纯钛不同温度热氧化处理组织与耐蚀性研究定稿版

钛合金材料表面处理及耐腐蚀性能研究钛合金是一种广泛应用于航空、航天、汽车等领域的重要材料，具有优异的机械性能和耐腐蚀性能。

然而，在实际使用中，钛合金材料的表面容易受到外界环境的侵蚀，降低了其使用寿命和性能稳定性。

因此，钛合金材料的表面处理和提高其耐腐蚀性能成为了研究的热点之一。

钛合金表面处理的目的是通过改变其表面性质和结构，提高其抗腐蚀、耐磨损等性能。

常见的表面处理方法包括阳极氧化、电化学沉积、陶瓷喷涂、镀层等。

阳极氧化是一种常用且有效的表面处理方法，通过在钛合金表面形成致密的氧化层，改变了表面的化学性质和物理结构，从而提高其耐腐蚀性能。

事实上，表面处理不仅能改善钛合金的耐腐蚀性能，还能增加其机械强度和抗磨损性。

例如，在航空发动机等高温高压的工作环境下，钛合金往往需要承受严酷的加载和腐蚀，表面处理可以在一定程度上提高钛合金材料的稳定性和寿命。

除了表面处理，钛合金材料的腐蚀性能也与其化学成分和晶体结构密切相关。

通过调整钛合金中的合金元素含量和添加稀土元素等方法，可以改变钛合金材料的晶界结构和晶粒尺寸，降低局部电位差，从而提高其耐腐蚀性能。

同时，钛合金的表面形貌对其腐蚀性能也有一定影响。

例如，通过表面粗化处理可以形成更大有效的表面积，提高钛合金与环境介质之间的接触面，进而增强其耐腐蚀性能。

研究钛合金材料的耐腐蚀性能不仅仅局限于材料的表面处理，还需要考虑其在不同环境条件下的长期使用性能。

例如，在海洋环境中，钛合金材料容易受到海水中氯离子和海洋生物等因素的侵蚀，引起钛合金的腐蚀破坏。

因此，钛合金的耐蚀性研究需要考虑到不同环境因素的综合影响，以制定出相应的表面处理方案和腐蚀预防措施。

值得注意的是，提高钛合金材料的耐腐蚀性能不仅仅依靠表面处理，还需综合考虑其它因素，如材料的制备工艺、合金元素含量等。

因此，将来的研究需要从材料制备、表面处理、晶体结构等多个角度综合分析钛合金材料的腐蚀性能，促进其在各个领域的应用。

钛及钛合金的热处理及耐蚀性表面处理1 有关热处理的标准与热处理炉钛及钛合金的热处理条件虽然在JIS或ASTM中都没有标准化，但在美国军用标准（MIL —H81200）中有详细的规定，下表列出了根据该标准整理的纯钛和钛合金的热处理温度、*ELI表示氧、氮等间隙元素特别低的材料在MIL标准中还规定了热处理炉的炉膛温度分布均匀性，要求退火或固溶处理时不超过±14℃，时效处理时不超过±8.3℃，针对这些要求希望采用具有（1）可控硅控制的电源；（2）升温、保温、冷却的程序控制机构；（3）用风扇搅拌炉内空气等功能的电炉。

在使用燃烧炉的时候，必须注意（1）为了防止吸氢，保持微氧化性气氛；（2）被处理材料装入马弗缸内，不要直接接触火焰。

2 退火一般地说，金属的退火是使其内部应变消除、加工组织产生恢复与再结晶的热处理。

钛及钛合金的热处理是为了组织稳定化、稳定制品尺寸、提高可切削性以及改善力学性能而实施的。

α合金的退火是在α相区加热，使平衡状态的α相充分地恢复与再结晶，然后再冷却到室温。

冷却速度引起的组织变化很小，快冷或缓冷均可。

α—β合金的退火是在两项区进行。

β合金则是在高于β相变点的温度下退火处理。

Ti-6Al-4V是采取在两相区加热后空冷进行退火的，以便在常温下得到稳定的β相和α相混合组织。

MIL标准规定的退火工艺为690～871℃下加热并保温，然后空冷。

β合金的退火与固溶处理相同。

3 固溶处理所谓固溶处理，就是使所有合金元素溶入基体相中形成均匀的固溶体后快冷到室温，将高温下的组织状态保持下来，获得过饱和固溶体的热处理操作。

由于过饱和固溶体是不稳定的，若在某一温度下重新加热，溶入的元素或者以化合物形态析出或者形成平衡的稳定相，从而达到稳定的状态。

α—β合金的固溶处理是在β相变点以下的两相区加热，类似于铁素体＋奥氏体两相不锈钢的固溶处理。

加热到固溶温度后溶入该温度下处于平衡状态的α和β相中的合金元素是不同的，各自的成分也完全不同于合金的平均组成。

钛及钛合金的热处理及耐蚀性表面处理1 有关热处理的标准与热处理炉钛及钛合金的热处理条件虽然在JIS或ASTM中都没有标准化，但在美国军用标准（MIL —H81200）中有详细的规定，下表列出了根据该标准整理的纯钛和钛合金的热处理温度、*ELI表示氧、氮等间隙元素特别低的材料在MIL标准中还规定了热处理炉的炉膛温度分布均匀性，要求退火或固溶处理时不超过±14℃，时效处理时不超过±8.3℃，针对这些要求希望采用具有（1）可控硅控制的电源；（2）升温、保温、冷却的程序控制机构；（3）用风扇搅拌炉内空气等功能的电炉。

在使用燃烧炉的时候，必须注意（1）为了防止吸氢，保持微氧化性气氛；（2）被处理材料装入马弗缸内，不要直接接触火焰。

2 退火一般地说，金属的退火是使其内部应变消除、加工组织产生恢复与再结晶的热处理。

钛及钛合金的热处理是为了组织稳定化、稳定制品尺寸、提高可切削性以及改善力学性能而实施的。

α合金的退火是在α相区加热，使平衡状态的α相充分地恢复与再结晶，然后再冷却到室温。

冷却速度引起的组织变化很小，快冷或缓冷均可。

α—β合金的退火是在两项区进行。

β合金则是在高于β相变点的温度下退火处理。

Ti-6Al-4V是采取在两相区加热后空冷进行退火的，以便在常温下得到稳定的β相和α相混合组织。

MIL标准规定的退火工艺为690～871℃下加热并保温，然后空冷。

β合金的退火与固溶处理相同。

3 固溶处理所谓固溶处理，就是使所有合金元素溶入基体相中形成均匀的固溶体后快冷到室温，将高温下的组织状态保持下来，获得过饱和固溶体的热处理操作。

由于过饱和固溶体是不稳定的，若在某一温度下重新加热，溶入的元素或者以化合物形态析出或者形成平衡的稳定相，从而达到稳定的状态。

α—β合金的固溶处理是在β相变点以下的两相区加热，类似于铁素体＋奥氏体两相不锈钢的固溶处理。

加热到固溶温度后溶入该温度下处于平衡状态的α和β相中的合金元素是不同的，各自的成分也完全不同于合金的平均组成。

钛的十大性能1 密度小,比强度高金属钛的密度为4.51g/cm3,高于铝而低于钢、铜、镍，但比强度高于铝合金和高强合金钢。

2 弹性模量低钛的弹性模量在常温时为106.4GMPa,为钢的57%。

3 导热系数小金属钛的导热系数小，是低碳钢的五分之一，铜的二十五分之一。

4 抗拉强度与其屈服强度接近钛的这一性能说明了其屈强比（抗拉强度/屈服强度）高，表示了金属钛材料在成形时塑性变形差。

由于钛的屈服极限与弹性模量的比值大，使钛成型时的回弹能力大。

5 无磁性、无毒钛是无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁化，无毒且与人体组织及血液有好的相溶性，所以被医疗界采用。

6 抗阻尼性能强金属钛受到机械振动、电振动后，与钢、铜金属相比，其自身振动衰减时间最长。

利用钛的这一性能可作音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。

7 耐热性能好新型钛合金可在600℃或更高的温度下长期使用。

8 耐低温性能好钛合金TA7（Ti-5Al-2.5Sn）,TC4(Ti-6Al-4V)和Ti-2.5Zr-1.5Mo等为代表的低温钛合金,其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大。

在-196-253℃低温下保持较好的延性及韧性,避免了金属冷脆性,是低温容器,贮箱等设备的理想材料。

9 吸气性能钛是一种化学性质非常活泼的金属,在高温下可与许多元素和化合物发生反应。

钛吸气主要指高温下与碳、氢、氮、氧发生反应。

10耐腐蚀性能钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大。

但实际上钛在许多介质中很稳定，如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。

这是因为钛和氧有很大的亲和力，在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀。

即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。

这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。

介质温度在315℃以下钛的氧化膜始终保持这一特性。

为了提高钛的耐蚀性，研究出氧化、电镀、等离子喷涂、离子氮化、离子注入和激光处理等表面处理技术，对钛的氧化膜起到了增强保护性作用，获得了所希望的耐腐蚀效果。

纯钛不同温度热氧化处理组织与耐蚀性研究 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998学号：05430205江苏工业学院毕业论文（2009届）题目纯钛不同温度热氧化处理组织与耐蚀性研究学生倪静学院材料科学与工程学院专业班级金材052 校内指导教师胡静专业技术职务教授二○○九年六月纯钛不同温度热氧化处理组织与耐蚀性研究摘要：钛及钛合金由于其高的比强度、优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性，广泛应用于航空航天、化工、航海、医疗器械、国防领域。

但钛及钛合金在一些介质中较差的耐腐蚀性限制了它的应用。

热氧化处理是一种简单、环保的工艺，可强化钛合金的表面，改善钛在一些介质中的耐腐蚀性能。

本研究选取了TA2为研究对象，将TA2置于箱式电阻炉中进行温度为500℃、600℃、650℃、700℃、750℃和850℃，时间为210min热氧化。

利用光学显微镜（OM）对不同温度热氧化试样表层和截面的组织分析；用扫描电子显微镜（SEM）对不同温度热氧化试样的表层和截面、腐蚀前后进行组织形貌进行分析；利用EDS 分析了微区成分和截面元素分布情况；采用X射线（XRD）对不同温度热氧化试样的表层进行物相分析；利用维氏硬度计对不同温度热氧化试样的表层进行显微硬度分析。

最后研究了TA2经不同温度热氧化后在36-38%的HCl和30%的H2O2中的耐腐蚀性。

研究结果表明，600℃以上热氧化在表面形成了TiO2氧化膜，整个氧化渗层由表层TiO2氧化膜和氧扩散层构成，热氧化温度越高，表面形成的TiO2氧化膜越厚，表面硬度越高。

热氧化后试样表面硬度随温度升高而提高；耐腐蚀性在一定温度范围内，随温度升高而提高，本研究中，210min、700℃生成的氧化膜的耐腐蚀性最好。

关键词：纯钛；热氧化；氧化层；显微硬度；耐腐蚀性The effect of thermal oxidation at different temperature on the microstructure and corrosion-resistance for CP-Ti Abstract: Titanium and its alloys have a wide range of applications in the fields of aerospace，chemical industry，marine，biomedical devices and defense because of their combination of properties in terms of high strength to weight ratio, exceptional resistance to corrosion and excellent biocompatibility.However, the poor tribological properties and undesirable corrosion-resistance in certain mediums of titanium alloys are still a limit for their use in some applications. Thermal oxidation (TO) treatment is an easy and environmental friendly technique that can be used to harden the surface of titanium alloys， and hence improve the poor tribological properties of these materials.TA2 samples were subjected to TO treatment at 500℃、600℃、650℃、700℃、750℃、850℃ for 210min. The effects of different TO temperature on microstructure、hardness、corrosion resistance in 36-38% HCl、30% H2O2 of TA2 were systematically studied. OM， SEM&EDS， XRD etc were employed for the microstructure, morphology and phases analysis; The hardness was measured by Vickerhardness tester. As reference, all the tests above were carried out on untreated TA2 as both counterparts.The results showed that the hardness of TA2 surface increases accompanied by significant improvement in wear resistance. The higher the TO temperature is，the thicker the oxidized film is. The oxidized film consists of titanium dioxide layer and oxygen diffusion zone beneath it. The best corrosion resistance was obtained after 210min700℃TO treatment.Key words: CP-Ti；Thermal oxidation；Oxidation layer；Micro-hardness；Corrosion-resistance目录1绪论钛的基本性质钛的矿物在自然界中分布很广，钛在地壳中的含量约为%，在金属中仅次于铝、铁和镁。

热处理工艺对钛合金材料的高温强度和耐腐蚀性的改善热处理工艺是通过对材料进行加热和冷却等一系列工艺操作，改变材料的组织和性能。

钛合金作为一种重要的结构材料，在航空航天、船舶和化工等领域具有广泛的应用。

然而，钛合金材料在高温下容易发生蠕变、氧化和腐蚀等问题，这限制了其在高温环境下的使用。

而热处理工艺可以提高钛合金材料的高温强度和耐腐蚀性，使其更加适用于高温环境。

首先，热处理工艺可以改善钛合金材料的高温强度。

钛合金材料在高温下容易发生蠕变现象，导致结构变形和性能下降。

通过热处理工艺，可以提高钛合金材料的晶粒尺寸和晶界稳定性，减少晶界的滑移和增大晶界数量，从而提高其高温强度。

此外，热处理还可以使钛合金材料中的非金属夹杂物溶解，消除杂质对材料性能的影响，进一步提高高温强度。

其次，热处理工艺还可以提高钛合金材料的耐腐蚀性。

钛合金材料在高温环境下容易发生氧化和腐蚀现象，使其性能下降。

热处理工艺可以改变钛合金材料的组织和表面状态，形成致密的氧化膜，阻止氧、水和腐蚀介质的侵蚀，提高耐腐蚀性。

同时，热处理还可以通过改变材料的孔隙结构，增大材料的表面积和电化学活性，提高材料的防腐蚀性能。

此外，热处理工艺对钛合金材料的高温强度和耐腐蚀性的改善还与具体的热处理方式和工艺参数有关。

常用的热处理方法包括固溶处理、时效处理和热变形处理。

固溶处理可以使钛合金材料中的固溶体和析出物达到均匀分布，提高高温强度和耐腐蚀性。

时效处理可以通过在适当的温度和时间下调控析出物的尺寸和分布，进一步提高高温强度和耐腐蚀性。

热变形处理通过加热和变形等工艺操作，改变钛合金材料的晶粒结构和孔隙分布，提高高温强度和耐腐蚀性。

综上所述，热处理工艺对钛合金材料的高温强度和耐腐蚀性具有重要的改善作用。

通过热处理工艺，可以改变钛合金材料的组织和性能，提高其高温强度和耐腐蚀性。

然而，热处理工艺的具体参数和方式需要根据具体的材料和应用环境进行优化设计，以实现最佳的效果。

钛及钛合金热氧化行为研究钛及钛合金是近年来工业发展中最受认可的金属材料，由于它们的良好强度和耐腐蚀性，因而在航空航天、电力、军事工程、核技术等领域有着重要的作用。

然而，当钛及钛合金处于高温热氧化条件下，其表面层会发生变化，从而影响钛及钛合金的性能和服役寿命。

因此，研究其热氧化行为及影响机理十分重要。

热氧化反应是在高温条件下，由金属表面与含氧气体发生反应形成氧化物膜的一种反应过程，主要反应就是氧化物析出和氧化物沉积，此外，扩散和毛细孔隙形成也是其重要组成部分。

钛及钛合金在热氧化过程中，氧化物膜层由不同盐类和氧化物组成，受热氧化温度和时间的影响而发生变化，影响氧化膜的析出和沉积的程度，从而影响钛及钛合金的性能。

热氧化反应的速率取决于析出和沉积等因素，它是一种复杂的过程，受到多种因素的影响。

由于钛及钛合金的高耐腐蚀性，会影响其氧化膜的生成速率，使得其氧化膜可以达到厚而稳定的状态，而不容易受到外部环境中的氧化剂、温度和酸碱度变化而影响。

此外，所形成的钛及钛合金氧化膜表面结构也将直接影响氧化行为，包括氧化物的析出速率，氧化膜的稳定性和耐磨度等特性。

热氧化反应有三种主要的表征方法，电化学法、激光诱导击穿测试和表面观察等，可以用来测定不同温度、不同时间、和不同沉积物对钛及钛合金氧化行为的影响。

电化学技术可以检测其电解极电位、析出电流等，从而表征氧化行为。

激光诱导击穿技术可以检测氧化物膜厚度，从而得到氧化膜生成程度。

表面观察法通过扫描电子显微镜来观察气相沉积的氧化物，表征氧化物沉积的程度。

此外，对钛及钛合金热氧化行为的研究还可以从后处理方面研究。

热氧化处理后，可以通过添加表面润湿剂、磨料等处理技术，从而改善钛及钛合金表面及表面性能，并以此来提高钛及钛合金在使用过程中的性能。

综上所述，钛及钛合金热氧化行为的研究十分重要。

只有了解热氧化反应机理和影响因素，才能有效地提高钛及钛合金的性能和服役寿命，从而更好地满足工业需求。

热处理对钛合金的高温强度和耐腐蚀性能的影响钛合金作为一种优异的结构材料，具备高强度、轻量化以及耐腐蚀性好的特点，广泛应用于航空航天、化工、医疗等领域。

而热处理作为一种常见的表面改性方式，可以对钛合金的组织和性能进行调控，进而改善其高温强度和耐腐蚀性能。

本文将探讨热处理对钛合金的影响，并通过实验结果和理论分析进行验证。

一、钛合金的高温强度钛合金在高温下具有良好的力学性能，而热处理可以进一步提高其高温强度。

常见的热处理方法包括时效处理、固溶处理和淬火处理等。

其中，时效处理是通过控制合金在高温下的持续时间和冷却速度，使合金中的固溶相析出，形成细小的弥散相，从而提高合金的高温强度。

固溶处理则是将合金加热至固溶温度，然后迅速冷却，在此过程中合金的晶体结构发生变化，从而提高高温强度。

而淬火处理是将合金加热至高温，然后通过迅速冷却使其产生大量的位错和相变，提高合金的高温强度。

通过这些热处理方法，在合适的工艺参数下可以显著提高钛合金的高温强度。

二、热处理对钛合金耐腐蚀性能的影响钛合金具有优异的耐腐蚀性能，但在某些极端环境下，如高温、高腐蚀介质等条件下，仍会发生腐蚀。

而热处理可以改善钛合金的耐腐蚀性能，主要通过晶界的改性、内应力的释放和形成致密的氧化膜等方式实现。

首先，热处理可以使钛合金中晶界的分布更加均匀，晶界附近的元素成分更加稳定，从而减少了晶界的腐蚀倾向。

其次，热处理还可以释放钛合金中的内应力，使晶体结构更加稳定，减少了腐蚀产物的析出，进而提高了钛合金的耐腐蚀性能。

最后，通过合适的热处理工艺，可以在钛合金表面形成致密的氧化膜，这种氧化膜具有良好的耐腐蚀性能，可以阻挡腐蚀介质的侵蚀，提高钛合金的耐腐蚀性能。

实验结果表明，在合适的工艺参数下，热处理能够显著提高钛合金的高温强度和耐腐蚀性能。

通过对不同热处理工艺的比较，可以选择出最适合具体应用场景的热处理方法，以达到最佳的材料性能。

综上所述，热处理对钛合金的高温强度和耐腐蚀性能有着显著影响。

钛合金高温氧化行为的研究与改进钛合金是一种轻质高强度的材料，常用于航空航天、汽车、医疗等领域。

然而，在高温环境下，钛合金容易发生氧化反应，导致机械性能的降低和表面的损伤。

因此，对钛合金高温氧化行为的研究和改进具有重要的意义。

一、高温氧化行为的原理钛合金高温氧化行为是指钛合金在高温下与氧气发生反应，生成氧化物，导致材料性能的变化。

其机理主要涉及氧化反应和扩散控制。

在高温下，钛合金表面会形成一层氧化膜，主要由TiO2和Ti2O3组成。

这层氧化膜在一定程度上可以保护材料不被进一步氧化，但同时也会影响材料的性能。

如果氧化膜的厚度超过一定范围，会导致材料表面起泡、疏松和开裂等问题。

另一方面，钛合金在高温下会发生扩散控制，即扩散过程对氧化反应速率的影响非常重要。

扩散控制的主要原因是氧气分子和钛合金元素之间的反应速率限制。

二、高温氧化行为的影响因素钛合金高温氧化行为受多种因素的影响，其中包括温度、氧气含量、气氛成分、材料组成和加工工艺等。

温度是影响高温氧化行为的首要因素。

随着温度的升高，氧化速率呈指数增长趋势。

当温度达到一定程度后，氧化速率将遇到瓶颈，此时氧化膜厚度开始增加。

氧气含量也是影响高温氧化行为的重要因素。

氧气含量越高，氧化速率越快，氧化膜厚度也越大。

另外，气氛中的其他成分如水蒸气、氮气等也会影响材料表面氧化行为。

材料组成对高温氧化行为也有影响。

一般来说，在含有Fe、Cr和Ni等元素的合金中，氧化反应速率较快。

因此，为了改善钛合金的高温氧化行为，需要适当调整其组成。

加工工艺在一定程度上也会影响钛合金高温氧化行为。

例如，在高温时进行热处理可以改善材料表面的氧化行为。

三、提高高温氧化抗性的方法为了改善钛合金的高温氧化行为，可以采用以下一些方法：1.氧化膜增强技术可以通过表面改性和涂层等方法增强钛合金氧化膜的防护能力。

例如，采用电解氧化、阳极氧化和溅射等技术，可以在钛合金表面形成厚度均匀、致密、硬度较高的氧化膜，以防止材料进一步氧化。

钛合金零件表面处理的耐蚀性能研究随着工业技术的不断发展，钛合金已经成为了重要的工程材料之一。

其高强度、耐腐蚀、耐高温等特性，被广泛应用于航空航天、汽车制造、医疗设备等领域。

然而，作为金属材料，在使用过程中仍存在着腐蚀的问题。

因此，对钛合金表面进行耐蚀处理，已成为提高其使用寿命的关键工艺之一。

一、钛合金表面腐蚀的特点钛合金表面腐蚀主要表现为晶间腐蚀、点蚀腐蚀和氢脆等现象。

晶间腐蚀是指在钛合金的晶界处发生腐蚀，导致材料的断裂。

点蚀腐蚀是指在表面出现成千上万的微小腐蚀孔，降低了材料的强度和耐久性。

氢脆则是在钛合金中吸收过多的氢气，导致材料变脆易碎。

二、表面处理对钛合金耐腐蚀性的影响1. 阳极氧化处理阳极氧化处理是目前使用比较广泛的一种表面处理方法。

该方法通过在钛合金表面形成一层氧化膜，形成一种致密的表面保护层，使钛合金具有良好的耐腐蚀性能。

研究表明，通过阳极氧化处理后的钛合金表面，能够形成一层致密的氧化膜，显著改善了材料的耐蚀能力。

2. 化学镀膜处理化学镀膜处理是利用化学反应在钛合金表面镀上一层金属或合金层，以提高其耐腐蚀性能。

研究发现，采用化学镀膜方法可以在钛合金表面生成一层金属或合金保护层，显著提高了材料的耐腐蚀性能。

3. 离子渗氮处理离子渗氮处理是一种将氮元素浸入钛合金表面的方法，以形成一层氮化层，提高钛合金表面硬度和耐蚀性能。

研究发现，通过离子渗氮处理后的钛合金表面，能够形成一层坚硬的氮化层，显著提高了材料的耐蚀性能。

三、表面处理的寿命和成本问题虽然钛合金表面处理可以显著提高材料的耐腐蚀性能，但是不同的处理方法使用寿命和成本也不尽相同。

在实际工程应用中，需要根据材料使用环境、使用寿命和成本等因素来选择合适的表面处理工艺，以达到经济、实用和耐用的目标。

综上所述，钛合金表面耐蚀性能的提高对于钛合金应用于航空航天、汽车制造、医疗设备等领域具有至关重要的意义。

各种不同的表面处理方法对钛合金的耐腐蚀性能均有一定效果，但在使用过程中需要考虑到成本和使用寿命等因素，选择合适的表面处理工艺。

钛合金材质的高温抗氧化性能研究一、引言随着现代工业技术的不断进步，高温工况下的先进材料需求愈发迫切。

而“钛合金”作为一种“高强度、低密度、高温抗氧化性能好、耐腐蚀、可加工性强”的材料，被广泛应用于航空、航天、化工等领域，成为了当代材料研究领域的一个热点。

本文主要探讨钛合金材质在高温条件下的抗氧化性能研究，分别从“高温氧化”与“材料结构调控”两方面进行讨论。

二、高温氧化1.高温氧化产物的形成钛合金高温热氧化一般按以下两种反应过程进行：2Ti + O2（氧气）→ 2TiO（钛氧化物）4Ti + 3O2（氧气）→ 2Ti2O3（二氧化钛）其中，TiO的发生温度较高，一般为850℃左右，而Ti2O3的发生温度较低，甚至在常温下也会有一定的生成率。

对于钛合金而言，该材质的高温氧化产物主要为TiO和Ti2O3。

2.高温氧化的影响高温氧化会导致钛合金表面出现氧化层，对材料的性能产生影响。

非均匀的氧化层会导致应力集中，从而影响到材料的强度和韧性；同时，氧化层的生成还会影响到材料的电阻、热导率和光学性能等。

然而，氧化层也不是全然的坏处，它可以在一定程度上保护金属表面不被腐蚀和磨损，同时还能够在一定程度上减少摩擦和腐蚀的功率损失。

三、材料结构调控1.表面处理为了提高钛合金在高温条件下的抗氧化性能，研究人员找到一种方法，即采用化学助剂等对合金表面进行处理。

比如，采用氟化氢、氯化铝等选择性腐蚀剂，可以去除表面一定深度的氧化层，达到增强性能的目的。

2.添加合金元素在制造钛合金时，可以针对不同的工作条件添加不同的合金元素，比如钒、铁、氮等。

通过合金元素的添加可以改变钛合金内部的组织结构，以达到提高高温抗氧化能力的目的。

3.氧化层再生钛合金高温氧化后，表面会形成氧化层。

但在某些情况下，该氧化层会出现裂缝等问题，导致氧化层结构急剧变化，从而影响到钛合金的抗氧化性能。

为了解决这一问题，研究人员提出了一种新的方法，即氧化层再生。

专门的技术人员通过特定的处理方法重新生成氧化层，提高钛合金的抗氧化性能。

钛及钛合金热氧化行为研究
钛及钛合金（Ti/Ti alloy）是高熔点材料，具有高强度、轻质、耐腐蚀、易加工性
等优点，因而在航空航天、电子电气、电子信息、仪表机械及精密机械等领域得到广泛应用，无论是护航飞机和航天器还是信息站、舰船、军事装备的无线集群，甚至是汽车和家
用电器，都会广泛使用钛及其合金。

钛及钛合金表面经历了不同的热处理后，表面处于高温和氧气环境下，经历热氧化反应，形成了抗腐蚀的致密钛氧化膜，这对于提升材料的耐腐蚀性、强度性和摩擦系数都有
着非常重要的作用。

由于钛及其合金表面的热氧化反应是一个复杂的动力过程，已经研究
表明，它不仅涉及材料的物理性能，而且与热氧化反应的化学和物理机理有着密切的关系。

因此，对钛及其合金热氧化行为的深入研究对其耐腐蚀性及其应用价值具有重要意义。

钛和钛合金在热氧化反应中发生的主要反应机理是：氧分子和水汽在钛表面迅速分解，形成氢氧化物，并与钛表面形成氢氧化钛（TiH）；随着温度的升高，氢氧化钛开始脱氢，形成氧化钛（TiO），继而进一步氧化，产生氧化钛层；氧分子和氢氧化物在钛表面气相
反应，形成氧化钛碳膜，同时因元素金属、少量碳气气体共加成氧化钛、碳复合薄膜。

热
氧化反应的反应热释放也增强了薄膜的抗腐蚀性和抗拉强度。

钛及其合金表面的热氧化反应受水蒸气和氧气浓度、温度、热处理过程和表面自身的
物理性质的影响，因此对于不同的材料来说，表面形成的氧化膜的质量也不尽相同。

为了
更好地应用钛及其合金，必须对热氧化反应进行深入研究，包括热氧化反应速率随环境变
化的响应模型、膜形质结构和特征、反应温度和反应时间的优化等，以制备性能优良的热
氧化膜。

钛合金表面耐蚀性的提高研究随着科技的不断进步，钛合金作为一种重要的材料在航空、航天等领域中得到了广泛应用。

然而，由于钛合金表面易受腐蚀损伤，这对其使用寿命和安全性都带来了一定的影响。

因此，提高钛合金表面的耐蚀性成为了一项重要的研究课题。

一、钛合金表面腐蚀原因首先，了解钛合金表面腐蚀的原因对于提高其耐蚀性有着重要的作用。

钛合金表面腐蚀的主要原因是与环境中的氧、水、酸性气体等氧化物的作用有关，其中含氯离子的介质更容易导致钛合金表面腐蚀。

其次，钛合金表面的氧化膜也会导致其腐蚀。

在氧化过程中，钛与氧气发生反应形成氧化层。

然而，这一氧化层具有一定的不稳定性，如果不能得到适当的保护，氧化层会进一步分解，导致钛合金表面腐蚀。

最后，钛合金表面的机械划痕、不规则形状等纹理也会加剧其腐蚀，这是由于这些区域的阴极电位与阳极电位差异大所致。

二、表面处理技术了解钛合金表面腐蚀的原因后，我们可以通过表面处理技术提高其耐蚀性。

下面将简要介绍几种常见的表面处理技术。

1、阳极氧化阳极氧化是一种将金属表层转化为氧化层的表面处理技术，可以提高钛合金表面的硬度和耐蚀性。

在氧化过程中，阳极氧化会产生大量孔洞，这些孔洞可用于沉积其他材料以保护初始氧化层。

此外，通过调整氧化电场值和氧化时间等参数，可以控制氧化层的厚度和颜色。

2、钝化处理钝化处理是通过在钛合金表面生成一层密闭的碱性氧化物来避免其被腐蚀。

在钝化处理中，钛合金表面的化学状态发生改变，表面成分的比例也会发生变化。

这种表面处理技术具有对抗腐蚀、抗磨损等诸多优点，但不同环境下要针对性的设定参数。

3、离子注入离子注入是一种通过将金属离子注入到钛合金表面形成硬化层的表面处理技术。

通过离子注入，可以改变钛合金表面的化学和物理性质，从而提高其耐蚀性。

同样的，针对不同的需求也有着不同的注入参数需要调整。

三、表面处理技术的发展趋势对于钛合金表面处理技术，我认为其发展趋势主要有以下几个方向。

1、绿色环保随着社会对于环保意识的提高，在表面处理技术中，无污染性是未来发展的一个重要趋势。

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟不同温度下钛表面生成的氧化物研究钛及钛合金表面烤瓷通常在800 ℃以下进行［1-3］,检测200 ℃～750 ℃范围内不同温度区段氧化的TA2 和TC4 试样表面生成的氧化物类型和结构,可以了解在临床烤瓷温度下，钛材表面的氧化情况，有助于认识钛材与瓷结合的机制。

1.材料和方法:取退火、磨光的纯钛(TA2)和Ti-6Al-4V 合金(TC4)板材,截成20mm×10mm×1mm 的块状(18 块TA2,21 块TC4),喷砂处理试样表面, 然后置于75 %乙醇中超声清洗,吹干。

两种钛材试样各分为6 组,每组3 个试样, 分别于200 ℃～300 ℃、300 ℃～400 ℃、400 ℃～500 ℃、500 ℃～600 ℃、600 ℃～700 ℃和600 ℃～750 ℃在烤瓷炉(VACUMAT 100，德国)中进行氧化处理10 min。

其余3 个TC4 试样经600 ℃～750 ℃氧化后，用500 目细砂纸磨去表面氧化物，用PW1700 型自动化粉末衍射仪(荷兰)对试样进行X线衍射检查。

2.结果:在200 ℃～300 ℃氧化后，TC4 表面有α-Ti峰和β- Ti 峰,以α-Ti峰为主；此外还出现了Ti2O3 峰,说明表面已有氧化物形成。

在300 ℃～400 ℃氧化后，又出现了TiO2,说明钛进一步被氧化。

在400 ℃～500 ℃处理后，α-Ti峰进一步增强,β-Ti峰变化不明显；氧化钛峰增多,有Ti2O3、TiO 和板钛矿型氧化钛(TiO2B),表明氧化加重。

在500 ℃～700 ℃范围内，随温度升高β-Ti峰增强，α-Ti峰下降。

经500 ℃～600 ℃氧化后,出现了TiO、Ti2O3、TiO2、TiO2B 和锐钛矿型氧化钛(TiO2A)峰。

在600 ℃～700 ℃氧化后有大量的氧化物在钛表面形成,出现了TiO 、Ti2O3、Ti3O5、TiO2A、TiO2B 和金红石型氧化钛(TiO2R)峰。

钛合金的热处理工艺研究钛合金作为结构材料在航空航天、船舶、化工等领域广泛应用，其高强度、耐腐蚀、高温性能优越。

然而，钛合金在制造过程中易产生裂纹、氧化、变形、内部气泡等质量缺陷，影响材料性能和使用寿命。

热处理是一种有效的方法来改善材料的力学性能和耐腐蚀性能。

本文将介绍钛合金的热处理工艺研究。

一、钛合金的热处理方法热处理是将材料加热到一定温度，并在一定时间内进行保温和冷却，以调整材料的晶粒结构和物理性能的过程。

常用的热处理方法包括固溶处理、时效处理、淬火和回火等。

固溶处理：将钛合金在高温下保温一段时间，使其固溶体中的固溶体元素溶解在钛基体中，形成固溶体。

这样可以改善合金的塑性、延展性和韧性，但会降低强度和硬度。

时效处理：在固溶处理后，经过一段时间的自然时效或加速时效，使溶解在钛基体中的元素析出形成固态沉淀，增加强度和硬度。

时效温度高、时间长可以得到更高的强度和硬度，但也会降低韧性。

淬火和回火：淬火是将材料加热到高温后迅速冷却，使材料达到亚稳态；回火是将亚稳态材料在适当温度下保温一段时间，使其稳定下来。

淬火可以得到高强度和硬度，但会降低韧性和延展性；回火可以恢复合金的韧性和延展性，但会降低硬度和强度。

二、钛合金的参数优化热处理的效果与时间、温度、冷却速率等因素密切相关。

因此，确定合适的热处理参数对于改善合金品质至关重要。

当前常用的方法包括试错法、拟合法和模拟法。

试错法：即通过试验不断调节处理参数来确定最优参数。

这种方法适用于钛合金批量较小的情况，但需要大量数据和试验，效率较低。

拟合法：将变量之间的关系用曲线拟合出来，以此预测最佳处理参数。

这种方法可以快速确定最优参数，但需要充分的数据支撑。

模拟法：利用数值模拟软件仿真出钛合金的热处理过程及其影响因素，预测出最佳处理参数。

这种方法可以快速、准确地评估处理效果和参数，但需要充足的计算资源和软件。

三、钛合金的处理效果测试热处理后的钛合金需要进行材料性能测试以确定处理效果。

学号：05430205江苏工业学院论文（20XX届）题目纯钛不同温度热氧化处理组织与耐蚀性研究学生倪静学院材料科学与工程学院专业班级金材052 校内指导教师胡静专业技术职务教授二○○九年六月纯钛不同温度热氧化处理组织与耐蚀性研究摘要：钛及钛合金由于其高的比强度、优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性，广泛应用于航空航天、化工、航海、医疗器械、国防领域。

但钛及钛合金在一些介质中较差的耐腐蚀性限制了它的应用。

热氧化处理是一种简单、环保的工艺，可强化钛合金的表面，改善钛在一些介质中的耐腐蚀性能。

本研究选取了TA2为研究对象，将TA2置于箱式电阻炉中进行温度为500℃、600℃、650℃、700℃、750℃和850℃，时间为210min热氧化。

利用光学显微镜（OM）对不同温度热氧化试样表层和截面的组织分析；用扫描电子显微镜（SEM）对不同温度热氧化试样的表层和截面、腐蚀前后进行组织形貌进行分析；利用EDS分析了微区成分和截面元素分布情况；采用X射线（XRD）对不同温度热氧化试样的表层进行物相分析；利用维氏硬度计对不同温度热氧化试样的表层进行显微硬度分析。

最后研究了TA2经不同温度热氧化后在36-38%的HCl和30%的H2O2中的耐腐蚀性。

研究结果表明，600℃以上热氧化在表面形成了TiO2氧化膜，整个氧化渗层由表层TiO2氧化膜和氧扩散层构成，热氧化温度越高，表面形成的TiO2氧化膜越厚，表面硬度越高。

热氧化后试样表面硬度随温度升高而提高；耐腐蚀性在一定温度范围内，随温度升高而提高，本研究中，210min、700℃生成的氧化膜的耐腐蚀性最好。

关键词：纯钛；热氧化；氧化层；显微硬度；耐腐蚀性The effect of thermal oxidation at different temperature on the microstructure and corrosion-resistance for CP-Ti Abstract:Titanium and its alloys have a wide range of applications in the fields of aerospace，chemical industry，marine，biomedical devices and defense because of their bination of properties in terms of high strength to weight ratio, exceptional resistance to corrosion and excellent biopatibility.However, the poor tribological properties and undesirable corrosion-resistance in certain mediums of titanium alloys are still a limit for their use in some applications. Thermal oxidation (TO) treatment is an easy and environmental friendly technique that can be used to harden the surface of titanium alloys，and hence improve the poor tribological properties of these materials.TA2 samples were subjected to TO treatment at 500℃、600℃、650℃、700℃、750℃、850℃for 210min. The effects of different TO temperature on microstructure、hardness、corrosion resistance in 36-38% HCl、30% H2O2 of TA2 were systematically studied. OM，SEM&EDS，XRD etc were employed for the microstructure, morphology and phases analysis; The hardness was measured by Vickerhardness tester. As reference, all the tests above were carried out on untreated TA2 as both counterparts.The results showed that the hardness of TA2 surface increases acpanied by significant improvement in wear resistance. The higher the TO temperature is，the thicker the oxidized film is. The oxidized film consists of titanium dioxide layer and oxygen diffusion zone beneath it. The best corrosion resistance was obtained after 210min700℃ TO treatment.Key words: CP-Ti；Thermal oxidation；Oxidation layer；Micro-hardness；Corrosion-resistance目录摘要 (I)ABSTRACT (II)目录 (III)1绪论 (1)1.1钛的基本性质 (1)1.1.1 物理性质 (1)1.1.2 力学性能 (2)1.1.3 化学性能 (2)1.1.3.1 与氧的作用 (3)1.1.3.2 与氮的作用 (3)1.1.3.3 钛的耐腐介质的性能 (3)1.2钛的组织与结构特征 (4)1.3钛合金分类 (4)1.3.1 α﹣钛合金 (4)1.3.2 α+β合金 (5)1.3.3 β﹣钛合金和近β钛合金（lea n β type alloy） (5)1.4工业纯钛简介 (5)1.5钛及钛合金的应用 (6)1.6钛及钛合金的缺陷 (7)1.7钛合金氧化处理的研究进展 (7)1.7.1 热氧化处理 (7)1.7.2 微弧氧化 (8)1.7.3 渗氧强化 (8)1.7.4 阳极氧化 (9)1.8课题研究的目的、内容 (9)1.8.1 课题研究的目的 (9)1.8.2 课题研究的内容 (9)2实验过程 (10)2.1试验方案 (10)2.2实验材料 (10)2.3实验方法 (10)2.3.1 制备试样与预处理 (10)2.3.2 TA2样品热氧化和氧化动力学分析 (11)2.3.2.1 TA2样品热氧化 (11)2.3.2.2 氧化动力学分析 (11)2.3.2.3 金属氧化的基础 (11)2.3.2.4 金属的氧化速度的表示方法 (12)2.3.3 金相试样的制备 (12)2.3.4 扫描电子显微镜（SEM）观察、EDS观察 (13)2.3.5 X射线衍射分析 (13)2.4性能测试 (13)2.4.1 显微硬度测量分析 (13)2.4.2 耐腐蚀性能测试 (14)3 结果和讨论 (15)3.1热氧化实验结果与分析 (15)3.2原始样与热氧化试样的金相及扫描电子显微（SEM&EDS）观察 (16)3.2.1 原始样与热氧化试样的金相 (16)3.2.2 热氧化试样截面的SEM分析 (18)3.2.3 热氧化试样截面的EDS分析 (19)3.3X射线衍射分析 (21)3.4显微硬度测试分析 (22)3.5腐蚀性能分析 (23)3.5.1 金属腐蚀速度的表示法 (23)3.5.2 钛在盐酸中的腐蚀 (23)3.5.3 钛在H2O2中的腐蚀 (25)4结论 (27)参考文献 (28)致谢 (29)1绪论1.1 钛的基本性质钛的矿物在自然界中分布很广，钛在地壳中的含量约为0.64%，在金属中仅次于铝、铁和镁。