2.3 钛及钛合金3

浙江工贸职业技术学院2.3钛及钛合金主讲：曹明浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院本节要目1、钛材的存在及应用2、纯钛性能3、钛合金4、NT形状记忆合金5、钛架选择浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院1、钛(Titanium)的存在•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%。•目前为止，世界上仅有美、俄、日、中等四国掌握完整的工业化生产技术。•钛的产量还很低，仅约6万吨，尚不及铜产量的0.5%，钛加工材的供应量以日、美为主，合计占世界钛加工材的70%，第三位是俄罗斯，我国是重要的产钛国，钛材产量约占世界的3%。•我国的钛材加工企业主要分布在宝鸡、沈阳和上海，宝鸡有色金属加工厂（宝钛股份）是我国最大的以钛为主导产品的专业化生产、科研基地。浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院•化工仍是中国用钛第一大用户，用钛量占全国用钛总量的43.6%；航空航天是第二大用户，用钛量占全国用钛总量的17.2%，体育休闲领域的用钛比例为16.0%，排行第三;再次为真空制盐(5.9%)和电力行业(4.0%)。浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院应用领域材料的使用特性应用部位航空工业喷气发动机在500℃以下具有高的屈服强度/密度比和疲劳强度/密度比，良好的热稳定性，优异的抗大气腐蚀性能，可减轻结构质量在500℃以下的部位使用：压气盘、静叶片、动叶片、机壳、燃烧室外壳、排气机构外壳、中心体、喷气管等机身在300℃以下，比强度高防火壁、蒙皮、大梁、起浇架、翼肋、隔框、紧固件、导管、舱门、拉杆等火箭、导弹及宇宙飞船工业在常温及超低温下，比强度高，并具有足够的韧性及塑性高压容器、燃料贮箱、火箭发动机及导弹壳体、飞船船舱蒙皮及结构骨架、主起落架、登月舱等船舶、舰艇制造工业比强度高，在海水及海洋气氛下具有优异的耐蚀性能耐压艇体、结构件、浮力系统球体，水上船舶的泵体、管道和甲板配件，快艇推进器、推进轴、水翼艇水翼、鞭状天线等化学工业、石油工业在氧化性和中性介质中具有良好的耐蚀性，在还原性介质中也可通过合金化改善其耐蚀性在石油化工、化肥、酸碱、钠、氯气及海水淡化等工业中，作热交换器、反应塔、蒸馏器、洗涤塔、合成器、高压釜、阀门、导管、泵、管道等其他工业常规正品制造耐蚀性好，密度小火炮尾架、迫击炮底板、火箭炮炮管及药室、喷管、火炮套箍、坦克车轮及履带、扭力棒、战车驱动轴、装甲板等冶金工业有高的化学活性和良好的耐蚀性在镍、钴、钛等有色金属冶炼中做耐蚀材料，在钢铁冶炼中是良好的脱氧剂和合金元素钛的应用领域浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院其他工业医疗卫生对人体体液有极好的耐蚀性，没有毒性，与肌肉组织亲合性能良好好做医疗器械及外科矫形材料，钛制牙、心脏内瓣、隔膜、骨关节及固定螺钉、钛骨头等超高真空有高的化学活性，能吸附氧、氮、氢、CO、CO2、甲烷等气体钛离子泵电镀工业耐腐蚀、寿命长、传热快、加热效果好，对产品无污染，可提高劳动生产率和减少维修费用镀镍、镀铬（除氟化物镀铬外）、酸性和氰化物镀铜、三氯化铁铜板腐蚀中作加热器、电镀槽子，网篮、挂具、薄膜蒸发器等电站高的耐蚀性，密度小、质量轻，良好的综合力学性能和工艺性能，较高的热稳定性，线胀系数小全钛凝汽器、冷凝器、管板、冷油管、蒸汽涡轮叶片等机械仪表精密天平秤杆、表壳、光学仪器等纺织工业亚漂机、亚漂罐中耐蚀零、部件造纸工业泵、阀、管道、风机、搅拌器等医药工业加料机、加热器、分离器、反应罐、搅拌器、压滤罐、出料管道等体育用品航模、羽毛球拍、登山器械、钓鱼杆、宝剑、全钛赛车等工艺美术钛板画、笔筒、砚台、拐杖、胸针等浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院钛在镜架上的使用•日本尼康公司早在约20多年前，就开始着手研制合乎要求的钛眼镜架。而成功的研究出钛眼镜架制作技术的则是福井公司。1982年，钛眼镜架还只是作为样品，到80年代后半期，钛眼镜架的数量已占眼镜架生产总数20%，1991年眼镜架用钛材为100t，到1999年已超过470T，2000年眼镜架用钛材量达历史最好水平。现在，日本福井眼镜公司已形成年产（1200万~1400万副钛眼镜架的生产能力，接每副镜架重12G计算，使用钛材则可达144T）。•目前，日本一半以上的眼镜架是用钛制作的。浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院•1981年1月推出市场•1981~1985年普及•1985~1989年以纯钛为主流•1990年后向复合钛、钛合金、形状记忆合金和超弹钛方向发展•目前，主要是纯钛TA2和β钛合金。浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院钛架市场•上海野尻：中外合资企业，SEIKO（精工）、NOJIRI（野尻）、AIROSO（爱乐）、FILA（斐乐）。•深圳力生：内地•温州生产钛架时间虽然不是很长，但发展很快，做得比较成功的企业主要有亨达、三杉、展辉、泰恒、绿丹妮等厂家。温州市鹿成万通配件厂，优飞展光学有限公司（韩国）等浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院斐乐fila品牌于1911年由FILA兄弟在意大利BIELLA创立浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院2、钛的性能•纯钛的物理性能•属难熔稀有银白色轻金属，由于钛具有密度小：密度为4.5g/cm3•钛的导热性和导电性能较差，近似或略低于不锈钢•在钛的表面生成一层致密的氧化物膜，对大气和海水都有强的抗蚀力，对汗水的抵抗能力甚至强于白金，绝对不会引起皮肤过敏。•无（弱）磁性，熔点高达1668℃，高温性能好。•硬度HB195浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院钛的化学性质•钛是一种化学性质非常活泼的金属，在-196℃至500℃的温度范围内，钛与氧气化合生成一层极薄致密的氧化膜。•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。浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院钛的机械力学性能•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%，但强度不高（σb=250～300MPa），不宜作结构材料。•钛的弹性较好，使钛成型时的回弹能力大。浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院钛加工工艺•切削加工现象：1.大部分钛合金导热性很差2.冷硬现象严重3.切削时加工表面的回弹量很大，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院•热处理工艺•退火：目的是消除工业纯钛和钛合金零件加工或焊接后的内应力。退火温度一般为450℃～650℃，保温1～4小时，空冷。再结晶退火：目的是消除加工硬化。对于纯钛一般用550℃～690℃温度，而钛合金用750℃～800℃，保温1～3小时，空冷。•淬火和时效的目的是提高钛合金的强度和硬度。钛合金的时一般淬火温度为760℃～950℃，保温5～60分，水中冷却。时效温度一般在450℃～550℃之间，时间为几小时至几十小时。浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院•焊接工艺：•α钛合金组织稳定，焊接性能优良•β钛合金焊接性能差，故在焊接结构中应用甚少•α+β型合金焊后接头塑性低，有形成冷裂纹倾向•现象：钛及其合金焊接时的主要问题是易产生气孔和裂纹这两种缺陷。浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院3、钛合金•钛合金的分类•1956年，麦克格维纶提出按退火状态下相的组成将钛和钛合金分为纯钛、α钛合金、α+β钛合金、β钛合金。纯钛用TA和编号结合，合金牌号分别为TA，TB，TC与编号顺序数字结合起来表示。浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院钛合金的历史•钛的工业化生产是1949年开始的，使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V(TC4)，Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛（TA1、TA2和TA3）。•第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75％～85％。浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院钛的相变•钛有两种同素异构体:882.5℃以下为密排六方结构α钛，882.5℃以上为体心立方的β钛。•铝、碳、氮、氧、硼等使α←β转变温度升高，称为α稳定化元素，•Fe、Mo、Mg、Cr、Mn、V等使同素异构转变温度下降，称为β稳定元素。•Sn、Zr等对转变温度的影响不明显，称为中性元素。浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院α钛合金(TA)•钛中加入铝、硼等α稳定化元素获得α钛合金。•α合金特征：热强性好、具有良好的焊接性和优异的耐蚀性；耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强，并且组织稳定。缺点：室温强度低于β钛合金和（α＋β）钛合金，但高温强度比他们高，其热处理只能退火。•典型牌号TA7，成分为Ti－5Al－2.5Sn，其使用温度不超过500℃。浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院β钛合金(TB)•钛中加入Mo、Cr、V等β稳定化元素得到β钛金•特征：弹性很强，重量轻，亦具极强之耐侵蚀功能。β合金通常作高强度高韧性材料使用。优良的冲压性能，并可通过淬火和时效进行强化。•缺点：热稳定性较差，不宜在高温下使用，焊接性能差，切削加工困难。•β钛合金的典型牌号为TB1，成分为Ti-3Al-8Mo-11Cr，一般在350℃以下使用。浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院(α＋β)钛合金(TC)•它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好。•特征：塑性很好，容易锻造、压延和冲压，并可通过淬火和时效进行强化，热处理后强度可提高50～100％。•缺点：(α＋β)合金有中等强度，但焊接性能较差。•TC4是典型的（α＋β）钛合金，成分为Ti-6Al-4V，经淬火处理后显微组织为α＋β＋针状α相，产量在全部钛材中占一半以上。浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院•Material325抗拉强度：700-900Mpa，硬度：200-270•Fe:0.19•C:0.01•N:0.3•H:0.3•O:8•Ti:85•V:2.73•Al:3浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院4、形状记忆合金•有些金属材料，在发生塑性变形后，经过加热到某一温度上，能够恢复到变形前的形状，这种现象就是形状记忆效应（SME）。•形状记忆合金的主要特点：合金即便在高温下已定形，但将其置于低温或常温下使其产生塑性变形，当环境温度升高到临界温度（相变温度）时，合金变形消失并可恢复到定形时的形状。•形状记忆合金具有一些特有的性质，如记忆效应和超弹性等，此外还具有耐磨损、抗腐蚀、高阻尼等优异特点。浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院•所谓的超弹性是指试样在某一温度以上，在外力作用下产生远大于起弹性极限应变量的应变，在卸载时应变可自动恢复的现象。生活案例：防烫伤阀眼镜框架移动电话天线和火灾检查阀门浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院形状记忆合金的分类及性能•到目前为止，发现具有形状记忆效应的合金有20余种，但得到实际应用的只有Ni-Ti和Cu-Zn-Al系合金。•Ni-Ti抗蚀性好。疲劳寿命高，适用于人体植入、生物、航天及原子工程。Cu-Zn-Al系合金价格低廉（仅为前者的1/10），加工性能好，可普遍应用于各工业领域。浙江工贸职业技术学院浙江工贸职业技术学院Ni-Ti形状记忆合金•NT合金：指镍、钛按原子比1:1所组成的一种新合金，两者重量比例为55%:45%，抵御腐蚀性强。比一般合金轻25%，此外弹性非常好，耐磨性好，夹持力小，生物相容性好。这类合金的形状记忆行为有双向和单向两种。•这类合金成本较高，一般通过添加Cu、V、Al、Cr、Zr等改善其韧性、加工性和切