钛合金及其应用讲述.ppt

张 弛 chizhang@mail.tsinghua.edu.cn 电话钛合金及其应用 引言：钛合金的发现和命名 1791年，英国矿物学家和化学家William Gregor首次发现了钛元素的存在。 四年以后，德国柏林化学家Martin Klaproth独立地分解出了氧化钛。希腊神话中Uranos和Gaia的孩子们Titan兄弟的故事赋予了Martin Klaproth灵感，将其命名为钛（Titanium, Ti) . Titan兄弟遭到他们父亲的极端憎恨，被监禁在地壳中，Martin Klaproth以此来形容提炼钛矿石的困难程度。后人花了一百多年的时间才分解出纯金属钛。 目前使用最广泛的Ti-6Al-4V合金，是在20世纪40年代晚期由美国开发出来的。现在，人们已经开发出了大量的钛合金，从而开辟了轻合金在许多工业领域中得以广泛应用的新局面。 目录 1 钛资源及钛产品的冶炼生产 2 工业纯钛 3 钛合金及合金化原理 4 钛合金的相变及热处理 5 钛合金的高温性能 6 钛及钛合金的加工和制品生产 7 粉末冶金钛及钛合金复合材料 8 钛及钛合金的腐蚀性能 9 钛合金的应用 1 钛资源及钛产品的冶炼生产 1.1 钛资源的分布及特点 金属元素钛在地壳里的分布广泛，其含量是地壳质量的4‰还要多一点，世界储量约34亿吨，在所有元素中含量居10位。 钛在自然界中主要以氧化物的形式存在，目前已发现含钛矿物有100多种，除金红石外，还有白钛矿、铁钛矿、钙钛矿等。 金红石含TiO2在95%以上，是提炼钛的重要矿物原料，但在地壳中储量较少。白钛矿含TiO2为70%～92%。钛铁矿、钙钛矿含TiO2一般为35% ～52%，但是其储量非常大，是生产金属钛和钛白粉的主要原料来源。 提取金属钛的主要原料含钛矿石，根据其形成的过程，主要分为岩矿和砂矿两大类： ■岩矿：原生矿，结构比较致密，储量较大，但多复合共生物，所以钛矿物的品味较低，提取难度较大。主要出现在北半球，如：中国，美国，加拿大，俄罗斯等国家。 ■砂矿：次生矿，结构比较疏松，由于多年的风化和水流的冲刷，矿物相对富集，品味较高。主要出现在南半球，如：澳大利亚，新西兰，肯尼亚，莫桑比亚，印度等国家。 需要特别指出的是，我国攀枝花-西昌地区蕴藏着极为丰富的钒钛磁铁矿，开发和合理利用它，对于发展我国的钛工业意义重大。 1.2 富钛料的生产 ■富钛料：是指铁钛矿等钛精矿（选矿后获得）经过富集处理后获得的含钛品位较高的物料，其TiO2含量一般大于85%（质量分数）。主要包括人造金红石和高钛渣。 ■背景：钛产品主要分为两类：海绵钛和钛白粉。随着金红石和高品味钛铁矿的大量开采和使用，其资源已逐渐枯竭，而社会对钛产品的需求量有增无减，这迫使人们去利用中、低品位含钛矿物。这些矿物TiO2含量低，含大量杂质，无法适应现行的海绵钛和钛白粉生产工艺，因此，生产中需要将含钛矿物作进一步富集处理，成为富钛料。 ■原理：钛铁矿成分复杂，理论分子式为FeTiO3，它实际上是FeO-TiO2组成的固溶体，属于一般的刚玉结构。在与某种试剂作用时，由于铁的氧化物比钛的氧化物更活泼，更容易与试剂反应而被去除，而钛的氧化物比较稳定，往往被富集在残渣中。 基于此，在生产富钛料的工艺中一般都需对钛铁矿进行预氧化处理，即利用氧气或空气预先将钛铁矿中的Fe2+氧化成Fe3+，这样有利于提高钛铁矿的还原性。（见下页，图1-1） Ⅰ以火法为主：多见于岩矿，比较成熟，包括电炉熔炼法、选择氯化法、等离子法等； Ⅱ以湿法为主：多见于砂矿，包括各种各样的酸、碱浸出法。 ■工艺 ①电炉熔炼法 Ⅰ特点：工艺成熟，简单，三废少，但能耗大。 Ⅱ主要工艺：以无烟煤或石油焦作还原剂，与钛铁矿粉经过混捏、造球，然后在矿热式电弧炉内1600～1800℃高温下进行还原熔炼。 Ⅲ产物：凝聚态的金属钛和钛渣（TiO2含量＜90%）。主要副产品为金属铁和电炉煤气。 ②酸浸法 Ⅰ特点：有效除杂，但三废量大，副流程复杂。 Ⅱ主要工艺：先对钛铁矿进行不同程度的还原，然后用酸作浸出剂，浸出钛铁矿中的还原产物，制取人造金红石。典型发法有石原法、Benilite法、Murso法。 Ⅲ产物：TiO2含量为90%～96% 的高品位人造金红石。 ③选择氯化法 Ⅰ特点：生产过程实现了氯气的再生利用，对废气也进行了再氧化，这样减轻了环境污染，并降低了成本。 Ⅱ主要工艺：利用钛铁矿中铁的氧化物更易于与氯气反应，通过条件的控制来实现铁与钛的分离制取TiCl4，以生产人造金红石。 Ⅲ产物：人造金红石 1.3 钛白粉的生产 ■钛白粉：化学式TiO2，晶型有锐钛型（A-TiO2）和金红石型（R-TiO2）两种工业