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先进金属结构材料 —— 钛及钛合金 Titanium and Titanium Alloy 主要内容 第四部分 商业纯钛与α钛合金 第三部分 制备工艺 第二部分 基本问题 第一部分 简介 第五部分 α+β钛合金 第六部分 高温钛合金 第七部分 β钛合金 第一部分 简介 1791年，英国牧师业余矿物学家William Gregory发现了一种新元素: 他分析了英格兰Cornwall地区Menachan山谷Helford河中的磁性矿砂，并分离出了“黑色矿砂”，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，得到了一种不太纯的新元素的氧化物—TiO2。 1795年，德国柏林化学家Martin Heinrich Klaproth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，并根据希腊神话中Uranos和Gaia的孩子们的名字——Titans为其重新命名。 Titans 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，因此，他将该元素命名为Titanium。 简 介 一百多年以后，1910年纽约Troy区Rensselaer Polytechnic Institute 的Matthew Albert Hunter 通过加热放在钢弹容器中TiCl4和Na的混合物制取了金属钛。 最终卢森堡化学家Wilhelm justin Kroll 于1932年用TiCl4和Ca制取了大量的钛，他被称为钛工业之父。 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Ca取代Mg作为还原剂还原TiCl4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“Kroll工艺”。 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。1948年杜邦公司首先开始商业化生产金属钛。 简 介 钛在地壳中的含量为0.6%，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，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。 主要矿藏为钛铁矿（FeTiO3）和金红石矿（TiO2）。 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。 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：海绵钛生产规模60年代为60kt/a，70年代为1l0kt/a，80年代为130kt/a，到1992年已达140kt/a。 简 介 简 介 简 介 钛在航空上的应用：机身和航空发动机 现代航空发动机上钛的用量约占25％ 波音777所用发动机 简 介 钛的其它使用： 钢铁及其它金属的强化元素 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——生物材料 高档消费品，如高尔夫球头、球杆——奢侈消费品 …… 第二部分 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。 熔点高使得钛比铝的使用温度高了150℃左右。对氧气的高反应活性使得钛的最高适用温度在600℃左右，在此温度之上，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。 2.1 基本性质 基本问题 2.2 晶体结构 纯钛在822℃时有同素异形转变，从高温时的体心立方晶体结构（β相）变为低温时的密排六方结构（α相） 。 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。 基本问题 基本问题 2.2 晶体结构 六个(110)面是最密排面 四个111是密排方向 900℃时，纯β相钛的晶格常数a=0.332nm。 β相：纯钛大于822℃存在 α相：纯钛小于822℃存在 室温时晶格常数为： a=0.295nm，c=0.468nm，c/a=1.587＜1.633(密排六方结构理论值) 有三种密排面： 底面（0002） 棱面｛1010｝，三个 柱面｛1011｝，六个 三个坐标轴a1、a2、a3是密排方向〈1120〉 2.3 弹 性 α单晶钛的弹性模量E是γ的函数，γ是c轴与应力方向的夹角。 单晶的剪切模量G也有类似的现象。 多晶α钛的E随γ的变化没有这么显著。 基本问题 单晶无织构的α钛的E和G：随着温度的升高几乎是线性下降。 基本问题 β相的弹性模量在室温下无法测得，因为室温下β相不稳定。在β相稳定元素含量很高的两相钛合金中，例如含20%V的Ti-V合金，利用快速冷却，β相能够