人體內(nèi)使用金屬制品已有400余年歷史，最早是英國(guó)菲托尼烏斯(Fetronnius)用金板等純金屬修補(bǔ)顱骨及鑲牙用，其后用銀、銅以及價(jià)值便宜的鐵片、鐵絲等金屬固定骨折及穩(wěn)定關(guān)節(jié)，直到l9世紀(jì)30年代才開始應(yīng)用鑄態(tài)Co—Cr—Mo合金，到了第二次世界大戰(zhàn)期間采用AISI316不銹鋼。隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展，一些塑料制品、合成織物也被采用，但都具有一定的缺點(diǎn)，例如耐磨性和抗腐蝕性能差。隨著冶金工業(yè)的發(fā)展，美國(guó)、英國(guó)、日本鈦及鈦合金在醫(yī)