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一、钛及钛合金材料（一）材料1.碘化钛碘与粗钛在低温下直接作用生成挥发性的碘化钛，经加热使碘化钛分解，再沉积而得到高纯度的金属钛称为碘化钛。牌号：TAD.符号：Til2.纯度＞99.9%（wt）主要用于科研，如测试纯钛的化学性能、物理性能、合金化研究等。2.海绵钛含钛的矿石从金红石（Tio2）存在，经氯（Cl2）化生成四氯化钛（TiCl4），再用活性金属（Mg或Na）还原得到海绵状的金属钛（Ti）称为海绵钛。镁法海绵钛：MHTi纳法海绵钛：NHTi海绵钛是疏松多孔，纯度99.1-99.7%（wt），其硬度HB为100-157，是钛工业生产的原料。海绵钛分级见表1.3.工业纯钛含有一定量的氧、氮、碳、硅、铁及其他元素杂质的α相钛称为工业纯钛。工业纯钛的含钛量≮99.0%（wt）按杂质元素含量把工业纯钛划分为四个级别，见表2.表1海绵钛分级（MHTi）GB/T2524-2002产品等级Grade产品牌号及HB≯BrandsTi不小于%wtNolessthan化学成分（质量分数，%）ChemicalComposition，%布氏硬度不大于BrinellhardnessNOmorethan杂质元素不大于（%wt）Impurity，nomorethanFeSiC1CNOMnMgH0级MHT-10099.70.060.020.060.020.020.060.010.060.0051001级MHT-11099.60.100.030.080.030.020.080.010.070.0051102级MHT-12599.50.150.030.100.030.030.100.020.070.0051253级MHT-14099.30.200.030.150.030.040.150.020.080.0101404级MHT-16099.10.300.040.150.040.050.200.030.090.0121605级MHT-20098.50.400.060.300.050.100.300.080.150.030200表2工业纯钛分级GB/T3620.1-94.牌号化学成分组Ti杂质元素不大于（%）FeCNHO其他元素单一总和TA0工业纯钛余量0.150.100.030.0150.150.100.40TA1工业纯钛余量0.250.100.030.0150.200.100.40TA2工业纯钛余量0.300.100.050.0150.250.100.40TA3工业纯钛余量0.400.100.050.0150.300.100.404.钛合金以钛为基体金属元素和含有其他合金元素及杂质元素所组成的合金称为钛合金。钛合金举例见表3.表3钛合金GB/T3620.1-94牌号化学成分组TiPdMoNi杂质元素不大于（%）其他元素FeCNHO单一总和TA9Ti-0.2Pd余量0.12-0.25------0.250.100.030.0150.200.100.40TA10Ti-0.3Mo-0.8Ni余量---0.2-0.40.6-0.90.300.080.030.0150.250.100.40TC4Ti-6Al-4V余量---------0.300.100.050.0150.200.100.405.ELI钛及钛合金具有超低间隙杂质元素的钛及钛合金称为ELI钛及钛合金。如：Ti-6Al-4VELI.为了改善低温钛及钛合金的塑性和韧性开发出来的超低间隙元素的钛及钛合金，由于间隙元素含量小，其溶于钛后减小了钛晶格歪曲，随温度降低，钛的强度增加，而塑性和韧性下降的很小，在室温-253℃条件下具有强度高，良好的塑性和高的断裂韧性。（二）标准1.常用标准（钛）（1）中国标准①GB：国家强制性标准②GB/T:国家推荐性标准③GJB:国家军用标准④YB:部颁标准⑤YY:行业标准⑥YS/T:行业标准⑦NY/T:行业标准（2）国际及外国标准①ISO：国际标准化组织标准②ANSI：美国国家标准a.ASTM:美国材料试验协会标准b.MIL-T(MIL-STD):美国军标c.AMS:美国金属学会标准③TOCT:原苏联国家标准AMTY:原苏联国家航空技术委员会标准④JIS:日本工业标准⑤EN:欧洲标准委员会标准⑥DIN:德国标准WL：德国航空材料标准⑦BS:英国标准⑧NF:法国标准2.钛及钛合金牌号对照表43.有关标准检验项目表54.产品标准参考表6、表75.出口用标准（三）国际组织与标准化机构1.部分国际组织、国家标准化机构和标准代号2.与金属材料有关的部分国外协会、学会及专业标准代号。（四）热处理1.概念通过对金属材料采用适合的加热方式、保温、冷却以获得预期的组织形态、分布及性能的工艺称为热处理。加热的方式有非真空加热、真空加热。冷却的方式有空冷、水冷、油冷、炉冷等。2.真空热处理一般指在1X10-5Pa的真空环境中（通常最低要求2-3X10-3Pa的真空度），进行加热，(有时要求充惰性气体)，保温、冷却的热处理工艺称为真空热处理。产品的出炉温度＜200℃才能保证钛的表面不被氧化，呈银白色的金属钛本色。3.退火对产品加热到适合温度，保温一定时间，使其冷却，获得接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。退火目的是均匀化学成分，改善机械性能和工艺性能。例如：消除因加工引起的硬化、如消除内应力、如实现再结晶、如真空退火除气（一般是氢气）等。（1）再结晶退火对冷变形和热变形的金属加热到高于再结晶温度，使其破碎的晶粒和拉长的晶粒重新成核并长大成为细小的等轴晶粒，不禁消除了加工引起的硬化，还恢复了加工变形能力，这称为再结晶退火。考虑再结晶退火温度受产品变形率和原始晶粒的大小等影响因素，再结晶温度要比理论讲的再结晶温度高出100-150℃为宜。所以，实际再结晶退火温度：工业纯钛为650-700℃；TC4钛合金为800-850℃。（2）消除应力退火消除金属材料因变形加工、切削加工、焊接加工及深加工制造等过程引起的内部应力，又不发生再结晶的退火称为消除应力退火。如：工业纯钛消除应力退火温度550-600℃，TC4钛合金消除应力退火温度550-600℃。4.加热（1）非真空加热t（℃）图示1给出了加热流程h（分）OABCD图示1加热工艺流程OA:炉子加热升温AB:装料温度工业纯钛350-400℃TC4钛合金600-700℃BC:保温CD:冷却（一般为空冷）保温时间h=D/2+（30-50分钟）D为钛的直径或厚度mm.（2）真空加热先装炉料，然后加热并抽真空（有时真空度达到要求后充惰性气体），保温、冷却，最后出炉（出炉温度最佳＜200℃）空冷。（3）加热特点①加热工艺依据钛的加热工艺主要依据其物理化学特性，其中导热率和化学活性是重要因素。a.钛的化学活性大，其导热系数低为铜的1/2，铝的1/3，钢的1/5，说明在同一加热温度下，钛的加热时间要长，使其表面受热的时间要长，则钛截面的温度差要大，只有在加热长的时间内才达到平衡。b.钛的化学活性大，在常温的空气中，钛表面的氧膜是一层致密、惰性和稳定的保护膜能阻止氧等向钛基体扩散。这层氧化膜为金红石结构（TiO2），呈银白色，具有自愈性能。但是随温度升高，钛的氧化膜发生变化，如：钛在500-550℃的纯氧中有自燃烧特性，在空气中600-650℃时，与氧发生强烈反应，使钛表面钝化膜增厚，进而脱落，将失去对钛的保护作用。如：钛在500-560℃的空气中，有明显吸氮的特性，高于850℃发生强烈反应，使氧化膜增厚，进而促进脱落。如：在高于900℃的空气中，钛与碳发生强烈反应，增加氧化膜厚度，进而促进脱落。特别是钛吸氢变脆特性，钛的吸氢是可逆的，即吸氢也可析出氢，但是高于300℃时吸氢大于析出氢。钛与氢反应形成氢化钛（TiH2）细小弥散的指点，使钛受脆，其冲击值大幅度下降。针对钛的活性特性，确定合理的加热温度和保温时间对获得良好性能的钛材具有重要意义。②过热对钛的加热温度偏高，并保温时间过长，使其组织中的晶粒长大，导致力学性能显著降低的现象称为过热。③过烧对钛的加热温度过高，接近固相线时，其组织中的晶界处优先发生氧化，进而发生部分熔化的现象称为过烧。（4）钛的氧化膜钛的氧化膜随温度不同有不同的厚度和颜色，其成分也发生了变化。表8给出了氧化膜厚度和颜色。加热温度（℃）氧化膜厚度（mm）氧化膜颜色＜200极薄银白色～300极薄淡黄色～400极薄金黄色～500极薄蓝色～600极薄紫色～6490.005紫色～7040.0076红灰色700-800＜0.025红灰色760-871＜0.025红灰色～900＜0.051灰色927-982＜0.051灰色10380.102灰色10930.356灰色举例：在一定温度下，把试样剖开看截面的氧化膜结构及颜色变化。①700-800℃Ti基体（银白色）Tio（青铜色）TiO2（金红石，淡蓝色）。②825-850℃Ti基体Ti+TiO粉末TiO+少量TiTiO2（深蓝色）TiO2（浅蓝色）TiO2（黄褐色）③875-1050℃Ti基体TiO+少量TiTiOTiO2（紫色粉末）TiO2（深蓝色）5.加热设备及气愤（1）感应加热：高频、中频及低频感应炉（2）电接触加热：直接电阻加热（3）燃气加热：煤气炉，液化气炉（4）燃油加热：重油炉，柴油炉（5）间接式电阻加热：箱式电阻丝炉、管式电阻丝炉、辊道式电阻丝炉以上加热属非真空加热，要求加热炉内的气氛保持中性或微氧化性，绝对不允许燃气及燃油的火焰直接喷射钛的表面，不允许用氢气加热。（五）钛材加工（1）钛材压力加工（又称塑性加工）概念通过压力加工设备使钛金属塑性变形，把固态钛变成为所需要的产品形态的加工过程称为压力加工。（2）压力加工特点①无切屑变形，金属损耗小②获得所需要形态的同时，也获得了期望的组织与性能③对产品适合专业化的规模生产（3）影响压力加工因素①确认合理的变形程度要实现变形过程，取决于钛本身的性能，必须选择合理的变形参数即适宜的温度、速度、变形率，能避免产生裂纹、断裂、分层、折叠等缺陷和因为变形率不足而造成不希望的组织。如：在拉制棒材过程中，所确认的温度、速度、涂层、模具等环节不合适，可能会发生塑性变形失稳，而产生拉断、颈缩等现象。②选择适宜的设备、工具模确认使用的压力加工设备、工具模要有足够的刚性和实现塑性变形的能力。③确认技术经济合理的工艺路线常用的压力加工设备繁多，选择的原则是不能“大马拉小车”，也不能“小马拉大车”，考虑的核心是成本低，质量符合，保证塑性变形的能力。(4)变形方式①锻造使用锻造设备上的锤头（包括模具），对钛坯料加力，使其发生塑性变形，获得预期的形状、尺寸、组织和性能的产品的压力加工工艺称为锻造。一般认为：加力的时间短发生了塑性变形称为锻；加力的时间长发生了塑性变形称为压。②轧制使用两个旋转的轧辊之间的空隙或模具孔，对钛坯料加力，使其发生横截面积减小，而长（宽）度增加的产品的压力加工工艺称为轧制。③拉（拔）制钛坯料在拉力作用下，穿过模孔使其发生横截面积减小，长度增加的产品的压力加工工艺称为拉（拔）。（5）钛及钛合金加工材生产工艺流程图示2.（6）钛及钛合金锻造、轧（拉）制产品的工艺规程表9，表10.表9名称开坯锻造变形锻造成品锻造TA1-TA3980-1000℃900-950℃830-850℃TC41050-1150℃1000-1050℃900-950℃注控制终锻温度：工业纯钛＞700℃TC4钛合金＞800℃控制变形率：＞60%表10名称加热温度保温时间终轧(拉)温度变形量TA1-TA3800-850℃40-60分≮700℃＞60%TC4920-950℃40-60分≮800℃＞60%混料制备电极熔炼铸锭商品锭开坯锻造锻件板坯海绵钛合金元素或中间合金二、钛的性能1.物理性能（1）熔点（熔融温度）钛的晶态和液态平衡共存的温度称为熔点工业纯钛的熔点为1668±4℃高纯度碘化钛的熔点为1670±4℃（2）密度材料每单位体积的质量称为密度。密度表示材料致密的程度，ρ=m（质量）/v（体积）工业纯钛的密度ρ=4.505g/cm3TC4钛合金的密度ρ=4.45g/cm3（3）比重材料每单位