钛合金

TOT一笑而过

　　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。
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　　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。
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% f9 Y( ~3 k4 D/ S7 e9 j6 L: Z　　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。

) H$ H4 v% @; r　　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。
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% {3 B. {' [* A, i- f  {. B　　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。
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4 r2 a7 p; C& h% h& A, ]　　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。

6 w. c! k% e! b8 l　　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。
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　　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。
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( ^% ]# Y; }* G* c1 b# l( P2 b　　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。
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: w% d' s5 v( @, K　　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。

2 L1 j! U6 [8 W' a, b　　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。

- Q+ }: v8 c- p2 b, l7 q: j3 @　　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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