钛及钛合金ppt7.73MB.ppt

第3.3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 1 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。 Titans Rutile (TiO2) Ilmenite (FeTiO3) 2 年 量 /吨 1791年：英国化学家格雷戈尔研究钛铁矿和金红石时发现。 1795年：德国化学家克拉普罗特在匈牙利的金红石时也发现。 所发现的钛是粉末状的二氧化钛，而不是金属钛。 1910年：美国化学家亨特首次制得纯度达99.9%金属钛。 1947年：开始冶炼，当年产量仅2吨 全世界: 50000 1955年 1975年 2万吨 7万吨 2006年 14万吨 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 3 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 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 F-16 A/B C/D E/F YF-17 F/A-18 F/A-18 F/A-18 F/A-22 F-35 B-1 B-2 X-45A X-45B 50 90 复合 材料 钛合金 3 2 8 7 99.55 12 10 13 23 15 24 41 36 27 29 21 38 26 铝合金 钢 83 5 73 10 50 15 50 16 29 14 15 5 41 9 19 6 马赫数M5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%。 4 （% 民用飞机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 B707 B727 B737 B747 B747SP B757 B767 B777 B787 钛合金 0.2 1 2.2 2.5 4 6 2 7 15 复合 材料 1 3 3 11 50 机型 钛合金 复合材料 空客民机机体上钛合金和复合材料的 用量（%） 第三代客机 第四代客机 研制中客机 A320 A340 A380 4.5 6 10 5.5 8 22 5 6 航空发动机的各种材料用量的变化趋势： 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。 7 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。 8 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。 9 10 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。 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。 11 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