钛合金知识资料Word文件下载.docx
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18．0
12．0
3．0
15
10．8
原大阪钛公司（生产中）
关闭
乌克兰
第聂伯镁钛联合企业
MD
15．O
俄罗斯
阿维斯玛镁钛联合企业
35．0
哈萨克斯坦
马斯季卡缅诺戈尔斯克镁钛联合企业
40．O
40．0
英 国
迪赛德钛公司
SL
5．0
3．0
1993年关闭
中 国
两个工厂
D
-
合 计
155．5
137．8
钛矿资源
钛在地球上储量十分丰富，在地壳中含钛矿物有140多种，但现具有开采价值的仅十余种。
已开采的钛矿物矿床可分为岩矿床和砂矿床两大类，岩矿床为火成岩矿，具有矿床集中、贮量大的特点，FeO（相对于Fe2O3）含量高，脉石含量多，结构致密，且多是共生矿，这类矿床的主要矿物有钛铁矿、钛磁铁矿等，矿石选矿分离较为困难，产出的钛精矿TiO2含量一般不超过50％。
砂钛矿床是次生矿床，由岩矿床经风化剥离再经水流冲刷富集而成，主要集中在海岸、河滩、稻田等地，矿物有金红石、砂状钛铁矿、板钛矿、白钛矿等，该矿物的特点是：
Fe2O3（相对于FeO）含量较高、结构疏松、杂质易分离，选出的大部分精矿含TiO2达５０％以上。
（见表１）。
表１ 世界各地钛铁矿精矿的化学组成（％）
国别及地区
矿床类型
TiO2
FeO
Fe2O3
SiO2
Al2O3
P2O5
佛吉尼亚（美）
岩矿
44.3
35.9
13.8
2.00
1.21
1.01
阿拉德（加）
34.30
27.50
25.20
4.30
3.50
0.015
挪威
43.90
36.00
11.10
3.28
0.85
0.03
乌拉尔（俄）
48.07
12.21
24.59
1.54
4.65
0.16
58.46
27.80
0.34
4.04
0.19
攀枝花（中国）
47.0
34.27
5.55
2.89
1.34
0.01
印度喀拉邦
砂矿
54.20
26.60
14.20
0.40
1.25
0.12
斯里兰卡
53.13
19.11
22.95
0.86
0.61
0.05
马来西亚
55.30
26.70
13.00
0.70
0.59
卡伯尔（澳）
54.57
25.15
16.34
0.53
0.10
0.13
巴西
61.90
1.90
30.20
1.60
0.25
新西兰
46.50
37.60
3.30
4.10
2.80
0.22
佛罗里达（美）
64.10
4.70
25.60
0.30
1.50
0.21
广西（中国）
50.94
28.61
16.68
2.27
1.07
0.071
云南（中国）
48.93
32.37
14.86
0.81
0.97
ZrO2
MgO
MnO
CaO
V2O5
Cr2O3
0.55
0.07
0.52
0.27
3.10
0.90
1.09
3.69
0.33
0.18
0.20
0.75
2.25
0.62
0.084
3.25
0.98
0.66
3.58
0.80
6.12
0.65
0.095
1.03
0.92
0.94
0.26
0.09
0.02
0.50
0.32
1.67
1.18
0.04
1.20
1.40
0.35
1.35
0.60
2.57
1.15
0.23
0.84
钛的原子结构
钛位于元素周期表中ⅣB族，原子序数为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5×
10-13厘米。
钛的物理性质
钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米（20℃），熔点1668±
4℃，熔化潜热3.7-5.0千卡/克原子，沸点3260±
20℃，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1.00004。
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。
钛的化学性质
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。
Ti＋4HF＝TiF4＋2H2＋135.0千卡
（1）2Ti＋6HF＝2TiF4＋3H2
（2）
◇HCl和氯化物
氯化氢气体能腐蚀金属钛，干燥的氯化氢在>
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。
Ti＋4HCl＝TiCl4＋2H2＋94.75千卡（3）2Ti＋6HCl＝TiCl3＋3H2（4）
◇硫酸和硫化氢
钛与<
5%的稀硫酸反应后在钛表面上生成保护性氧化膜，可保护钛不被稀酸继续腐蚀。
但>
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%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。
Ti＋H2SO4＝TiSO4＋H2（5）
2Ti＋3H2SO4＝Ti2（SO4）3＋H2（6）
2Ti＋6H2SO4＝Ti2（SO4）3＋3SO2＋6H2O＋202千卡（7）
Ti＋H2S＝TiS＋H2＋70千卡（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。
3Ti＋4HNO3＋4H2O＝3H4TiO4＋4NO（9）
3Ti＋4HNO3＋H2O＝3H2TiO3＋4NO（10）
Ti＋8HNO3＝Ti（NO3）4＋4NO2＋4H2O（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。
钛的腐蚀数据
介质
浓度（质量分数）（%）
温度/℃
腐蚀速度/mm/a（年）
耐蚀等级
无机酸
盐酸
1
室温/沸腾
0.000/0.345
优良/良好
5
0.000/6.530
优良/差
0.175/40.87
良好/差
20
室温/—
1.340/—
差/—
35
6.660/—
硫酸
0.000/13.01
0.230/—
良好/—
60
0.277/—
80
32.660/—
95
1.400/—
硝酸
37
室温/沸腾
0.000/<
0.127
优良/优良
64
0.0025/—
优良/—
磷酸
0.000/6.400
30
0.000/17.600
50
0.097/—
铬酸
<
0.127/<
硝酸+盐酸
1:
3
0.0040/0.127
3:
0.127/—
硝酸+硫酸
7:
4:
有机酸
醋酸
100
0.000/0.000
蚁酸
0.000/—
草酸
0.127/29.390
0.008/—
乳酸
0.000/0.033
25
—/沸腾
—/0.028
—/优良
甲酸
—/1.270
—/良好
—/100
—/2.440
—/差
—/7.620
丹柠酸
柠檬酸
硬脂酸
碱溶液
氢氧化钠
—/0.020
0.0025/0.0508
73
—/0.127
氢氧化钾
—/<
—/0.305
30/沸腾
0.000/2.743
氢氧化铵
28
碳酸钠
阿摩尼亚
0.0708/—
无机盐溶液
氯化铁
40
室温/95
0.000/0.002
氯化亚铁
氯化亚铅
0.127
氯化亚铜
氯化铵
0.000
氯化钙
氯化铝
氯化镁
氯化镍
5-10
氯化钡
硫酸铜
硫酸铵
20℃饱和
硫酸钠
硫酸亚铅
硫酸亚铜
硝酸银
11
有机化合物
苯（含微量HCl、NaCl）
蒸气与液体
0.005
优良
四氯化碳
同上
沸腾
四氯乙烯（稳定）
100%蒸气和液体
0.0005
四氯乙烯（H2O）
三氯甲烷
0.003
三氯甲烷（H2O）
良好
三氯乙烯
99%蒸气和液体
0.00254
三氯乙烯（稳定）
99
甲醛
甲醛（含2.5%H2SO4）
0.305
注：
1.耐蚀等级分为三级：
优良——耐蚀，腐蚀速度在0.127mm/a以下。
良好——中等耐蚀，腐蚀速度在0.127-1.27mm/a之间。
差——不耐蚀，腐蚀速度在1.27mm/a以上。
2．纯钛在大多数介质中，特别是在中性、氧化性介质和海水中有高的耐蚀性。
钛在海水中的耐蚀性比铝合金、不锈钢和镍合金还高，在工业、农业和海洋环境的大气中，虽然数年，表面也不变色。
氢氟酸、硫酸、盐酸、正磷酸以及某些热的浓有机酸对钛的腐蚀较大（见上表），其中氢氟酸不论浓度、温度高低，对钛都有很高的腐蚀作用。
钛对各种浓度的硝酸和铬酸的稳定性高，在碱溶液和大多数有机酸、无机盐溶液中的耐蚀性也很高。
3．钛不发生局部腐蚀和晶间腐蚀，腐蚀是均匀进行的。
4．钛合金的耐蚀性与工业纯钛相近，这一点是钛合金能在化工和造船工业获得广泛应用的原因。
钛的三大功能
功能材料是以物理性能为主的工程材料，即在电、磁、声、光、热等方面具有的特殊性质，或在其作用下表现出特殊功能的材料。
对钛和钛合金的研究已发现其有三种特殊功能有应用前途:
一、记忆功能
钛-镍合金在一定环境温度下具有单向、双向和全方位的记忆效应，被公认是最佳记忆合金。
在工程上做管接头用于战斗机的油压系统；
石油联合企业的输油管路系统；
直径0.5mm丝做成的直径500mm抛物网状天线用于宇航飞行器上；
在医学工程上用于制作鼾症治疗；
制成螺钉用于骨折愈合等。
上述应用均获得了明显效果。
二、超导功能
铌-钛合金在温度低于临界温度时，呈现出零电阻的超导功能。
三、贮氢功能
钛-铁合金具有吸氢的特性，把大量的氢安全的贮存起来，在一定的环境中又把氢释放出来。
这在氢气分离、氢气净化、氢气贮存及运输、制造以氢为能源的热泵和蓄电池等方面应用很有前途。
钛的十大性能
一、密度小,比强度高
金属钛的密度为4.51g/cm3,高于铝而低于钢、铜、镍，但比强度位于金属之首。
二、耐腐蚀性能
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。
这是因为钛和氧有很大的亲和力，在空气中或含氧的介质中，钛表面生成一层致密的、附着力强、惰性大的氧化膜，保护了钛基体不被腐蚀。
即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。
这表明了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。
为了提高钛的耐蚀性，研究出氧化、电镀、等离子喷涂、离子氮化、离子注入和激光处理等表面处理技术，对钛的氧化膜起到了增强保护性作用，获得了所希望的耐腐蚀效果。
针对在硫酸、盐酸、甲胺溶液、高温湿氯气和高温氯化物等生产中对金属材料的需要，开发出钛-钼、钛-钯、钛-钼-镍等一系列耐蚀钛合金。
钛铸件使用了钛-32钼合金，对常发生缝隙腐蚀或点蚀的环境使用了钛-0.3钼-0.8镍合金或钛设备的局部使用了钛-0.2钯合金,均获得了很好的使用效果。
三、耐热性能好
新型钛合金可在600℃或更高的温度下长期使用。
四、耐低温性能好
钛合金TA7（Ti-5Al-2.5Sn）,TC4（Ti-6Al-4V）和Ti-2.5Zr-1.5Mo等为代表的低温钛合金,其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大。
在-196～-253℃低温下保持较好的延性及韧性,避免了金属冷脆性,是低温容器,贮箱等设备的理想材料。
五、抗阻尼性能强
金属钛受到机械振动、电振动后，与钢、铜金属相比，其自身振动衰减时间最长。
利用钛的这一性能可作音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。
六、无磁性、无毒
钛是无磁性金属，在很大的磁场中也不会被磁化，无毒且与人体组织及血液有好的相溶性，所以被医疗界采用。
七、抗拉强度与其屈服强度接近
钛的这一性能说明了其屈强比（抗拉强度/屈服强度）高，表示了金属钛材料在成形时塑性变形差。
由于钛的屈服极限与弹性模量的比值大，使钛成型时的回弹能力大。
八、换热性能好
金属钛的导热系数虽然比碳钢和铜低，但由于钛优异的耐腐蚀性能，所以壁厚可以大大减薄，而且表面与蒸汽的换热方式为滴状冷凝，减少了热组，太表面不结垢也可减少热阻，使钛的换热性能显著提高。
九、弹性模量低
钛的弹性模量在常温时为106.4GMPa,为钢的57%。
十、吸气性能
钛是一种化学性质非常活泼的金属,在高温下可与许多元素和化合物发生反应。
钛吸气主要指高温下与碳、氢、氮、氧发生反应。
钛的存在
钛在地壳中的丰度为0.63%，居元素分布序列中的第十位，仅次于氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢，比常见的锌、铅、镍、铜的总和还要多16倍，但大部分处于分散状态。
主要的矿物有金红石（TiO2）和钛铁矿（FeTiO3）组成复杂的钒钛铁矿。
我国钛蕴藏量居全球之首，仅四川攀枝花地区的矾钛铁矿，储量约15亿吨，占全国已探明储量的97%。
钛的冶炼
钛在1791年被发现，而第一次制得纯净的钛却是在1910年，中间经历了一百余年。
原因在于：
钛在高温下性质十分活泼，很易和氧、氮、碳等元素化合，要提炼出纯钛需要十分苛刻的条件。
工业上常用硫酸分解钛铁矿的方法制取二氧化钛，再由二氧化钛制取金属钛。
浓硫酸处理磨碎的钛铁矿（精矿），发生下面的化学反应：
FeTiO3+3H2SO4==Ti（SO4）2+FeSO4+3H2O
FeTiO3+2H2SO4==TiOSO4+FeSO4+2H2O
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