航天航空材料第3章钛及钛合金2

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1、第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。TitansRutile(TiO2)Ilmenite(FeTiO3)3.1概述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。191

2、0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:1955年1975年2006年2万吨7万吨14万吨美国军用飞机上各种材料用量占机体结构总量的百分比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机型F-16YF-17F/A-18A/BF/A-18C/DF/A-18E/FF/A-22F-35B-1B-2X-45AX-45B复合材料389.51023243629385090钛合金2712131541272126铝合金8373505029154119

3、钢510151614596马赫数M>5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%。波音民机机体上钛合金和复合材料的用量（%）民用飞机的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。机型钛合金复合材料第三代客机A3204.55.5第四代客机A34068研制中客机A3801022空客民机机体上钛合金和复合材料的用量（%）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

4、、金属基、陶瓷基复合材料和金属间化合物所取代。航空发动机的各种材料用量的变化趋势：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

5、，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。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

6、性，可以作储氢材料。化学性质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，可与白金相比，是海洋开发工程理想的材料。钛与生物体相容性好，无毒，适做生物工程材料。钛在还原性酸(浓硫酸、盐酸、正磷酸)、氢氟酸、氯气、热强碱、某些热浓有机酸及氧化铝溶液中不稳定，会发生强烈腐蚀。另外，钛合金有热盐

7、应力腐蚀倾向。550℃以下钛与氧形成保护作用良好的致密氧化膜。538℃以下，钛的氧化符合抛物线规律。但在800℃以上，氧化膜分解，氧原子以氧化膜为转换层进入金属晶格，此时氧化膜已失去保护作用，使钛很快氧化。耐蚀性能航空航天、海洋、化工、生物医学材料、运动器材钛的应用提取工艺：Kroll提取工艺熔化工艺：电渣精炼法ElectroslagRefining(ESR)真空电弧重熔法VacuumArcRemelting(VAR)电子束熔炼(EBM)等离子熔炼(PAM)感应凝壳熔炼法钛合金的生产通过下列步骤，钛矿石(主要

8、为金红石，TiO2)转变为海绵钛：⑴Cl2与矿石中的TiO2反应，形成TiCl4；⑵TiCl4经分级蒸馏而净化；⑶在Ar保护下，液态TiCl4与Mg或Na反应，获得海绵钛。钛的提取生产过程：钛铁矿或金红石→高纯度四氯化钛→镁还原四氯化钛→海绵钛→钛材和钛粉。海绵钛与合金元素混合后液压成块状；块状物焊接成熔化电极棒；电极棒经二次或三次真空熔炼得到优质钛或钛合金锭。真空电弧重熔法方坯作为电极，其一端位于