钛金属的主要物理性能.docx

1、钛金属的主要物理性能第2章21 钛的基本性质C18工 业 纯 钛 钛的矿物在自然界中分布很广，处于分散状态，主要形成矿物钛铁矿FeTiO3、金红石TiO2及钒钛铁矿等，约占地壳重的06，在金属世界里排行第7，含钛的矿物多达70多种，在海水中含量是1UgL，在海底结核中也含有大量的钛。钛的基本性质主要包括以下几个方面。211 物理性质 纯净的钛是银白色金属，具有银灰色光泽。钛属难熔金属，原子序数为22，。相对原子质量为4790，位于周期表B族。 钛有两种同素异构体，。Ti在882C以下稳定，为密排六方晶格(hcp)结构；pTi在882C与熔点1678C之间稳定存在，具有体心立方晶格(bbc)结构

2、。在882C发生。一p转变。Ti的点阵常数(20C)为a02950nm，04683nm，o/=1.587；pTi的点阵常数为o=0.3282nm(20)或o=0.3306nm(900C)。 钛的密度为451gcm3，只相当于钢的57，属轻金属。钛的熔点较高，导电性差，热导率和线膨胀系数均较低，钛的热导率只有铁的14，是铜的17。钛无磁性，在很强的磁场下也不会磁化，用钛制人造骨和关节植入人体内不会受雷雨天气的影响。当温度低于0.49K时，钛呈现超导电性，经合金化后，超导温度可提高到910K，钛的基本物理性能数据列于表21。 名 称 数 值 相对原子质量 479 原子半径nm 0145 eTi-T

3、i相变潜热(kJmo1) 347 比密度续表21，2 力学性能 室温下纯钛的晶体结构为密排六方结构，其点阵长短轴比caGl633，室温变形时主要以1010柱面滑移为主，并常诱发孪生9；钛同时兼有钢(强度高)和铝(质地轻)的优点。高纯钛具有良好的塑性，但杂质含量超过一定时，变得硬而脆Ilo。 工业纯钛在冷变形过程中，没有明显的屈服点，其屈服强度与强度极限接近，在冷变形加工过程中有产生裂纹的倾向，工业纯钛具有极高的冷加工硬化效应，因此可利用冷加工变形工艺进行强化。当变形度大于2030时，强度增加速度减慢，塑性几乎不降低。； 钛的屈服强度与抗拉强度接近，屈强比(do2db)较高，而且钛的弹性模量小，

4、约为铁的54，成形加工时回弹量大，冷成形困难。有时利用这一特性，将钛合金作为弹性材料使用1112，但是，高弹钛合金多属。+p(或近a)合金，具有六方晶系结构，其物理性能呈强的各向异性，如弹性模量绕c轴呈对称分布，c轴方向弹性模量为14313GPa，底面各取向的弹性模量为10414GPa，因此需要仔细考虑合金板材的各向异性、弹性模量以及合金织构与弹性各向异性之间的关系，通过合金化与工艺的调整，有目的地控制织构与弹性各向异性以满足设计和使用要求。图21所示为钛单晶弹性模量取向分布13。 图21 钛单晶弹性模量取向分布(单位：GPa)工业纯钛与高纯钛(999)相比强度明显提高，而塑性显著降低，二者的

5、力学性能数据列于表22。 衰2-2 纯钛的力学性能 性 能 高纯钛 工业纯钛 性 能 高纯钛 工业纯钛 抗拉强度oMPa 250 300600 正弹性模量EMPa 108X10 3 112X10 3 屈服强度fo2MPa 190 250500 切变弹性模量GMPa 40X10 3 41X10 3 伸长率a 40 2030 泊松比f 034 032 断面收缩率 60 45 冲击韧性ohMJm2 25 0515 体弹性模量KMPa 126X109 104X103 钛的另一特点是在高温能保持比较高的比强度。作为难熔金属，钛熔点高，随着温度的升高，其强度逐渐下降，但是，其高的比强度可保持到550600

6、。同时，在低温下，钛仍具有良好的力学性能：强度高，保持良好的塑性和韧性。曾经对工业纯钛在一196下进行拉伸和低周循环疲劳实验L1，结果表明，变形后的强度较之室温拉伸变形有了明显提高，同时塑性也有明显增加。但其循环变形具有明显的循环硬化特性并伴随有大量的孪晶生成，从而显示出低温循环疲劳在微观结构演化上可能与室温的情况不同1s，室温循环疲劳中位错的行为起了关键性的影响“。表23列出了工业纯钛的低温力学性能。表2-3 工业纯钛的低温力学性能 温度 fbMPa Oo2MPa f 矽 20 520 400 24 59 196 990 750 44 68 253 1280 900 29 64 269 12

7、10 870 35 58 213 化学性能 工业上大量应用的工业纯钛纯度约为995，钛在淡水和海水中有极高的抗蚀性，在海水中的抗蚀性比铝合金、不锈钢和镍基合金都好。钛与氧形成高化学稳定性的致密的氧化物保护膜，因而在低温和高温气体中具有极高的抗蚀性。在室温条件下，钛不与氯气、稀硫酸、稀盐酸、硝酸和铬酸作用，在碱溶液和大多数的有机酸和化合物中抗蚀性也很高，但能被氢氟酸、磷酸、熔融辕侵蚀。 钛是一种非常活泼的金属，其平衡电位很低，在介质中的热力学腐蚀倾向大。但实际上钛在许多介质中很稳定。如钛在氧化性、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的，这是因为钛和氧的亲和力大，在空气中或含氧介质中，钛表面生成一层致密

8、、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀，即使受到机械磨损，也会很快自愈或再生，这表明钛是具有强烈钝化倾向的金属，介质温度在315以下，钛的氧化膜始终保持这一特性，完全满足钛在一般环境中的耐蚀性。钛最突出的性能是对海水的抗腐蚀性很强。 工业纯钛的耐蚀性与高纯钛相似，但低温性能则差得多。张树霞c1，等通过实验发现，工业纯钛在稀盐酸溶液中存在一个腐蚀临界浓度(074)，当盐酸浓度低于该值时，在任何情况下钛都不会发生腐蚀，同时工业纯钛还在一定浓度的盐酸中有一个临界腐蚀温度，当溶液温度高于此临界温度，钛表面的保护膜很快就被破坏，而低于此临界温度时，钛处于钝化状态。图22所示为工业纯钛在稀盐酸中

9、腐蚀临界温度和盐酸浓度之间的关系。 50 000 040 080 120 160 200 240 盐酸浓度工业纯钛在稀盐酸中腐蚀临界温度和盐酸浓度之间的关系22 杂质元素对钛性能的影响 杂质对工业纯钛的性能影响很大，杂质含量高则强度提高，塑性急剧降低，生产上常以硬度作为测定工业纯钛的纯度标准13)，钛的纯度与硬度的关系见表24。 钛是一种化学性质非常活泼的金属，原子价是可变的。在较高的温度下，衰2-4 钛的纯度与硬度的关系 纯度 9995 998 996 995 994 _ 硬度(HV) 90 145 165 195 225 钛金属的主要物理性能名 称单 位数 据名 称单 位数 据原子序数22

10、比 热卡/克.度0.138原子量47.9热膨胀系数10-6/(0-100)8.2克原子体积厘米3/克原子10.7弹性模量 拉伸压缩剪切公斤/毫米210850密度 20克/厘米34.505公斤/毫米210340熔点16684公斤/毫米210550沸点3535公斤/毫米24500熔化潜热千卡/克分子5导热系数卡/厘米.秒.0.036汽化潜热千卡/克分子112.50.3%电阻系数10-6欧母.厘米47.8同素异晶转变温度882转变时体积的变化%5.5转变时熵的变化0.587磁化率10-6厘米3/克3.2转变潜热千卡/克分子67810%泊桑比0.41钛的性质原子结构 钛位于元素周期表中B族，原子序数为

11、22，原子核由22个质子和20-32个中子组成，核外电子 结构排列为1S22S22P63S23D24S2。原子核半径5x10-13厘米。 物理性质 钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米（20），熔点16684，熔化潜热3.7-5.0千卡/克 原子，沸点326020，汽化潜热102.5-112.5千卡/克原子，临界温度4350，临界压力 1130大气压。 钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢，钛具有超导性，纯钛的超导临界温度为 0.38-0.4K。在25时，钛的热容为0.126卡/克原子度，热焓1149卡/克原子，熵为7.33卡 /克原子度，金属钛是顺磁性物质，导磁率为1.000

12、04。 钛具有可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60%，断面收缩率可达70-80%，但强度低，不宜作结 构材料。钛中杂质的存在，对其机械性能影响极大，特别是间隙杂质（氧、氮、碳）可大大提 高钛的强度，显著降低其塑性。钛作为结构材料所具有的良好机械性能，就是通过严格控制其 中适当的杂质含量和添加合金元素而达到的。 化学性质 钛在较高的温度下，可与许多元素和化合物发生反应。各种元素，按其与钛发生不同反应可 分为四类： 第一类：卤素和氧族元素与钛生成共价键与离子键化合物； 第二类：过渡元素、氢、铍、硼族、碳族和氮族元素与钛生成金属间化物和有限固溶体； 第三类：锆、铪、钒族、铬族、钪元素与钛生成无限固溶

13、体； 第四类：惰性气体、碱金属、碱土金属、稀土元素（除钪外），锕、钍等不与钛发生反应或基 本上不发生反应。 * 与化合物的反应： HF和氟化物 氟化氢气体在加热时与钛发生反应生成TiF4， 反应式为（1）；不含水的氟化氢液体可在钛 表面上生成一层致密的四氟化钛膜，可防止HF浸入钛的内部。氢氟酸是钛的最强熔剂。即使 是浓度为1%的氢氟酸，也能与钛发生激烈反应，见式（2）；无水的氟化物及其水溶液在低温 下不与钛发生反应，仅在高温下熔融的氟化物与钛发生显著反应。 Ti4HFTiF42H2135.0千卡 （1）2Ti6HF2TiF43H2 （2） HCl和氯化物 氯化氢气体能腐蚀金属钛，干燥的氯化氢在

14、300时与钛反应生成TiCl4，见 式(3);浓度 5%的盐酸 在室温下不与钛反应，20%的盐酸在常温下与钛发生瓜在生成紫色的TiCl3，见式 (4);当温度长高时，即使稀盐酸也会腐蚀钛。各种无水的氯化物，如镁、锰、铁、镍、铜、 锌、汞、锡、钙、钠、钡和NH4离子及其水溶液，都不与钛发生反应，钛在这些氯化物中具有 很好的稳定性。 Ti4HClTiCl42H294.75千卡 (3)2Ti6HClTiCl33H2 (4) 硫酸和硫化氢 钛与5% 的硫酸与钛有明显的反应，在常温下，约40%的硫酸对钛的腐蚀速度最快，当浓度大于40%，达 到60%时腐蚀速度反而变慢，80%又达到最快。加热的稀酸或50%

15、的浓硫酸可与钛反应生成硫酸 钛，见式（5）,（6），加热的浓硫酸可被钛还原，生成SO2，见式（7）。常温下钛与硫化氢 反应，在其表面生成一层保护膜，可阻止硫化氢与钛的进一步反应。但在高温下，硫化氢与钛 反应析出氢，见式（8），粉末钛在600开始与硫化氢反应生成钛的硫化物，在900时反应产物主要为TiS，1200时为Ti2S3。 TiH2SO4TiSO4H2 (5) 2Ti3H2SO4Ti2(SO4)3H2 (6) 2Ti6H2SO4Ti2(SO4)33SO26H2O202千卡 (7)TiH2STiSH270千卡 (8) 硝酸和王水 致密的表面光滑的钛对硝酸具有很好的稳定性，这是由于硝酸能快速在

16、钛表面生成一层牢固的 氧化膜，但是表面粗糙，特别是海绵钛或粉末钛，可与次、热稀硝酸发生反应，见式（9）、 （10），高于70的浓硝酸也可与钛发生反应，见式（11）；常温下，钛不与王水反应。温度 高时，钛可与王水反应生成TiCl2。 3Ti4HNO34H2O3H4TiO44NO (9)3Ti4HNO3H2O3H2TiO34NO (10) Ti8HNO3Ti(NO3)44NO24H2O (11) 综上所述，钛的性质与温度及其存在形态、纯度有着极其密切的关系。致密的金属钛在自然界 中是相当稳定的，但是，粉末钛在空气中可引起自燃。钛中杂质的存在，显著的影响钛的物理、 化学性能、机械性能和耐腐蚀性能。特

17、别是一些间隙杂质，它们可以使钛晶格发生畸变，而影 响钛的的各种性能。常温下钛的化学活性很小，能与氢氟酸等少数几种物质发生反应，但温 度增加时钛的活性迅速增加，特别是在高温下钛可与许多物质发生剧烈反应。钛的冶炼过程一 般都在800以上的高温下进行，因此必须在真空中或在惰性气氛保护下操作。中 国美 国俄 罗 斯TAD碘化钛Grade11号纯钛BT1-00工业纯钛TA1工业纯钛Grade22号纯钛BT1-0工业纯钛TA2工业纯钛Grade33号纯钛0T4-0Ti-0.8A1-0.7SnTA3工业纯钛Grade44号纯钛0T4-1Ti-2a1-1.5MNTA4Ti-3AlGrade5Ti-6a1-4v

18、0T4Ti-3A1-1.5MnTA5Ti-4Al-0.005BGrade6Ti-5A1-2.5VBT5Ti-5A1TA6Ti-5AlGrade7Ti-0.2pdBT5-1Ti-5A1-2.5SnTA7Ti-5Al-2.5SnGrade9Ti-3A1-2.5vBT6Ti-6A1-4vTA8Ti-5Al-2.5Sn-3Cu-1.5ZrGrade10Ti-11.5Mo-4.5Sn-6ZrBT6cTi-6A1-4v TC1Ti-2A1-1.5MnGrade11Ti-0.2pdBT3-1Ti-6A1-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3SiTC2Ti-3A1-1.5MnGrade12Ti-0.3M

19、o-0.75NiBT9Ti-6.5A1-3.Mo-0.3SiTC3Ti-4A1-4vA-1Ti-5A1-2.5SnBT/4Ti-5A1-3Mo-0.3SiTC4Ti-6A1-4vA-3Ti-6A1-2Nb-1TaBT16Ti-8A1-5Mo-5VTC6Ti-6A1-1.5Cr-2.5Mo-0.5Fe-0.3SiA-4Ti-8A1-1Mo-1VBT18Ti-8a1-0.6Mo-11Zr-1nBTC7Ti-6A1-0.6Cr-0.4Fe-0.4Si-0.01BAB-1Ti-6a1-4vBT19Ti-6A1-5.5Mo-3.5-5.5Cr-1ZrTC9Ti-6A1-3.5Mo-2.5Sn-0.3Si

20、AB-3Ti-6A1-6V-2SnBT20Ti-6A1-1.5Mo-1.5VTC10Ti-6A1-6V-2Sn-0.5CXu-0.5FeAB-4Ti-6A1-2Sn-4Zr-2MoBT22Ti-5.5A1-5V-5Mo-1.5Cr-1.0oFeTC11Ti-6A1-3.5Mo-1.5Zr-0.3SiAB-5Ti-3A1-2.5VBT-3BTi-4A1-2V钛合金的具体分类 按照合金在平衡和亚稳定状态的相组成，钛合金可分为、近、+、近、等五类；但习惯上将钛合金分为、+和三大类。钛合金分类如图所示。若按照使用性能特点，则可分为结构钛合金、耐热（热强）钛合金和抗钛合金等类。我国钛合金国标牌号中，TA

21、系列代表型钛合金；TB系列代表型钛合金；TC系列代表+型钛合金。 中国钛合金的牌号及其名义成分牌号名义成分合金类型工作温度（C）TA7Ti-5A-2.5Sn500TC1Ti-2Al-1.5Mn近350TC3Ti-5Al-4V+400TC4Ti-6Al-4V+400TC6Ti-6 Al-2.5 Mo-1.5 Cr-0.5 Fe-0.3Si+450TC11Ti-6.5 Al-3.5 Mo-1.5 Zr-0.3Si +500TB2Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al300Ti-22Ti-10Mo-8V-1Fe-3.5Al30047121Ti-7Mo-10V-2Fe-1Zr-4Al300ZTC4Ti-6

22、Al-4V+350ZT3Ti-5Al-5Mo-2Sn-0.3Si-0.02Ce+500 世界各国钛合金的特性及应用合金牌号特性及应用Ti-5Al-2.5Sn锻造时抗裂纹的能力较好，成型性尚可，焊接性良好，热处理不能强化。用于传动齿轮箱外壳，喷气发动机外壳装置及导向叶片罩，管道结构等Ti-8Al-1Mo-1V成型性及锻造时抗裂纹的能力尚可，焊接性好，但不可热处理强化。用地制作喷气发动机叶片，叶轮和外壳，陀螺仪万向导向叶片罩，喷管装置的内蒙皮和框架等Ti-6Al-4V属于热处理强化的钛合金，它具有较好的焊接性薄板成型性和锻造性能。用于制造喷气发动机压缩机叶片，叶轮等。其他如起落架轮和结构件，紧固件

23、，支架，飞机附件，框架、桁条结构、管道，应用非常广泛Ti-6Al-6V-2Sn属于可热处理强化的钛合金，锻造时抗裂纹的能力好，但焊接性差，用于制造紧固件，入风口控制导向装置，试验结构件Ti-13V-11Cr-3Al属于可热处理强化的钛合金，成型性良好，锻造时有一定抗裂纹能力，焊接性尚可，用作结构锻件，板状桁条结构，蒙皮，框架、支架、飞机附件，紧固件Ti-2.25Al-11Sn-5Zr-1Mo-0.2Si属于可热处理强化的钛合金，锻造时抗裂纹的能力好，用于制造喷气发动机叶片，叶轮，起落架滚轮，飞机骨架、紧固件等Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo成型性焊接性好，锻造时有良好的抗裂纹能力，但不热处

24、理强化。用于制造压缩机叶片，叶轮，起落架滚轮，隔圈压气机箱组合件，飞机骨架，蒙皮构件等Ti-4Al-3Mo-1V属于可热处理强化的钛合金，锻造性、成型性好。用于制造飞机骨架构件IMI125IMI130IMI160工业纯钛，抗蚀性优异，比强度较高，疲劳极限较好，锻造性好，可用普通方法锻造、成形和焊接。可制成板、棒、丝材。应用于航空、医疗、化工等方面，如排气管，防火墙、受热蒙皮以及要求塑性好、能抗蚀的零件IMI317属于型钛合金，可焊接，在315593C具有良好的抗氧化性、强度和高温稳定性，可制造锻件及板材零件，如航空发动机压气机叶片、壳体、支架IMI315属于+型钛合金，可热处理强化，用于航空发

25、动机压气机盘和叶片、导弹部件等IMI318+型合金，锻造性及综合性能良好，是各国普遍使用的钛合金，用于航空发动机压气机盘和叶片等部件IMI550+型钛合金，易锻造，室温强度好，蠕变抗力较高（400C以下），持久强度高，广泛用于制造发动机及机翼滑轨，动力控制装置外壳等。IMI551属于+型钛合金高强度钛合金，它具有强度高、蠕变极限高（400C以下），锻造性良好等特性，用于制造飞机构件如起落架、安装座、燃气涡轮部件，亦可用于一般工程和化工、汽轮机叶片，压气机零件及其他高速旋转的部件IMI685是一种属于+型钛合金，在室温及中温的比强度高，在高温（520C）抗蠕变性能良好，高温稳定性好，可焊接，容易加工，其使用温度较高。用于制作航空发动机零部件IMI684属于+型钛合金，可焊接、抗蠕变性能（535C以下）好，热稳定性优良。该合金与IMI685性能相近，用途相同。用于制作高压压气机盘及叶片等IMI679是一种复杂的型钛合金，在450500C具有较好的强度、高的蠕变极限以及高温稳定性和良好的抗氧化性，它的缸口疲劳强度高。用于制造航空发动机压气机盘、叶片，飞机骨架等IMI230型钛合金，中等强度，塑性好，可焊接，能时效强化，易成形，合金在退火