钛及钛合金论文

综述论文
题目：钛及钛合金
学院：化学化工学院
专业：化学（云亭班）
学生姓名：陈娟娟
学号：201473010101
指导教师：王志华
钛及钛合金
陈娟娟
（西北师范大学化学化工学院兰州 730070）
Titanium and titanium alloy
Chen Juan juan
(College of Chemistry and Chemical Engineering,
NorthwestNormal University, Lanzhou 730070)
摘要：先进材料钛及钛合金的应用与前沿技术的发展一直是当前材料领域的热点研究课题之一。

钛及钛合金的优良性能促使人类迫切需要它们。

然而，生产成本之高，使应用受到限制。

我们相信在不久的将来，随着钛的冶炼技术不断改进和提高，钛及钛合金的应用将会得到更大的发展。

本文介绍了钛的发现，钛的物理及化学性质，钛合金的发展现状、特性，阐述了钛合金的生产技术及其应用，并展望发展前景。

关键词：钛、钛合金、发展现状、特性、应用、发展前景。

Abstract:advanced materials application of titanium and titanium alloy and the development of cutting-edge technology has been one of hot research topics in the field of the current material. Titanium and titanium alloy excellent properties of human need them urgently. However, high production cost, make application is restricted. We believe in the near future, with
continuous improvement and improve titanium smelting technology, the application of titanium and titanium alloy will be greater development. This paper introduces the discovery of the titanium ,the physical and chemical properties of titanium, titanium alloy development present situation, characteristics, this paper expounds the production technology of titanium alloy and its application, and the development trend is prospected. Keywords:titanium, titanium alloy, the development present situation, characteristics, application and development prospects
一、钛的发现
1791年Cornish教区牧师兼业余化学家格列高尔（W.Gregor）从Helford当地
小河中取来的砂子中，用磁铁提取出一种黑色物质，即钛铁矿，他用盐酸处理后
所得的一滤渣是一种新元素的不纯的氧化物，这就是1975年德国化学家克拉普
罗特（M.H.Klaproth）独立发现的金红石氧化物，并按希腊神话中地球的女儿Titans之名将新元素命名为钛（titanium）。

他们仅得到二氧化钛，1910年，亨
首先制得金属钛。

脱尔（M.A.Hunter）用金属钠还原TiCl
4
二、钛的物理性质
钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米（20℃）,高于铝而低于铁、铜、镍.但比
强度位于金属之首.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。

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三、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（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 (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
，见式（7）。

常温下式（5）,（6），加热的浓硫酸可被钛还原，生成SO
2
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 (7)Ti＋H2S＝TiS＋H2(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
四、金属钛的应用领域
(1)航空业：主要用于飞机引擎、机架、起落架等。

(2)化工业领域：用于化学化工耐蚀反应器、电解用铁阳极、钛阴极板、氧气冷却热交换器等化工用仪器。

(3)机械业：蒸汽涡轮发电机、涡轮叶片，石油钻井设备和海下输油管等。

(4)在汽车上，钛可用于制造引擎气门、承座、气门弹簧、连杆、紧固件等。

(5)在体育休闲用品中，用钛制网球拍、羽毛球拍、高尔夫球头和球杆、滑雪杆、冰刀、潜水衣、台球杆和钩鱼杆等。

五、钛合金的应用领域
六、钛合金的发展前景
近年来，各国正在开发低成本和高性能的新型钛合金，努力使钛合金进入具有巨大市场潜力的民用工业领域阳。

国内外钛合金材料的研究新进展主要体现在以下几方面。

（1）高温钛合金。

世界上第一个研制成功的高温钛合金是Ti-6Al-4V，使用温度为300-350℃。

随后相继研制出使用温度达400℃的IMI550、BT3-1等合金，以及使用温度为450~500℃的IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金。

目前已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有.英国的IMI829、IMI834合金；美国的Ti-1100合金；俄罗斯的BT18Y、BT36合金等。

表7为部分国家新型高温钛合金的最高使用温度[26]。

近几年国外把采用快速凝固／粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向，使钛合金的使用温度可提高到650℃以上[1,27,29,31]。

美国麦道公司采用快速凝固／粉末冶金技术戚功地研制出一种高纯度、高致密性钛合金，在760℃下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度[26]。

（2）钛铝化合物为基的钛合金。

与一般钛合金相比，钛铝化合物为基钠Ti3Al（α2）和TiAl（γ）金属间化合物的最大优点是高温性能好（最高使用温度分别为816和982℃）、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和重量轻（密度仅为镍基高温合金的1/2），这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料[26]。

目前，已有两个Ti3Al为基的钛合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-#v-0.5Mo
在美国开始批量生产。

其他近年来发展的Ti3Al为基的钛合金有Ti-24Al-11Nb、Ti25Al-17Nb-1Mo和Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo等[29]。

TiAl（γ）为基的钛合金受关注的成分范围为Ti-（46-52）Al-（1-10）M（at.％），此处M为v、Cr、Mn、Nb、Mn、Mo和W中的至少一种元素。

最近，TiAl3为基的钛合金开始引起注意，如Ti-65Al-10Ni合金[1]。

（3）高强高韧β型钛合金。

β型钛合金最早是20世纪50年代中期由美国Crucible公司研制出的B120VCA 合金（Ti-13v-11Cr-3Al）。

β型钛合金具有良好的冷热加工性能，易锻造，可轧制、焊接，可通过固溶-时效处理获得较高的机械性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。

新型高强高韧β型钛合金最具代表性的有以下几种[26,30]: Ti1023（Ti-10v-2Fe-#al），该合金与飞机结构件中常用的30CrMnSiA 高强度结构钢性能相当，具有优异的锻造性能；Ti153（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn），该合金冷加工性能比工业纯钛还好，时效后的室温抗拉强度可达1000MPa以上；β21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si），该合金是由美国钛金属公司Timet分部研制的一种新型抗氧化、超高强钛合金，具有良好的抗氧化性能，冷热加工性能优良，可制成厚度为0.064mm的箔材；日本钢管公司（NKK）研制成功的SP-700（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe）钛合金，该合金强度高，超塑性延伸率高达2000％，且超塑成形温度比Ti-6Al-4V低140℃，可取代Ti-6Al-4V合金用超塑成型-扩散连接（SPF/DB）技术制造各种航空航天构件；俄罗斯研制出的BT-22（TI-5v-5Mo-1Cr-5Al），其抗拉强度可达1105MPA以上
（4）阻燃钛合金。

常规钛合金在特定的条件下有燃烷的倾向，这在很大程度上限制了其应用。

针对这种情况，各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。

羌国研制出的Alloy c（也称为Ti-1720），名义成分为50Ti-35v-15Cr（质量分数），是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金，己用于F119发动机。

BTT-1和BTT-3为俄罗斯研制的阻燃钛合金，均为Ti-Cu-Al系合金，具有相当好的热变形工艺性能，可用其制成复杂的零件[26]。

（5）医用钛合金。

钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料，可用作植人人体的植人物等。

目前，在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6Al-4v ELI
合金。

但后者会析出极微量的钒和铝离子，降低了其细胞适应性且有可能对人体造成危害，这一问题早已引起医学界的广泛关注。

羌国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性的钛合金，将其用于矫形术。

日本、英国等也在该方面做了大量的研究工作，并取得一些新的进展。

例如，日本已开发出一系列具有优良生物相容性的α+β钛合金，包括Ti-15Zr-4Nb_4ta-0.2Pd、Ti-15Zr-4Nb-aTa-0.2Pd-0.20~0.05N、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd和Ti-15Sn-4nb-2Ta-0.2Pd-0.20，这些合金的腐蚀强度、疲劳强度和抗腐蚀性能均优于Ti-6Al-4v ELI。

与α+β钛合金相比，β钛合金具有更高的强度水乎，以及更好的切口性能和韧性，更适于作为植入物植入人体。

在美国，已有5种β钛合金被推荐至医学领域，即TMZFTM（TI-12Mo-^Zr-2Fe）、Ti-13Nb-13Zr、Timetal 21SRx（TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si）、Tiadyne 1610（Ti-16Nb-9.5Hf）和Ti-15Mo。

估计在不久的将来，此类具有高强度、低弹性模量以及优异成形性和抗腐蚀性能的庐钛合金很有可能取代目前医学领域中广泛使用的Ti-6Al-4V ELI合金[28,32]。

七、结束语
本文简要介绍了钛的发现，物理性质，化学性质，以及钛和钛合金的应用领域和钛合金的发展前景。

综上所述，钛及钛合金在航空航天和其他领域有着广泛的应用前景。

参考文献：
1、无机化学下册第四版，高等教育出版社，2003
2、张喜燕、赵永庆、白晨光：《钛合金及应用》，化学工业出版社，2005
3、杨冠军：《钛合金研究和加工技术的新进展》，《钛工业进展》，2001
4、金红.民用钛合金的发展前景和方向[J].钛工业进展，1998。