钛与合金元素的相互作用分解.docx

《无机精细化工工艺学》钛与合金与素的相互作用专业班级：化工1301班姓 名：杨 宇 龙 学 号：130803057 任课教师：董缘 薛娟琴 西安建筑科技大学2016年 10 月钛与合金与素的相互作用作者：杨宇龙 学号：130803057摘要：先进材料钛及钛合金的应用与前沿技术的发展一直是当前材料领域的热点研究课题之一。钛、钛合金及钛化合物的优良性能促使人类迫切需要它们。随着钛的冶炼技术不断改进和提高，钛、钛合金及钛的化合物的应用得了到更大的发展。本文介绍了钛合金的发展、特性、铸造工艺性能及其热处理，阐述了钛与合金与素的相互作用，分析其优势与局限性，并展望发展趋势。关键字：金属钛钛合金性质铸造加工性能热处理生产技术 应用性能合金化原理 相互作用钛及钛合金概述1、新型的结构材料钛及钛合金基本上是一类新型的结构材料，在当代的尖端科学技术工业领域中，如航空、宇航、海洋等中得到广泛的应用，主要原因：1）比强度高；2）耐腐蚀性；3）良好的低温性能。2、新型的功能材料它们具有某些特殊的物理、化学、生物特性：形状记忆合金，TiNi人造骨头；超导材料等。3、我国钛资源十分丰富，储量居世界首位，这是我国发展钛工业的优势。工业纯钛一、钛的基本性质1、物理性质1）两种同素异晶体：α-Ti;β-Tiα-Ti β-Ti2) T熔=1668℃3）ρ=7.8×57%=4.4g/cm3,较轻；4）导电、导热性均较低，线膨胀系数较低；5）无磁性，在很强的磁场下也不会磁化，因此植入人体内的钛制人造骨架不会受雷雨天气的影响。2、化学性质钛在室温下比较稳定，但在高温下却很活泼：在熔化状态下，能与绝大多数坩埚材料发生作用；高温下，与卤素、氧、硫、碳、氮等元素进行强烈的反应，而使钛受到污染。因此，钛要在真空或惰性气氛下熔炼。3、耐蚀性质1）在介质中，钛的标准电极电位很低： TiTi2++2e, E=-1.63v但钛的致钝电位亦低，故钛容易钝化2）不同温度下的耐蚀性：在常温下，金属表面极易形成由氧化物和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，有很好的抗蚀性。550℃以下，能与氧形成致密的氧化膜，具有良好的保护作用； 800℃以上，氧化膜会分解，氧原子会以氧化膜为转换层，进入金属晶格，此时氧化膜已失去保护作用。4、钛的机械性能和工艺性能1）纯钛机械性能：强度不太高，塑性好。虽是h.c.p结构，但不象Zn、Mg等，钛的滑移系较多：Ti:, 而Zn、Mg仅仅在 基面上。2）钛的T熔点比Fe与Ni高，但Ti的耐热性较差，主要是钛有较大的自扩散系数以及同素异晶转变；3）切削性能不好，导热性差，摩擦系数大。二、杂质元素对钛性能的影响1、主要杂质元素间隙型元素：O、N、H、C；置换（代位）型元素：Fe、Si。2、影响：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。据此，生产上可以根据钛的硬度来估计其纯度：引入氧当量O当=O%+2N%+0.67C%HV=65+310 O、N、C使钛的强度提高、塑性降低，主要原因是与钛形成固溶体后晶格发生畸变，阻碍了位错的运动； O、N、C提高α-Ti/β-Ti转变温度，使α稳定元素； H元素降低α/β转变温度，是β稳定元素H：1）在室温时氢引起各种氢脆（钉轧位错线、析出氢化物等）降低措施：原料控制纯度、真空冶炼、加热时采用中性或弱氧化性气氛、在惰性气氛焊接、酸洗时避免增氢措施、真空退火去氢；2）高温时有增塑作用：先用氢作为合金元素增塑，然后再扩散退火。 增塑的原因是氢降低形变激活能，即降低原子扩散迁移所必须克服的能垒。钛的合金化原理 纯钛塑性和韧性虽好，但强度低，加入适当合金元素可以明显改善组织和性能，以满足工程上不同性能的要求。一、钛与其他元素之间的作用 这些相互作用取决于它们的原子结构、晶体类型与原子尺寸等因素。1、与钛形成连续固溶体元素（合金化） 这类元素（10个），同族元素、近邻元素，性质相似、原子尺寸相差小于8%。其中Zr、Hf与Ti 同族，具有相同的晶体结构和同素异晶转变，因此，与α-Ti与β-Ti形成连续固溶体； V、Nb、Ta与Mo具有体心立方结构，即与β-Ti同晶，因此与β-Ti形成连续固溶体；而与α-Ti 形成有限固溶体。2、与钛形成有限固溶体元素（合金化） 由于原子外层电子结构、晶体类型和原子尺寸与钛都有较大差异，故只能与钛形成有限固溶体。代位固溶体：Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Al、Ga、Sn、Si间隙固溶体：B、C、O、N、H在钛中完全不溶解，而只形成共价键或离子键化合物; 生产Ti时用到的卤素，它们位于周期表的最右端：TiCl4、TiI4。4、与钛不发生作用：碱金属、碱土金属