1、先进金属结构材料先进金属结构材料 钛及钛合金钛及钛合金主要内容主要内容第四部分第四部分 商业纯钛与商业纯钛与钛合金钛合金第三部分第三部分 制备工艺制备工艺 第二部分第二部分 基本问题基本问题 第一部分第一部分 简介简介第五部分第五部分 +钛合金钛合金第六部分第六部分 高温钛合金高温钛合金第七部分第七部分 钛合金钛合金第一部分第一部分 简介简介u1791年，英国牧师业余矿物学家年，英国牧师业余矿物学家William Gregory发现了一发现了一种新元素种新元素:他分析了英格兰他分析了英格兰Cornwall地区地区Menachan山谷山谷Helford河中河中的磁性矿砂，并分离出了的磁性矿砂，并
2、分离出了“黑色矿砂黑色矿砂”，即现在的钛铁，即现在的钛铁矿。他利用磁铁除去其中的铁，再用盐酸处理剩余物，矿。他利用磁铁除去其中的铁，再用盐酸处理剩余物，得到了一种不太纯的新元素的氧化物得到了一种不太纯的新元素的氧化物TiO2。u1795年，德国柏林化学家年，德国柏林化学家Martin Heinrich Klaproth独立地独立地从匈牙利产的矿石（即现在的金红石）中分解出了氧化钛，从匈牙利产的矿石（即现在的金红石）中分解出了氧化钛，并根据希腊神话中并根据希腊神话中Uranos和和Gaia的孩子们的名字的孩子们的名字Titans为其重新命名。为其重新命名。 Titans 当时曾遭到父亲的极端憎恨
3、，被监禁当时曾遭到父亲的极端憎恨，被监禁在地壳中，其情形与从矿石中难以提炼出来这种新元素类似，在地壳中，其情形与从矿石中难以提炼出来这种新元素类似，因此，他将该元素命名为因此，他将该元素命名为Titanium。简简 介介u一百多年以后，一百多年以后，1910年纽约年纽约Troy区区Rensselaer Polytechnic Institute 的的Matthew Albert Hunter 通过加热放在钢弹容器中通过加热放在钢弹容器中TiCl4和和Na的混合物制取了金属钛。的混合物制取了金属钛。u最终卢森堡化学家最终卢森堡化学家Wilhelm justin Kroll 于于1932年用年用T
4、iCl4和和Ca制取了大量的钛，他被称为钛工业之父。制取了大量的钛，他被称为钛工业之父。u第二次世界大战初期，他到美国避难并在美国矿务局证明了第二次世界大战初期，他到美国避难并在美国矿务局证明了用用Ca取代取代Mg作为还原剂还原作为还原剂还原TiCl4可以商业化地提炼钛。直至可以商业化地提炼钛。直至今日，该方法仍然是应用最广泛的工艺，被称为今日，该方法仍然是应用最广泛的工艺，被称为“Kroll工工艺艺”。u第二次世界大战后，钛基合金很快称为航空发动机的关键材第二次世界大战后，钛基合金很快称为航空发动机的关键材料。料。1948年杜邦公司首先开始商业化生产金属钛。年杜邦公司首先开始商业化生产金属钛
5、。简简 介介u钛在地壳中的含量为钛在地壳中的含量为0.6%，是仅次于铝、铁、镁排在第四位，是仅次于铝、铁、镁排在第四位的金属元素。遗憾的是，人们极少在地壳中发现高含钛量的矿石，的金属元素。遗憾的是，人们极少在地壳中发现高含钛量的矿石，且从未发现过纯钛。由于制取金属纯钛的难度很大，所以钛的价且从未发现过纯钛。由于制取金属纯钛的难度很大，所以钛的价格很高。格很高。u主要矿藏为钛铁矿（主要矿藏为钛铁矿（FeTiO3）和金红石矿（）和金红石矿（TiO2）。）。u金属钛生产从金属钛生产从1948年至今才有半个世纪的历史，它是伴随着航年至今才有半个世纪的历史，它是伴随着航空和航天工业而发展起来的新兴工业。
6、它的发展经受了数次大起空和航天工业而发展起来的新兴工业。它的发展经受了数次大起大落，这是因为钛与飞机制造业有关的缘故。大落，这是因为钛与飞机制造业有关的缘故。u但总的说来，钛发展的速度是很快的，它超过了任何一种其他但总的说来，钛发展的速度是很快的，它超过了任何一种其他有色金属的发展速度。这从全世界海绵钛工业发展情况可以看出：有色金属的发展速度。这从全世界海绵钛工业发展情况可以看出：海绵钛生产规模海绵钛生产规模60年代为年代为60kt/a，70年代为年代为1l0kt/a，80年代为年代为130kt/a，到，到1992年已达年已达140kt/a。简简 介介简简 介介简简 介介钛在航空上的应用：钛在
7、航空上的应用：机身和航空发动机机身和航空发动机现代航空发动机上钛的用量约占现代航空发动机上钛的用量约占25波音777所用发动机简简 介介钛的其它使用：钛的其它使用：u钢铁及其它金属的强化元素钢铁及其它金属的强化元素u因具有极好的耐腐蚀性能用作身体器官的代替品，因具有极好的耐腐蚀性能用作身体器官的代替品，如人工关节如人工关节生物材料生物材料u高档消费品，如高尔夫球头、球杆高档消费品，如高尔夫球头、球杆奢侈消费品奢侈消费品u第二部分第二部分 基本问题基本问题基本问题与氧气的反应活性高也使得钛在暴露于空气中时表面与氧气的反应活性高也使得钛在暴露于空气中时表面会形成一层稳定的氧化层，这就使得钛在恶劣环
8、境下会形成一层稳定的氧化层，这就使得钛在恶劣环境下的腐蚀抗性很高，尤其是在酸溶液中。的腐蚀抗性很高，尤其是在酸溶液中。熔点高使得钛比铝的使用温度高了熔点高使得钛比铝的使用温度高了150左右。对氧气左右。对氧气的高反应活性使得钛的最高适用温度在的高反应活性使得钛的最高适用温度在600左右，在左右，在此温度之上，氧在氧化层中的扩散变快，导致氧化层此温度之上，氧在氧化层中的扩散变快，导致氧化层过度增厚，并且与钛合金连接处的氧化层变脆。过度增厚，并且与钛合金连接处的氧化层变脆。2.1 基本性质基本性质基本问题2.2 晶体结构晶体结构u纯钛在纯钛在822822时有同素异形转变，从高温时的体心立时有同素异
9、形转变，从高温时的体心立方晶体结构（方晶体结构（相）变为低温时的密排六方结构相）变为低温时的密排六方结构（相）相） 。u实际转变温度受间隙和置换元素的影响，因此转变实际转变温度受间隙和置换元素的影响，因此转变温度受合金化程度的影响很大。温度受合金化程度的影响很大。基本问题基本问题基本问题基本问题2.2 晶体结构晶体结构u六个六个(110)面是最密排面面是最密排面u四个四个是密排方向是密排方向u900时，纯时，纯相钛的晶相钛的晶格常数格常数a=0.332nm。相：纯钛大于相：纯钛大于822存在存在相：纯钛小于相：纯钛小于822存在存在u室 温 时 晶 格 常 数 为 ：室 温 时 晶 格 常 数
10、 为 ： a=0.295nm，c=0.468nm，c/a=1.5871.633(密排六方结密排六方结构理论值构理论值)u有三种密排面：有三种密排面：l底面（底面（0002）l棱面棱面1010，三个，三个l柱面柱面1011，六个，六个u三个坐标轴三个坐标轴a1、a2、a3是密排是密排方向方向11202.3 弹弹 性性u单晶钛的弹性模量单晶钛的弹性模量E是是的函数，的函数，是是c轴与应力方向轴与应力方向的夹角。的夹角。u单晶的剪切模量单晶的剪切模量G也有类似的现象。也有类似的现象。u多晶多晶钛的钛的E随随的变化没有这么显著。的变化没有这么显著。基本问题基本问题单晶无织构的单晶无织构的钛的钛的E和和
11、G：随着温度的升高几乎是：随着温度的升高几乎是线性下降。线性下降。基本问题u相的弹性模量在室温下无法测得，因为室温下相的弹性模量在室温下无法测得，因为室温下相不稳定。在相不稳定。在相稳定元素含量很高的两相钛合金中，例如含相稳定元素含量很高的两相钛合金中，例如含20%V的的Ti-V合金，合金，利用快速冷却，利用快速冷却，相能够保持到室温。下图是水淬的相能够保持到室温。下图是水淬的Ti-V合金的合金的数据。数据。+uV含量在含量在20%50%之间时，之间时，相的相的E随随V含量的增加而增加。含量的增加而增加。这说明总体上这说明总体上相的模量比相的模量比相的低。相的低。uV含量在含量在15%左右时，
12、左右时，相的相的E的最大值是由于无热的最大值是由于无热相的形成。相的形成。uV含量在含量在0%10%之间时，之间时，相的相的E急剧降低，这是含有急剧降低，这是含有相稳相稳定元素的定元素的Ti的马氏体的典型现象。通常认为原因是，亚稳态的马氏体的典型现象。通常认为原因是，亚稳态的的相在施加载荷过程中转变为由应力导致的马氏体，这导致相在施加载荷过程中转变为由应力导致的马氏体，这导致了低的弹性模量。但是最近发现，了低的弹性模量。但是最近发现，Ti-7Mo合金的合金的E也只有很低也只有很低的的72GPa，但是这种合金是，但是这种合金是100%的马氏体，没有亚稳态的的马氏体，没有亚稳态的相，相，所以模量的
13、急剧减小的原因是所以模量的急剧减小的原因是相稳定元素严重的干扰并削弱相稳定元素严重的干扰并削弱了晶格的结合力。了晶格的结合力。u对于退火的对于退火的(+)两相区，两相区，E的最大值和最小值都没有，弹性的最大值和最小值都没有，弹性模量在模量在(+)两相区边界之间，是沿着两平衡相成分点间连线。两相区边界之间，是沿着两平衡相成分点间连线。（上图中的虚线）（上图中的虚线）u有趣的是，有些合金中的马氏体有亚稳态分解的倾向；相反，有趣的是，有些合金中的马氏体有亚稳态分解的倾向；相反，最常见的最常见的相稳定元素（相稳定元素（Al）增加）增加相的弹性模量。相的弹性模量。u总体来说，商业总体来说，商业钛合金与钛
14、合金与钛合金、钛合金、 钛合金钛合金相比，弹性模量相比，弹性模量E值是比较低的。值是比较低的。u对于商业对于商业钛合金，典型水淬条件下的钛合金，典型水淬条件下的E值是值是7090GPa，退火状态是，退火状态是100105GPa。u商用纯钛合金的商用纯钛合金的E值是值是105GPa。u商用商用钛合金的钛合金的E值是值是115GPa。弹性能弹性能基本问题基本问题2.4 变形机制变形机制u 密排六方密排六方钛具有良好的塑性，尤其在低温条件下，主要是由于除钛具有良好的塑性，尤其在低温条件下，主要是由于除了常规的了常规的位错滑移位错滑移外，外，孪晶变形孪晶变形模式也被激活。对于商业纯钛和一模式也被激活。
15、对于商业纯钛和一些些钛合金，这些孪晶变形模式是很重要的。钛合金，这些孪晶变形模式是很重要的。u 在双相在双相+钛合金中，由于具有钛合金中，由于具有小的相尺寸小的相尺寸、高的固溶度和、高的固溶度和Ti3Al沉沉淀相的析出，孪晶变形模式几乎完全被抑制，但合金在低温下仍有淀相的析出，孪晶变形模式几乎完全被抑制，但合金在低温下仍有很好的塑性，主要是由于它们的相尺寸很小。很好的塑性，主要是由于它们的相尺寸很小。u bcc结构的结构的相在滑移之外也存在挛晶，但是相在滑移之外也存在挛晶，但是相中出现孪晶仅限于相中出现孪晶仅限于单相状态，并随着固溶度的增加而减少。在完全热处理的单相状态，并随着固溶度的增加而减
16、少。在完全热处理的相合金相合金中，由于中，由于颗粒的析出，孪晶完全被抑制，在这些合金中。时效前颗粒的析出，孪晶完全被抑制，在这些合金中。时效前进行变形可能出现孪晶。一些商用进行变形可能出现孪晶。一些商用相合金也可能形成相合金也可能形成应变诱发马应变诱发马氏体氏体来提高它们的变形能力，这种应变诱发马氏体的出现对成分很来提高它们的变形能力，这种应变诱发马氏体的出现对成分很敏感。敏感。基本问题基本问题2.4.1 滑移机制滑移机制下图在六方晶胞中表示了下图在六方晶胞中表示了钛的滑移面和滑移方向。钛的滑移面和滑移方向。基本问题基本问题u主要的滑移方向是三个主要的滑移方向是三个。u包含伯氏矢量的滑移面有一
17、个包含伯氏矢量的滑移面有一个(0002)，三个，三个10 0，六个，六个10 1。u这些滑移方向和滑移面组合起来得到这些滑移方向和滑移面组合起来得到12个滑移系，其中个滑移系，其中4个独立的滑移系（下表）。个独立的滑移系（下表）。211基本问题基本问题2.4.2 变形孪生变形孪生 钛主要的孪生方式是钛主要的孪生方式是10 2，11 1和和11 2。三个孪生系统的晶体学元素如下表所示。三个孪生系统的晶体学元素如下表所示。122基本问题基本问题 在低温下，如果应力轴平行于c轴并且含有基面的伯氏矢量的位错无法开动，那么孪生机制对于塑性变形和延展性很重要。在这中情况下，10 2和11 1孪晶在拉伸变形中被激活，并引起沿c轴的延伸。最常见的孪晶是10 2，但它的孪晶剪切量最小（上表）。伴随着11 1孪晶的形状改变如下图所示。1122 在沿在沿c轴的压缩下，轴的压缩下，11 1孪晶被激活，造孪晶被激活，造成沿成沿c轴的收缩。如下图轴的收缩。如下图2钛中溶质原子（钛中溶质原子（O、Al等）含量越高，越等）含量越高，越难发生孪生。因此，作为能造成沿着难发生孪生。因此，作为能造成沿着c轴的轴的形状改变的变形方式，孪生只在氧含量低形状改变的变形方式，孪生只在氧含量低的纯钛或商业纯钛中才有重要的作用。的纯钛或商业纯钛中才有重要的作用。基本问题基本问题
