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第3章 钛及钛合金2

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钛及其钛合金、轴承合金、硬质合金

钛及其钛合金、轴承合金、硬质合金
5、后处理：烧结后的冶金制品可直接使用，也可进一步加工。
二、硬质合金的性能特点
硬度高（86～93HRA，相当于69～81HRC）；热硬性好（可达900～1000℃，保持60HRC）；耐磨性好。硬质合金刀具比高速钢切削速度高4～7倍，刀具寿命高5～80倍。制造模具、量具，寿命比合金工具钢高20～150倍。可切削50HRC左右的硬质材料。但硬质合金脆性大，不能进行切削加工，难以制成形状复杂的整体刀具，因而常制成不同形状的刀片，采用焊接、粘接、机械夹持等方法安装在刀体或模具体上使用。
四、课堂小结
点出重点，分析难点
五、课后作业
1、复习本次课的内容
2、课后练习册
3、下一节内容预习提示；
学生积极思考并回答
学生认真听讲
学生根据老师的提示认真回顾本次课的重点内容
教学过程
附记
听课
记笔记
科目金属材料与热处理授课班级第次课
教学过程
附记
定元素，又可分同晶型和共析型二种。应用了钛合金的产品
前者有钼、铌、钒等；后者有铬、锰、铜、铁、硅等。③对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质。氧和氮在α相中有较大的溶解度,对钛合金有显著强化效果,但却使塑性下降。通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.15～0.2％和0.04～0.05％以下。氢在α相中溶解度很小,钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆。通常钛合金中氢含量控制在0.015％以下。氢在钛中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去
教案
审批意见：
（签字）年月日
课题
钛及其钛合金轴承合金硬质合金
教学目的
钛及钛合金、轴承合金、硬质合金的分类和性能特点
重点、难点
钛及钛合金、轴承合金、硬质合金的分类和性能特点

钛合金介绍 PPT课件

钛合金介绍 PPT课件
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
钛合▪金自高热温β处相稳理定基区冷础却下来， β相发生分解。
▪当转变温度T3时，转变终了得α+β相。 ▪当转变温度T2时，先是β→β+ω，此时ω为介 稳定相，再进一步转变为β+ω→ β+α+ω→β+α。
▪当转变温度为T1时，发生β→β+ω相变。 ▪三种情况下相应的硬度变化见图。ω相均匀细 小，析出明显强化合金，但一般同时引起严重 脆性。因此，ω相沉淀硬化是难以接受的。
钛合金的强韧化基础－α+β钛合金
2. α+β钛合金
➢Ti-6Al-4V是应用最广泛的α+β钛合金，其强度特性可通过控制α、 β二相的相对含量及金相形态而变化。退火态合金拉伸强度约 900MPa，而固溶时效态可以获得1200MPa。一般说来通过组织细 化和β相变控制，可以获得高强度。首先经α+β两相区热加工后控 制固溶处理，得到细而均匀分布的一次α相，再时效得到在前β相 区析出细的二次α相质点。细的等轴α结构还具有较高的塑性、疲 劳裂纹形成阻力和高温低周疲劳强度。
仍保持良好的塑性及韧性)
➢耐腐蚀性能(钝化层（TiO2）,纳米尺度，室温下长大极慢) ➢吸气性能（储气、干燥）
纯钛特点
纯钛：一种银白色的金属
特点：
是很活泼的元素。
有很好的钝化性能，钝化膜很稳定，在许多环境中表现出 很好的耐蚀性。有“耐海水腐蚀之王”之称。
高温下，钛的化学活性很高，能与卤素、氧、氮、碳、硫 等元素发生剧烈反应。
▪再增加冷速，可以不发生相变得到室温介稳的 β相，或者得到β→α马氏体相变，得到α马氏体 相（当β稳定剂小于临界浓度时）；在随后的 时效时，马氏体又可以分解析出细小β相。

《金属材料与热处理》第六章至第七章

《金属材料与热处理》第六章至第七章

第六章 铸铁（P108）
第一节 铸铁的组织与分类
三、铸铁的分类： 铸铁的分类： 2、按石墨形态不同分： 、按石墨形态不同分： （1）普通灰铸铁：石墨呈曲片状 ）普通灰铸铁： （2）可锻铸铁：石墨呈团絮状 ）可锻铸铁： （3）球墨铸铁：石墨呈球状 ）球墨铸铁： （4）蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状 ）蠕墨铸铁：
＜0.1%
2、性能：强度和塑性超过灰铸铁和可锻铸铁，接近铸钢，而 、性能：强度和塑性超过灰铸铁和可锻铸铁，接近铸钢， 铸造性能和切削性能比铸钢要好。 铸造性能和切削性能比铸钢要好。 3、牌号及用途： 、牌号及用途： 球铁”二字的汉语拼音字母字头“ 由“球铁”二字的汉语拼音字母字头“QT”，后面的一组表 ， 示最小抗拉强度和断后伸长率数值的数字组成。 示最小抗拉强度和断后伸长率数值的数字组成。 用途见P114 表6-3 用途见
第六章 铸铁（P108）
第二节 常用铸铁简介
一、灰铸铁： 灰铸铁： 1、成分与组织：2.77-3.6%C、1.0-2.2%Si、S＜0.15%、P＜0.3% 、成分与组织： 、 、 ＜ 、 ＜ 2、性能和孕育处理（变质处理）：就是在浇注前往铁水中投 ）：就是在浇注前往铁水中投 、性能和孕育处理（变质处理）： 入少量硅铁、硅钙合金等作为孕育剂， 入少量硅铁、硅钙合金等作为孕育剂，使 铁水内产生大量 均匀分布的晶核，使石墨片及基体组织得到细化。 均匀分布的晶核，使石墨片及基体组织得到细化。 3、牌号及用途： 、牌号及用途： 灰铁”二字的汉语拼音字母字头“ 由“灰铁”二字的汉语拼音字母字头“HT”及后面的一组表 及后面的一组表 示最小抗拉强度数值的数字组成。 示最小抗拉强度数值的数字组成。 用途见P111 表6-1 用途见
第六章 铸铁（P108）
第二节 常用铸铁简介

第三章 钛合金及合金化原理

第三章 钛合金及合金化原理

第三章钛合金及合金化原理3.1钛合金相图类型及合金元素分类1.钛合金的二元相图（1）第一种类型与α和β均形成连续互溶的相图。

只有2个即Ti-Zr和Ti-Hf 系。

钛、锆、铪是同族元素，其原子外层电子构造一样，点阵类型相同，原子半径相近。

这两元素在α钛和β钛中溶解能力相同，对α相和β相的稳定性能影响不大。

温度高时，锆的强化作用较强，因此锆常作为热强钛合金的组元。

（2）第二种类型β是连续固溶体，α是有限固溶体。

有4个：Ti-V Ti-Nb Ti-Ta Ti-Mo系。

V、Nb、Ta、Mo四种金属只有一种一种体心立方，所以它们与具有相同晶型的β-Ti形成连续固溶体，而与密排六方点阵的α-Ti形成有限固溶体。

V属于稳定β相的元素，并且随着浓度的提高，它急剧降低钛的同素异晶转变温度。

V含量大于15%时，通过淬火可将β相固定到室温。

对于工业钛合金来说，V在α钛中有较大的浓度（>3%），这样可以得到将单相α合金的优点（良好的焊接性）和两相合金的有点（能热处理强化，比α合金的工艺塑性好）结合在一起的合金。

Ti-V系中无共析反应和金属化合物。

Nb在α钛中溶解度大致和V相同（约4%），但作为β稳定剂的效应低很多。

Nb含量大于37%时，可淬火成全β组织。

Mo在α钛中的溶解度不超过1%，而β稳定化效应最大。

Mo含量大于1%时，可淬火成全β组织.Mo的添加有效地提高了室温和高温的强度。

Mo室温一个缺点是熔点高，与钛不易形成均匀的合金。

加入Mo时，一般是以Mo-Al中间合金形式（通过钼氧化物的铝热还原过程制得）加入。

（3）第三种类型与α、β均有限溶解，并且有包析反应的相图。

Ti-Al、Ti-Sn、Ti-Ca、Ti-B、Ti-C、Ti-N、Ti-O等。

5%～25% Al浓度范围内的相区范围内存在有序化的α2（Ti3X）相,它会使合金的性能下降。

铝当量Al*=Al% +1/3Sn%+ 1/6Zr% + 1/2Ga% + 10[O]% ≤ 8%～9% 。

Ch9 镁、钛、铜及镍合金.ppt

Ch9 镁、钛、铜及镍合金.ppt

Ch9 镁、钛、铜及镍合金.ppt1、Ch9镁、钛、铜及镍合金简介本章主要内容：第一节镁及镁合金第二节钛及钛合金第三节铜及铜合金第四节镍及镍合金基本要求：了解镁、钛、铜及镍合金的分类，把握镁、钛、铜及镍合金的热处理，成份及性能特点和用处。

重点与难点：镁、钛、铜及镍合金的热处理、成分及性能特点；镁、钛、铜及镍合金细化晶粒和提高耐热性能的机理。

Chapter9镁、钛、铜及镍合金简介一、镁的性能特点及用处1.镁的性能特点低密度〔1.74g/cm3，约为铝的2/3〕，较高的电导率，很高的阻尼性能，高的化学活性。

以镁为基的合金有高的“强度/重量”比〔抗拉强度/密度〕。

8.1镁及镁合金9.1镁及镁合金Chapter9镁、钛、铜及镍合金简介2.镁的用处在整个镁的使用量中，有约一半是作为铝合金中的合金元素；在镍合金和铜合金2、的生产中用作脱氧剂和脱硫剂，在钢铁工业中用作脱氧剂和脱硫剂，在铍、钛、锆等金属的生产中用作还原剂；镁在球墨铸铁生产中是主要的石墨球化剂。

Chapter9镁、钛、铜及镍合金简介9.1镁及镁合金镁是有机化工反应物中的主要组分之一；高分散度的镁制作烟火剂；镁在金属防腐中起阴极爱护作用；由于镁具有高的、但可控的浸蚀倾向和低的密度，在光刻工艺中有重要作用。

Chapter9镁、钛、铜及镍合金简介9.1镁及镁合金二、镁合金的分类与合金化1.镁合金的分类镁合金按加工工艺通常可分为变形镁合金和铸造镁合金两大类。

其中在国家标准GB/T5153-1985中还列入了一号纯镁〔Mg1〕和二号纯镁〔Mg2〕。

另外，尚有部颁标准JB/T3070-1982给出了压铸镁合金的化学成分和力学性能。

Chap3、ter9镁、钛、铜及镍合金简介9.1镁及镁合金2.镁的合金化镁合金主要采纳固溶强化。

与镁形成固溶体的合金元素许多，主要有Al，Zn，Li，Ce，Zr，Th，Ag等。

Mg-Al-Zn系和Mg-Zn-Zr系是最常用的合金系。

钛合金发展历程

钛合金发展历程

钛合金发展历程1.钛金属的来源钛金属最早在1791年被英国一位名叫格雷戈尔的业余矿物学家发现的，到1795年，德国化学家克拉普鲁斯以希腊神Titans命名了这种未知的金属物质，中文英译为“钛”。

钛在地球上储量丰富，已知的钛矿物有140多种，但工业应用主要是钛铁矿和金红石，其中中国钛铁矿储量占到全球储量的28%，排名全球第一。

钛是世界上公认的无毒元素，开采和生产成本高，价格昂贵。

由于耐高低温、抗强酸碱、高强度、低密度等一系列资质，成为NASA 同款火箭卫星专用材料，也被应用于我国的玉兔号、歼20、山东舰航母等超级项目。

在上世纪80年代走入民用领域后，以其天然具有的抑菌性与亲生物性，一跃成为是食器界的“荣誉金属王”。

我国的钛工业起步于20世纪50年代，到60年代中期，我国分别在遵义和宝鸡建成海绵钛和钛加工生产厂，这意味着中国已经成为全球钛工业强国之一。

21世纪我国钛工业进入了加速发展的新时期，钛产能位居全球前列。

2.纯钛和钛合金的区别纯钛或叫工业纯钛或商业纯钛，是按照杂质元素的含量划分等级的。

它具有优良的冲压工艺性能和焊接性能，对热处理及组织类型不敏感，在令人满意的塑性条件下具有一定的强度。

它的强度主要取决于间隙元素氧、氮的含量。

99.5%工业纯钛的性能为：密度P=4.5g/cm3，熔点为1800°C，导热系数λ=15.24W/(M.K)，抗拉强度σ b=539MPa，伸长率：δ=25%，断面收缩率ψ=25%，弹性摸量E=1.078×105MPa，硬度HB195。

钛合金钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金，属于比较年轻的金属，从发现到现在也就六七十年的历史。

钛合金材料具有质量轻，强度大，弹性小，耐高温和耐腐蚀等特点，主要用于航空发动机，火箭，导弹等部件。

钛有两种同质异晶体，钛是同索异构体，熔点为1720°C在低于882°C时呈密排六方晶体格结构，称为a钛；在882°C以上呈体心立方品格结构，称为B钛，利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金（itaniumalloys）。

钛金属基本知识

目录钛工业发展史 (2)钛矿资源 (3)钛的原子结构 (5)钛的物理性质 (5)钛的化学性质 (5)钛的腐蚀数据 (8)钛的三大功能 (10)钛的十大性能 (11)钛的存在 (13)钛的冶炼 (13)钛及钛合金的特性、用途 (14)钛的化合物及用途 (15)钛的表面处理技术 (16)金属管道腐蚀防护基础知识 (20)钛工业发展史1791年英国牧师W．格雷戈尔(Gregor)在黑磁铁矿中发现了一种新的金属元素。

1795年德国化学家M．H．克拉普鲁斯(Klaproth)在研究金红石时也发现了该元素，并以希腊神Titans命名之。

1910年美国科学家M．A．亨特(Hunter)首次用钠还原TiCI：制取了纯钛。

1940年卢森堡科学家W．J．克劳尔(kroll)用镁还原TiCl：制得了纯钛。

从此，镁还原法(又称为克劳尔法)和钠还原法(又称为亨特法)成为生产海绵钛的工业方法。

美国在1948年用镁还原法制出2t海绵钛，从此达到了工业生产规模。

随后，英国、日本、前苏联和中国也相继进入工业化生产，其中主要的产钛大国为前苏联、日本和美国。

钛是一种新金属，由于它具有一系列优异特性，被广泛用于航空、航天、化工、石油、冶金、轻工、电力、海水淡化、舰艇和日常生活器具等工业生产中，它被誉为现代金属。

金属钛生产从1948年至今才有半个世纪的历史，它是伴随着航空和航天工业而发展起来的新兴工业。

它的发展经受了数次大起大落，这是因为钛与飞机制造业有关的缘故。

但总的说来，钛发展的速度是很快的，它超过了任何一种其他有色金属的发展速度。

这从全世界海绵钛工业发展情况可以看出：海绵钛生产规模60年代为60kt/a，70年代为1l0kt/a，80年代为130kt/a，到1992年已达140kt/a。

实际产量1990年达到历史最高水平，为105kt/a。

目前，世界海绵钛生产厂家和生产能力列于表1—1。

进入90年代后，由于军用钛量减少和俄罗斯等一些国家抛售库存海绵钛，使前几年市场疲软。

2020年高中化学新教材同步必修第一册 第3章 第二节 第1课时 常见的合金及应用

第二节金属材料第1课时常见的合金及应用[核心素养发展目标] 1.能从合金结构与组成的角度理解合金的特殊性能反应，培养宏观辨识与微观探析的能力。

2.能列举常见合金的组成和性能，能科学、合理的选择和使用金属材料，培养学生的科学精神和社会责任感。

一、铁合金1．合金的概述(1)合金是由两种或两种以上的金属(或金属和非金属)熔合而成的具有金属特性的物质。

(2)特征①合金是混合物，其有各成分金属的化学性质。

②合金的熔点一般低于各成分金属的熔点。

③合金的硬度一般高于各成分金属的硬度。

④合金的性能可通过所添加的合金元素的种类、含量及生成合金的条件等加以调节。

2．铁合金生铁铁、碳(C%：2%～4.3%)硬度大、抗压、性脆制造机座、管道钢碳素钢高碳钢铁、碳(C%：＞0.6%)硬而脆，热处理后弹性好制造器械、弹簧和刀具等中碳钢铁、碳(C%：0.3%～0.6%)强度高，韧性及加工性好制造钢轨、车轮和建材等低碳钢铁、碳(C%：＜0.3%)韧性、焊接性好，但强度低制造钢板、钢丝和钢管等合金钢不锈钢Fe、Cr、Ni 抗腐蚀性好制造医疗器械、炊具、反应釜和容器、地铁列车的车体(1)合金一定是由金属组成的混合物吗？提示不一定，合金中一定含有金属元素，也可能含有非金属元素。

(2)合金比成分金属的硬度大，原因是什么？提示纯金属内所有原子的大小和形状相同，原子的排列十分齐整，合成合金后，改变了原来有规则的层状排列，使原子层之间的相对滑动变得困难，导致合金的硬度变大。

二、铝和铝合金1．铝、氧化铝的性质(1)铝、氧化铝与稀盐酸反应实验操作实验现象铝片逐渐溶解，有无色气泡冒出，将点燃的木条放在试管口有爆鸣声离子方程式Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑(2)铝、氧化铝与NaOH溶液反应实验操作实验现象试管①中一开始无气泡产生，一段时间后，铝片溶解，有无色气泡冒出，试管②中铝片立即溶解，产生无色气泡，将点燃的木条放在试管口，都有爆鸣声Al2O3＋2OH－===2AlO－2＋H2O离子方程式2Al＋2OH－＋2H2O===2AlO－2＋3H2↑(3)实验结论：①铝既能与稀盐酸反应又能与NaOH溶液反应，都生成盐和氢气。

钛及其合金焊接缺陷的产生及防止

钛及其合金焊接缺陷的产生及防止【摘要】文章在概述了钛及钛合金基本性能的基础上，着重就钛合金焊接问题进行了探讨，特别对钛合金焊接缺陷的产生进行了分析，并结合实践提出了相应的防范措施。

【关键词】钛；钛合金；焊接；防范措施一、导言被授予“21世纪金属”的钛及钛合金，由于其具有高的比强度、优良的耐热、耐蚀性及断裂韧性等优点，在航空、航天、石化、医疗及地质等领域受到极大青睐，还越来越广泛地被应用于民用领域，如汽车、电力、休闲等行业。

随着钛及其合金的普遍使用，其焊接性能越来越为使用者所重视。

为此，本文着重就钛合金的焊接问题进行相关技术交流与探讨。

二、钛及其合金的基本性能1．金属钛的基本性能钛是银白色稀有金属，比重轻，强度高，耐腐蚀，对人体无害，有漂亮的金属质感。

工业纯钛溶点为1668℃，有两种同素异构体。

在882.5℃以下呈密集六方晶格为α钛；在882.5℃以上呈体心立方晶格为β钛。

工业纯钛可分为TA1、TA2、TA3三种牌号，焊接性能良好。

工业纯钛容易加工成型，但加工后会产生冷作硬化现象。

2．钛合金的基本性能在工业纯钛中加入合金元素便成为钛合金，其强度、塑性、抗氧化性等性能显著提高。

按室温组织可分为三类：α钛合金，如TA4、TA5；β钛合金，如TB2；α+β型合金，如TC4。

α钛合金组织稳定，焊接性能优良，但加工性能差，不能进行热处理强化。

主要合金元素是铝（AI），它能提高在结晶温度和扩大氢在钛中的溶解度，从而减少形成氢脆的敏感性，但过多铝则会出现Ti3AI而引起脆性。

β钛合金室温和高温性能都不理想，焊接性能差，易形成冷裂纹，故在焊接结构中应用甚少。

α+β型合金的基体是α相，兼有α和β钛合金的优点，有良好的热加工性能，可以进行热处理强化，但焊后接头塑性低，有形成冷裂纹倾向。

三、钛及其合金焊接主要缺陷及其成因分析1．钛及其合金焊接主要缺陷钛及其合金焊接时的主要问题是易产生气孔和裂纹这两种缺陷。

气孔是钛及其合金焊接时最常见的缺陷之一，气孔不仅造成应力集中而且会使整个焊接接头塑性及疲劳，寿命降低。

第五章_钛及钛合金的热处理


共析反应速度与加入的元素种类、元素浓度、反应温度及杂质元素有关。
合金长时间在高温下工作，会逐渐分解出TixMy
，使合金脆化，热稳定性降低。
5.2.2 β相转变
(2)等温转变

等温转变分高温和低温两部分。
5.2.3 时效过程中亚稳定相的分解

钛合金淬火形成的亚稳定相α′、α″、ω及βm，在 热力学上是不稳定的，加热时要发生分解，其分 解过程是比较复杂的。不同的亚稳定相分解过程 不同，同一亚稳定相因合金成分和时效规程不同 分解过程也不同。但最终的分解产物均为平衡状 态的α＋β。若合金有共析反应，则最终产物为α ＋TixMy,即

(3)ω相的分解 ω相是β稳定元素在α钛合金中的一种过饱和固溶 体，从ω相中析出α有以下几种形式：


α相在原来β晶界和ω相界上不均匀形核、长大并 吞食ω；

ω相首先溶解，然后从β相中析出α相； 延长时效时间或提高时效温度， ω相逐渐失去稳 定性而直接转变为α相或α′ 相。

5.2.3 时效过程中亚稳定相的分解
的合金。我国α钛合金的牌号为TA后加一个代表合
金序号的数字，如TA1、TA2、TA3等。
（2）近α钛合金

这类合金主要靠α稳定元素固溶强化，另加少量β
稳定元素，以使退火组织中有少量β相。
5.1.2 钛的合金化
（3）α＋β钛合金

这种合金是指其退火组织为α＋β相的钛合金，也 称为两相钛合金。我国这类合金的牌号为TC，后 跟合金序号，如TC4、TC5、TC6等。
5.1.2 钛的合金化
5.1.2.2 钛二元相图类型及合金元素的分类 钛的二元相图可分为下列四种主要类型。
5.1.2 钛的合金化
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钛的提取 通过下列步骤，钛矿石 (主要为金红石， TiO2) 转变为海绵钛 ：
⑴Cl2 与矿石中的TiO2反应，形成TiCl4；
⑵TiCl4经分级蒸馏而净化； ⑶在Ar保护下，液态TiCl4 与 Mg 或Na 反应， 获得海绵钛。 生产过程： 钛铁矿或金红石→高纯度四氯化钛 →镁还原四氯化钛→海绵钛→钛材 和钛粉。
纯钛组织基本形态 形变再结晶退火后，α相呈等轴状，称等轴α； β相区缓慢冷却，α相以集束片状形式沿β晶界和晶 内有规则的析出，此类形态称魏氏α； β相区快冷，则发生马氏体转变，马氏体形态与纯度 有关：高纯钛中呈锯齿状，工业纯钛中呈片状，两者均属板 条状马氏体。
等轴α
板条状马氏体
魏氏α
工业纯钛的牌号、性能及用途 工业纯钛退火得到单相α组织，属α型钛合金。
钛的切削加工较困难。主要原因是钛的摩擦系数大，导热性 差，热量主要集中在刀尖上，使刀尖很快软化；同时钛的化学活 性高，温度升高易粘附刀具，造成粘结磨损。切削加工时，应正 确选用刀具材料，保持刀具锋锐，并采用良好的冷却。
杂质元素对钛性能的影响
杂质元素主要有氧、氮、碳、氢、铁和硅。 氧、氮、碳、氢为间隙型元素；铁、硅为臵换型元素，可以 固溶在α相或β相中，也可以化合物形式存在。 钛的硬度对间隙型杂质元素很敏感，杂质含量愈多，钛的硬 度就愈高。 综合考虑间隙元素对硬度的影响，引入氧当量： O当=O％+2N％十0.67％ 氧当量和硬度的关系为： HV=65+310· 0.5当。 O
氢可提高高温形变塑性，即提高热塑性或超塑性。生产上先 将氢渗入合金中，然后高温变形，再通过真空退火去氢。增塑的 原因是氢降低钛的形变激活能，即降低钛原子扩散迁移所必须克 服的能垒，提高了变形过程中扩散协调变形能力；同时氢原子在 高温下分布较均匀，减小了局部弹性畸变；氢有促进晶粒细化作 用，从而改善高温热塑性。
B707
0.2
B727
1
B737
2.2
B747 B747SP B757
2.5 4 1 6 3
B767
2 3
B777
7 11
B787
15 50
空客民机机体上钛合金和复合材料的 用量（%） 钛合金 复合材料 机型
第三代客机 第四代客机 研制中客机
A320
4.5
6 10
5.5
8 22
A340 A380
航空发动机的各种材料用量的变化趋势：
⑴密度小、比强度高：密度约为钢或镍合金一半，比强度高于铝 合金及高合金钢。 ⑵导热系数低：为低碳钢的五分之一，铜的二十五分之一。 ⑶无磁性：强磁场中不被磁化，无毒且与人体组织及血液有很好 的相容性。 ⑷导电性能差（为铜的3.1%）、热膨胀系数小（与玻璃相近）。 ⑸抗阻尼性能强：钛自身振动衰减时间比钢、铜长。 ⑹耐热性高：因熔点高，使得钛被列为耐高温金属。 ⑺耐低温：低温下保持良好的韧性及塑性，是低温容器的理想材 料。 ⑻易吸气：钛的化学性质非常活泼，高温下易与碳、氢、氮及氧 发生反应。 ⑼耐蚀性好：空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、 附著力强、惰性大的氧化膜，保护钛基体不被腐蚀。
美国军用飞机上各种材料用量占机体结构总量的百分比
机型 复合 材料 钛合金 铝合金 钢 F-16 3 2 83 5 YF-17 F/A-18 F/A-18 F/A-18 F/A-22 F-35 A/B C/D E/F 8 7 73 10 9.5 12 50 15 10 13 50 16 23 15 29 14 24 41 15 5 36 27 B-1 29 21 41 9 B-2 38 26 19 6 X-45A X-45B 50 90
50000 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 1995年 1997年 1999年 2001年 2003年 2005年 2007年 年份
年量/吨
2006年 14万吨ห้องสมุดไป่ตู้
军用飞机上的各种材料用量的变化趋势：复合材料和钛 合金的用量逐渐增多
第3章 钛及钛合金
3.1 概述 3.2 钛的提取和熔化 3.3 纯钛 3.4 钛合金
3.1 概述
钛源于Titans，即希腊神话中地球上大力士。 地壳中钛元素含量位列第四 (0.86%) ，居铝、铁、镁之后。 自然界中不存在纯钛，仅以氧化物存在，如FeTiO3、TiO2。 强度与钢相当，而密度几乎仅有钢的一半。
HCP α phase structure
α ＋β球形（ 0.3% Fe ）
Hot-rolled structure
氢对纯钛及钛合金性能的影响
氢对纯钛及钛合金性能的影响就是引起氢脆。 氢在β-Ti中溶解度比α-Ti中大得多，且在α-Ti中的溶解度随温 度降低而急剧减少，当冷却到室温时，析出脆性氢化物TiH2，使 合金变脆，称为氢化物氢脆。 含氢α-Ti在应力作用下，促进氢化物析出，由此导致的脆性叫 做应力感生氢化物氢脆。 溶解在钛晶格中的氢原子，在应力作用下，经过一定时间会 扩散到晶体缺陷处，与那里的位错发生交互作用，使位错被钉扎， 引起塑性降低。当应力去除并静臵一段时间，再进行高速变形时， 塑性又可以恢复，这种脆性称为可逆氢脆。 钛及钛合金中氢含量小于0.015％时，可避免氢化物型氢脆， 但无法避免应力感生氢化物氢脆和可逆氢脆。 减少氢脆的措施是减少氢含量，如严格控制原材料纯度、采 用真空熔炼、用中性或弱氧化性气氛加热、惰性气体保护焊接、 尽量避免酸洗增氢等。用真空退火去氢。
钛在室温可吸收氢气，500℃以上吸气能力更强烈，可作为 高真空电子仪器的脱气剂；利用钛吸氢和放氢的特性，可以作 储氢材料。
耐蚀性能 ETi=－1.63V，而钛的致钝电位低，故钛易钝化。 常温下钛表面极易形成由氧化物、氮化物组成的钝化膜，它 在大气及许多浸蚀性介质中非常稳定，具有很好的抗蚀性。 大气、海水、氯化物水溶液及氧化性酸(硝酸、铬酸等)和大 多数有机酸中，钛抗蚀性相当于或超过不锈钢，在海水中耐蚀性 极强，可与白金相比，是海洋开发工程理想的材料。 钛与生物体相容性好，无毒，适做生物工程材料。 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。 另外，钛合金有热盐应力腐蚀倾向。 550℃以下钛与氧形成保护作用良好的致密氧化膜。538℃以 下，钛的氧化符合抛物线规律。但在800℃以上，氧化膜分解， 氧原子以氧化膜为转换层进入金属晶格，此时氧化膜已失去保护 作用，使钛很快氧化。
化学性质 室温下钛比较稳定。
高温下活泼，熔化态能与大多数坩埚造型材料发生作用。
高温下与卤素、氧、硫、碳、氮等进行强烈反应。 钛在真空或惰性气氛下熔炼，如真空自耗电弧炉、电子束 炉、等离子熔炉等设备中熔炼。 钛在氮气中加热会发生燃烧，钛尘在空气中会发生爆炸， 所以钛材加热和焊接宜用氩气作保护气体。
纯钛强度随温度升高而降低，加热到250℃时抗拉强度减小 一半。500℃以下加热时断面收缩率变化很小，而伸长率连续下 降；500℃以上，塑性随温度提高而增加，接近转变温度时，出 现超塑性(A>100％)。 纯钛有良好的低温塑性，特别是间隙元素含量很低的α型合 金适宜在低温下使用，如在火箭发动机或载人飞船上作超低温 容器。 钛的疲劳性能特点与钢类似，具有比较明显的物理疲劳极 限，纯钛的反复弯曲疲劳极限为0.6～0.8Rm，钛的疲劳性能对金 属表面状态及应力集中系数比较敏感。 钛的耐热性比铁和镍低。这与钛原子自扩散系数大和存在 同素异晶转变有关。钛的耐磨性较差，通过渗氮、碳、硼可提 高其耐磨性。
钢、铝时代→冷端以钛为主、热端以镍为主的镍、钛、钢时 代→未来：部分地被树脂基、金属基、陶瓷基复合材料和金 属间化合物所取代。
3.2 钛的物理冶金
钛的特性
晶体结构： 原子半径： 密度： 熔点：
882.5度同素异构转 变 (α-Ti↔β-Ti)。 与氧、氮、碳和氢剧 烈反应。 价格昂贵。主要用于 价格不是关键因素的 先进应用场合。 高强度和韧性。
马赫数M>5时，蒙皮温度高达数千华氏 度，高超音速轰炸机用材问题非常突出。 即使早期研制的SR-71高空高速侦察机 （M=3），蒙皮温度已相当高，故钛合 金用量高达93%。
民用飞机的上各种材料用量的变化趋势：复合材料和钛合 金的用量不断增多。
波音民机机体上钛合金和复合材料的用量（%）
机型
钛合金 复合 材料
由炉壁侧底面加入要熔化的材料，熔化热源为 电子束。
金属液体位于坩埚 上部，这样就获得了优 质铸锭。
感应凝壳熔炼法 水冷铜坩埚可避免炉衬材料的污染； 装入坩埚中的金属受感应电源的磁场作用而熔化； 熔化的金属液体在坩埚底、侧壁凝固形成壳层； 生产低成本、高质量钛合金。
3.3
力学性能
纯钛
纯钛A可达50～60%，Rm≤300MPa。 纯钛力学性能与纯度有关：间隙杂质（氧、氮、碳）含量增 加，其强度升高，塑性大幅度降低。
在惰性气体保护下ALD 真空技术电渣重熔炉
等离子弧熔炼(PAM)
它是对真空电弧熔炼的改进
在水冷铜坩埚中熔化金属；
所用热源为等离子枪或电子束 ；
与坩埚壁接触的金属液形成凝固 壳层 (凝固的钛) ，而熔融的钛合 金浮于壳层上部， 阻止坩埚污染 钛合金熔体； 大密度夹杂物沉积到坩埚底部而 去除。
电子束熔炼
氮、氧、碳都提高α+ β／β相变温度，扩大α相区，属α稳定 元素。均可提高强度，急剧降低塑性，其影响程度按氮、氧、碳 递减。为了保证合金的塑性和韧性，工业钛合金中氢、氧、氮、 碳含量分别控制在0.015％、0.15％、0.05％，0.1％以下。低温用 钛及钛合金，由于氧、氮和碳提高塑－脆转化温度，应尽量降低 它们的含量，特别是氧含量。 微量铁和硅在固溶范围内与钛形成臵换固溶体，它们对钛的 性能影响没有间隙杂质元素那样强烈。作为杂质时，铁和硅的含 量分别要求小于0.3％和0.15％，但有时也作为合金元素加入。