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收藏词条   编辑词条 钛合金

创建时间:2008-08-02
        钛合金是40年代才开始投入商业生产的金属结构材料。其主要特点是熔点高(1668℃±5℃)、密度小(4.505g/cm3)、强度高,因而比强度高。图1比较了TC11钛合金和钢、铝合金、镁合金的屈服强度与密度之比随温度的变化趋势,由图可见钛合金的比强度明显高于其他合金。钛合金同时还具有良好的耐热和耐蚀性能,因而它被广泛地用于航空、航天、导弹、舰船、化工和食品机械、医疗器材等部门。



  钛及钛合金的塑性较好,能满意地进行锻造、切削加工,还可很好地进行焊接。

  钛合金在航空发动机结构中应用得最早,主要用于制造压气机盘、叶片等承受大应力的旋转件。用钛合金代替结构钢,强度降低不多,但发动机质量却能减轻100~500kg。
  随着飞行速度的提高,航程增大,钛合金在飞机机体结构中的应用也愈来愈广泛。例如美国B-1轰炸机打赌体结构材料中,钛合金占20.1%,F-15战斗机和V2500发动机中钛合金所占结构重量百分比已分别达到41%和31%。F-15战斗机上许多重要零件(如前轮、离心叶轮和隔板框等)也是钛合金制造的。
  钛合金锻件的尺寸主要受到设备吨位的限制。已知最大的盘形件直径达177.8cm,结构件平面投影面积达9670cm2。

  纯钛的提炼过程非常复杂,先将钛矿石经电炉熔炼形成高钛渣,再于800℃下进行氯化还原(TiO2+2Cl2+2C→TiCl4+2CO)得到四氯化钛,最后用镁还原并经真空蒸馏而成海绵钛。生产海绵钛的工艺复杂,且能耗高是导致钛产量低和成本高的主要因素;但钛资源丰富,是地壳中分布最广的元素之一,超过了碳、氯、氟、硫和磷,居第10位。

  钛属多晶型金属,有两种同素异构晶型。低于882.5℃为α晶型,呈密排六方晶格;高于882.5℃为稳定的β晶型,呈体心立方晶格。
  纯钛的特点是塑性高,强度比较低(σb=250~300MPa;σ0.2=100~150MPa;δ=50%~60%;ψ=70%~80%)。但是工业纯钛中只要含有少量杂质,其强度大约可提高1倍,塑性会降低。
  钛的熔点较铝、镁高得多,因而钛合金的耐热性能比铝合金、镁合金好,可在较高的温度下工作。目前钛合金长期工作温度已超过500℃,能长期工作在650℃以下的典型代表是英国的IMI834、美国的Ti-1100和俄罗斯的BT36。
  钛的膨胀系数较小,但锻造和挤压的工业钛棒的线膨胀系数比较分散,在20~120℃范围内为6.5×10-6~10.5×10-61/℃,这种分散性是由于钛晶格中c轴和α轴上的系数存在差异所致。
  钛的导热系数低,约为铁的1/5,几乎为铝的1/15。加上钛对钢的摩擦因数大,因此,钛和钛合金锻造时金属流动比较困难,而且容易粘模。
  钛的弹性模量较低,而且有明显的各向异性。在c轴方向测量时,E=146000MPa,而在垂直方向测量,E=10600MPa。钛的弹性模数较低是它的缺点,因为在某些场合下,为了获得刚性结构不得不采用比从强度考虑的截面更大的产品。
  钛的σs/σb值大,且弹性模量又低,因而钛合金冷成形时回弹比钢大。因此,钛合金一般都采用加热成形。
  完全的纯钛是不存在的,即使是碘化钛也含有铁、硅、碳、氮、氢、氧等少量杂质;工业纯钛中,杂质含量更多(见表1中的TA1和TA2)。杂质的存在,对钛的力学性能有影响,其中氧、氮、氢、碳的影响尤为显著。
  氧、氮含量的增加能急剧提高纯钛的强度,同时也降低塑性。例如,添加0.1%N,可使强度增加200MPa,而超过0.2%N,钛丧失大部分塑性,极易发生脆性断裂。塑性降低的原因,其一是因为在650℃以上氧向钛中扩散,形成一层坚硬的氧化膜;其二是在700℃以上氮和钛将发生剧烈作用,形成TiN;并且氮与钛形成间隙固溶体所引起的原子点阵畸变,比同量的氧所引起的原子点阵畸变更为严重。
  氢属于间隙式β稳定元素,在β相中有较大的溶解度(约2%),但在α相中溶解度却很低(0.001%~0.002%),多余的氢以TiH2化合物(r相)形式存在,并呈片状。TiH2本身强度很低,在金属中起着类似裂纹的作用。
  碳对纯钛塑性和变形抗力也有相当大的影响,但比氧、氮的影响小。原因在于,碳原子分布在钛晶格的间隙中,能达到某种程度的有序化,并没有强烈地阻止金属沿一定结晶学方向的滑移。

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