《航空工程材料（活頁式）》 課件 10鈦及鈦合金

第7講鈦及其合金目錄123鈦合金的性能及分類鈦合金的發(fā)展與應(yīng)用工業(yè)純鈦簡介1791年，英國牧師Gregor發(fā)現(xiàn)了一種新元素。1795年，法國化學(xué)家克拉普羅特以日耳曼神話中女神坦的名字為它命名“Titanium”，譯成中文就是“鈦”。從此，鈦便進(jìn)入了科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室?！扳仭钡挠蓙砗喗殁伿且环N新金屬，由于它具有一系列優(yōu)異特性，被廣泛用于航空、航天、化工、石油、冶金、輕工、電力、海水淡化、艦艇和日常生活器具等工業(yè)生產(chǎn)中，它被譽(yù)為現(xiàn)代金屬。金屬鈦生產(chǎn)從1948年至今才有半個世紀(jì)的歷史，它是伴隨著航空和航天工業(yè)而發(fā)展起來的新興工業(yè)。它的發(fā)展經(jīng)受了數(shù)次大起大落，這是因?yàn)殁伵c飛機(jī)制造業(yè)有關(guān)的緣故。但總的說來，鈦發(fā)展的速度是很快的，它超過了任何一種其他有色金屬的發(fā)展速度。這從全世界海綿鈦工業(yè)發(fā)展情況可以看出：海綿鈦生產(chǎn)規(guī)模60年代為60kt/a，70年代為110kt/a，80年代為130kt/a，到1992年已達(dá)140kt/a。1908年挪威和美國開始用硫酸法生產(chǎn)鈦白，1910年在試驗(yàn)室中第一次用鈉法制得海綿鈦，1948年美國杜邦公司才用鎂法成噸生產(chǎn)海綿鈦——這標(biāo)志著海綿鈦即鈦工業(yè)化生產(chǎn)的開始。而鈦合金因具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于各個領(lǐng)域。世界上許多國家都認(rèn)識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進(jìn)行研究開發(fā)，并得到了實(shí)際應(yīng)用。中國鈦工業(yè)起步于20世紀(jì)50年代。1954年，北京有色金屬研究總院開始進(jìn)行海綿鈦的制備工藝研究，1956年國家把鈦當(dāng)作戰(zhàn)略金屬列入了12年發(fā)展規(guī)劃，1958年在撫順鋁廠實(shí)現(xiàn)了海綿鈦工業(yè)試驗(yàn)，成立了中國第一個海綿鈦生產(chǎn)車間，同時(shí)在沈陽有色金屬加工廠成立了中國第一個鈦加工生產(chǎn)試驗(yàn)車間。60年代中期開始鈦材的工業(yè)化生產(chǎn)。簡介一.工業(yè)純鈦工業(yè)純鈦Ti：純鈦密度4.507g/cm3熔點(diǎn)高1688℃具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變:

≤882.5℃為密排六方結(jié)構(gòu)的α相≥882.5℃體心立方結(jié)構(gòu)的β相純鈦比強(qiáng)度高，塑性、低溫韌性和耐蝕性好。鈦在氮?dú)庵屑訜峥砂l(fā)生燃燒，因此鈦在加熱和焊接時(shí)應(yīng)采用氬氣保護(hù)。

-Ti?

-Ti美F-22戰(zhàn)機(jī)約36%重量的零件用鈦合金制造一.工業(yè)純鈦密度小,比強(qiáng)度高（比強(qiáng)度高的特性仍可保持到550～600℃。與高強(qiáng)合金相比，相同強(qiáng)度水平可降低重量40％以上）彈性模量低（120GPa），約為鐵的54％?？估瓘?qiáng)度與其屈服強(qiáng)度接近無磁性、無毒耐熱性能好耐低溫性能好（在液氮溫度下仍有良好的機(jī)械性能，強(qiáng)度高而仍保持良好的塑性及韌性）耐腐蝕性能(鈍化層（TiO2）,納米尺度，室溫下長大極慢)導(dǎo)熱系數(shù)小（比鐵低4.5倍）抗阻尼性能強(qiáng)吸氣性能（儲氣、干燥）一.工業(yè)純鈦特點(diǎn)：一種銀白色的金屬是很活潑的元素。有很好的鈍化性能，鈍化膜很穩(wěn)定，在許多環(huán)境中表現(xiàn)出很好的耐蝕性。有“耐海水腐蝕之王”之稱。高溫下，鈦的化學(xué)活性很高，能與鹵素、氧、氮、碳、硫等元素發(fā)生劇烈反應(yīng)。鈦一般不發(fā)生孔蝕；除在幾種個別介質(zhì)（如發(fā)煙硝酸、甲醇溶液）中，也不發(fā)生晶間腐蝕；鈦的應(yīng)力腐蝕破裂敏感性小，具有抗腐蝕疲勞的性能，耐縫隙腐蝕性能良好。

一.工業(yè)純鈦根據(jù)雜質(zhì)含量，鈦分為高純鈦（純度達(dá)99.9%）和工業(yè)純鈦（純度達(dá)99.5%）。工業(yè)純鈦有三個牌號，分別用TA＋順序號數(shù)字1、2、3表示，數(shù)字越大，純度越低。雜質(zhì)含量對鈦的性能影響很大，少量雜質(zhì)可顯著提高鈦的強(qiáng)度，故工業(yè)純鈦強(qiáng)度較高，接近高強(qiáng)鋁合金的水平。一.工業(yè)純鈦純鈦主要用于350℃以下工作、強(qiáng)度要求不高的零件，如石油化工用熱交換器、反應(yīng)器，海水凈化裝置、艦船零部件及飛機(jī)蒙皮等。鈦鋼復(fù)合反應(yīng)釜鈦管換熱器鈦制蒸餾塔二.鈦合金的性能及分類2.1鈦合金純鈦加入合金元素形成鈦合金。鈦合金幾乎都含有鋁。鋁能提高鈦合金的強(qiáng)度、比強(qiáng)度和再結(jié)晶溫度.按退火組織，鈦合金可分為

型鈦合金、

型鈦合金和

+

型鈦合金三類，它們的牌號分別用TA、TB、TC加順序號表示。如TA5、TB2、TC4等。其中TA0~TA3為工業(yè)純鈦。鈦合金泵二.鈦合金的性能及分類2.1

鈦合金的特點(diǎn)強(qiáng)度高鈦合金的密度一般在4.5g/cm3左右，僅為鋼的60％，若按單位重量的強(qiáng)度（稱比強(qiáng)度）測定，鈦合金是鋁合金的1.3倍，鎂合金的1.6倍，不銹鋼的3.5倍，是所有金屬材料中的冠軍。熱強(qiáng)度高使用溫度比鋁合金高幾百度，可在450～500℃的溫度下長期工作?？刮g性好耐酸、耐堿、耐大氣腐蝕，對點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)。二.鈦合金的性能及分類低溫性能好間隙元素極低的鈦合金TA7,在-253℃下還能保持一定的塑性?；瘜W(xué)活性大鈦合金高溫時(shí)化學(xué)活性很高，輕易與空氣中的氫、氧等氣體雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硬化層。導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小鈦的導(dǎo)熱系數(shù)約為鎳的1/4，鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)約下降50％。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2。二.鈦合金的性能及分類2.2

鈦合金的分類鈦合金按組織基體可分為：α合金、(α+β)合金、β合金。中國分別以TA、TC、TB表示。鈦合金按用途可分為：耐熱合金、高強(qiáng)合金、耐蝕合金(鈦-鉬，鈦-鈀合金等)、低溫合金以及特殊功能合金(鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金)等。

二.鈦合金的性能及分類1、

型鈦合金主加元素為鋁，還有錫、硼等。

不能熱處理強(qiáng)化，通常在退火狀態(tài)下使用,組織為單相

固溶體.

強(qiáng)度低于另兩類鈦合金，但高溫強(qiáng)度、低溫韌性及耐蝕性優(yōu)越.鈦合金氫泵誘導(dǎo)輪鈦合金氫泵殼體二.鈦合金的性能及分類常用牌號有TA5、TA7等主要用于制造500℃以下工作的零件，如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、導(dǎo)彈的燃料罐、超音速飛機(jī)的蝸輪機(jī)匣及飛船上的高壓低溫容器等。TA5主要用于制造船艦零件。

鈦合金衛(wèi)星框架鈦合金液下泵-Ti合金組織二.鈦合金的性能及分類2、

型鈦合金加入的合金元素有鉬、鉻、釩、鋁等。經(jīng)淬火加時(shí)效處理后，組織為

相基體上分布著細(xì)小的

相粒子。這類合金強(qiáng)度高，但冶煉工藝復(fù)雜，難于焊接，應(yīng)用受到限制。鈦合金管鈦合金管應(yīng)用二.鈦合金的性能及分類

型鈦合金有TB2、TB3、TB4三個牌號。主要用于350℃以下工作的結(jié)構(gòu)件和緊固件,如飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、軸、彈簧、輪盤等。鈦合金棒β鈦合金眼鏡架鈦離心泵二.鈦合金的性能及分類3、

+

型鈦合金加入的合金元素有鋁、釩、鉬、鉻等?？蛇M(jìn)行熱處理強(qiáng)化，強(qiáng)度高，塑性好，具有良好的熱強(qiáng)性、耐蝕性和低溫韌性。鈦合金列管式換熱器二.鈦合金的性能及分類

+

型鈦合金共有九個牌號，其中以TC4應(yīng)用最廣、用量最大，其經(jīng)過淬火加時(shí)效處理后，組織為

+

+時(shí)效析出的針狀

。α+β鈦合金組織α+β鈦合金組織（電鏡）二.鈦合金的性能及分類

+

型鈦合金主要用于制造400℃以下工作的飛機(jī)壓氣機(jī)葉片、火箭發(fā)動機(jī)外殼、火箭和導(dǎo)彈的液氫燃料箱部件及艦船耐壓殼體等.

TC10是在TC4基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有更高的強(qiáng)度和耐熱性。生物醫(yī)用材料飛機(jī)壓氣機(jī)葉片三.鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展目前盡管鈦及其合金應(yīng)用的歷史不長，但由于它那超眾的性能，已經(jīng)獲得了多個光榮稱號。首先榮獲的稱號就是“空間金屬”。它重量輕、強(qiáng)度大又耐高溫，特別適于制造飛機(jī)和各種航天器。目前世界上生產(chǎn)的鈦及鈦合金，大約有四分之三都用于航空航天工業(yè)。許多原來用鋁合金的部件，都改用了鈦合金。三.鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展航空航天電訊器材

醫(yī)療造船工業(yè)

機(jī)械工業(yè)硬質(zhì)合金

3.1

鈦合金的應(yīng)用三.鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展俄海軍塞拉II級鈦合金攻擊核潛艇

潛艇在深海中航行時(shí)，要承受巨大的壓力。下潛得愈深，承受的壓力愈大。核潛艇的外殼采用鈦合金制造，其下潛深度是一般潛艇的兩倍，可達(dá)4500m。如果沒有鈦合金，潛海是不可能達(dá)到這樣的深度的。鈦合金沒有磁性，用它建造的核潛艇不必?fù)?dān)心磁性水雷的攻擊。

三.鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展耐熱強(qiáng)度高，做鉆頭耐熱閥，常用于石油工業(yè)三.鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展鈦鎳形狀記憶合金

三.鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展硬質(zhì)金屬外殼（質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐磨損）三.鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展①生物相容性等于75%黃金合金。②

使用壽命長，強(qiáng)度高。③安全、高貴、價(jià)格適中。三.鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展1、現(xiàn)代航空中鈦合金使用情況1950年美國首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機(jī)上用作后機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機(jī)尾罩等非承力構(gòu)件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機(jī)身移向中機(jī)身、部分地代替結(jié)構(gòu)鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件。70年代起，民用機(jī)開始大量使用鈦合金，如波音747客機(jī)用鈦量達(dá)3640公斤以上占機(jī)重28%。隨著加工工藝技術(shù)的發(fā)展，在火箭、人造衛(wèi)星和宇宙飛船上，也用了大量的鈦合金。飛機(jī)越先進(jìn)，使用的鈦越多。美國F—14A戰(zhàn)斗機(jī)使用的鈦合金，約占機(jī)重的25%；F—15A戰(zhàn)斗機(jī)為25.8%；美國第四代戰(zhàn)斗機(jī)用鈦量為41%，其F119發(fā)動機(jī)用鈦量為39%，是目前用鈦量最高的飛機(jī)。三.鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展三.鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展三.鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展F22“猛禽”，鈦合金比例高達(dá)39%，后機(jī)身前后梁采用了熱等靜壓鈦合金鑄件結(jié)構(gòu)。三.鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展中國采用鈦合金技術(shù)生產(chǎn)的殲八II戰(zhàn)機(jī)，讓俄羅斯兄弟紅了眼。鈦合金主要應(yīng)用于機(jī)體部位，以抵抗兩臺噴氣發(fā)動機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的高溫。三.鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展鈦合金主要用于飛機(jī)及發(fā)動機(jī)的制造材料，如鍛造鈦風(fēng)扇、壓氣機(jī)盤和葉片、發(fā)動機(jī)罩、排氣裝置等零件以及飛機(jī)的大梁隔框等結(jié)構(gòu)框架件。此外，波音787機(jī)翼還采用了鈦-石墨復(fù)合材料。三.鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展波音飛機(jī)主要機(jī)型的平均用鈦量（單位：噸/架）預(yù)測至2032年波音公司在中國將新增客機(jī)數(shù)量5580架。假設(shè)飛機(jī)平均用鈦量30噸/架，通過計(jì)算至2032年，中國將消耗16.7萬噸鈦，平均每年為8370噸。三.鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展寶鋼集團(tuán)研制出了大型飛機(jī)起落架用鋼和鈦合金結(jié)構(gòu)用鋼在飛機(jī)降落時(shí)，起落架要承受強(qiáng)大的沖擊力

三.鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展鈦合金零件在先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)上占有相當(dāng)?shù)谋戎?并且呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)集成度愈來愈高、結(jié)構(gòu)愈來愈復(fù)雜的發(fā)展趨勢,在減輕發(fā)動機(jī)重量、改善和提高性能等方面發(fā)揮著日益重要的作用。航空發(fā)動機(jī)三.鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展2、鈦合金的發(fā)展鈦合金研究起源于航空，航空工業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了鈦合金的發(fā)展，航空用鈦合金也形成了自己的體系。航空用鈦合金的研究一直是鈦合金領(lǐng)域中最重要、最活躍的一個分支，但其發(fā)展也極其艱辛，如高溫鈦合金為克服“熱障”問題，就花費(fèi)了人們十幾年的精力。80年代之前我國的航空用鈦合金研究是完全仿制，80年代后逐步走向仿制與創(chuàng)新相結(jié)合的研究之路，研究水平并不落后于國外。三.鈦合金的應(yīng)用與發(fā)展3.航空用鈦合金的重點(diǎn)研究發(fā)展方向航空用鈦合金研究在材料研制部門受到高度重視，取得了可喜進(jìn)展，滿足了航空應(yīng)用研究部門、設(shè)計(jì)部門和應(yīng)用部門的一定需求。材料研制部門