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—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、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％。
99.5％工业纯钛的性能为：密度ρ=4.5g/cm3，熔点为1725℃，导热系数λ=15.24W/(m.K)，抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=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：α合金,(α+β)合金和β合金。
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。三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金；α钛合金的切削加工性最好，α+β钛合金次之，β钛合金最差。α钛合金代号为TA，β钛合金代号为TB，α+β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。