钛材加工的工艺过程、特性及用途

钛材加工的工艺过程 

目前,金属钛生产的工业方法是可劳尔法,产品为海绵钛。制取钛材传统的工艺是将海绵钛经熔铸成锭,再加工而成钛材。按此,从采矿到制成钛材的工艺过程的主要步骤为:钛矿->采矿->选矿->太精矿->富集->富钛料->氯化->粗TiCl4->精制->纯TiCl4->镁还原->海绵钛->熔铸->钛锭->加工->钛材或钛部件。

上述步骤中如果采矿得到的是金红石,则不必经过富集,可以直接进行氯化制取粗TiCI4。另外,熔铸作业应属冶金工艺,但有时也归入加工工艺。 上述工艺过程中的加工过程是指塑性加工和铸造而言。塑性加工方法又包括锻造、挤压、轧制、拉伸等。它可将钛锭加工成各种尺寸的饼材、环材、板材、管材、棒材、型材等制品,也可用铸造方法制成各种形状的零件、部件。

钛和钛合金塑性加工具有变形抗力大;常温塑性差、屈服极限和强度极限比值高、回弹大、对缺口敏感、变形过程易与模具粘结、加热时又易吸咐有害气体等特点,塑性加工较钢、铜困难。

故钛和钛合金的加工工艺必须考虑它们的这些特点。

       钛采用塑性加工,加工尺寸不受限制,又能够大批量生产,但成材率低,加工过程中产生大量废屑残料。针对钛塑性加工的上述缺点,近年来发展了钛的粉末冶金工艺。钛的粉末冶金流程与普通粉末冶金相同,只是烧结必须要在真空下进行。它适用乎生产大批量、小尺寸的零件,特别适用于生产复杂的零部件。这种方法几乎无须再经过加工处理,成材率高,既可充分利用钛废料作原料,又可以降低生产成本,但不能生产大尺寸的钛件。

钛的粉末冶金工艺流程为:

钛粉(或钛合金粉)->筛分->混合->压制成形->烧结->辅助加工->钛制品。

钛材除了纯钛外,目前世界上已经生产出近30种牌号的钛合金。使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V,Ti-5Al—2.5Sn等。

钛及钛合金的特性、用途

纯钛是银白色的金属,它具有许多优良性能。钛的密度为4.54g/cm3,比钢轻43% ,比久负盛名的轻金属镁稍重一些。机械强度却与钢相差不多,比铝大两倍,比镁大五倍。钛耐高温,熔点1942K,比黄金高近1000K ,比钢高近500K。

钛属于化学性质比较活泼的金属。加热时能与O2、N2、H2、S和卤素等非金属作用。但在常温下,钛表面易生成一层极薄的致密的氧化物保护膜,可以抵抗强酸甚至王水的作用,表现出强的抗腐蚀性。因此,一般金属在酸、碱、盐的溶液中变得千疮百孔而钛却安然无恙。

液态钛几乎能溶解所有的金属,因此可以和多种金属形成合金。钛加入钢中制得的钛钢坚韧而富有弹性。钛与金属Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金属间化合物。

钛合金制成飞机比其它金属制成同样重的飞机多载旅客100多人。制成的潜艇,既能抗海水腐蚀,又能抗深层压力,其下潜深度比不锈钢潜艇增加80% 。同时,钛无磁性,不会被水雷发现,具有很好的反监护作用。

钛具有“亲生物“’性。在人体内,能抵抗分泌物的腐蚀且无毒,对任何杀菌方法都适应。因此被广泛用于制医疗器械,制人造髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨,主动心瓣、骨骼固定夹。当新的肌肉纤维环包在这些“钛骨”上时,这些钛骨就开始维系着人体的正常活动。

钛在人体中分布广泛,正常人体中的含量为每70kg体重不超过15mg,其作用尚不清楚。但钛能刺激吞噬细胞,使免疫力增强这一作用已被证实。

 

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

 

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

组别

牌号

主要特性

应用举例

碘法钛

TAD

这是以碘化物所获得的高纯度钛,故称碘法钛,或称化学纯钛。但是,其中仍含有氧、氮、碳这类间隙杂质元素,它们对纯钛的力学性能影响很大。随着钛的纯度提高,钛的强度、硬度明显下降;故其特点是:化学稳定性好,但强度很低

由于高纯度钛的强度较低,因此,它作为结构材料应用意义不大,故在工业中很少使用。目前在工业中广泛使用的是工业纯钛和钛合金

工业纯钛

TA1
TA2
TA3

工业纯钛与化学纯钛不同之处是,它含有较多量的氮、碳及多种其他杂质元素(如铁、硅等),它实质上是一种低合金含量的钛合金。与化学纯钛相比,由于含有较多的杂质元素后其强度大大提高,它的力学性能和化学性能与不锈钢相似(但和钛合金比,强度仍然较低)
工业纯钛的特点是:强度不高,但塑性好,易于加工成形,冲压、焊接、可切削加工性能良好;在大气、海水、湿氯气及氧化性、中性、弱还原性介质中具有良好的耐蚀性,抗氧化性优于大多数奥氏体不锈钢;但耐热性较差,使用温度不宜太高
工业纯钛按其杂质含量的不同,分为TA1、TA2′>和TA3三个牌号。这三种工业纯钛的间隙杂质元素是逐渐增加的,故其机械强度和硬度也随之逐级增加,但塑性、韧性相应下降
工业上常用的工业纯钛是TA2′>,因其耐蚀性能和综合力学性能适中。对耐磨和强度要求较高时可采用TA3。对要求较好的成型性能时可用TA1

主要用作工作温度350℃以下,受力不大但要求高塑性的冲压件和耐蚀结构零件,例如:飞机的骨架、蒙皮、发动机附件;船舶用耐海水腐蚀的管道、阀门、泵及水翼、海水淡化系统零部件,化工上的热交换器、泵体、蒸馏塔、冷却器、搅拌器、三通、叶轮、坚固件、离子泵、压缩机气阀以及柴油发动机活塞、连杆、叶簧等
TA1、TA2在铁量ω为0.095%、氧含量ω为0.08%、氢含量ω为0. 0009%、氮含量ω为0.0062%时,具有很好的低温韧性和高的低温强度,可用作-253℃以下的低温结构材料

α型钛合金

TA4

‘>这类合金在室温和使用温度下呈α型单相状态,不能热处理强化(退火是唯一的热处理形式),主要依靠固溶强化。室温强度一般低于β’>型和α+β型钛合金(但高于工业纯钛),而在高温(500-600℃)下的强度和蠕变强度却是三类钛合金中最高的;且组织稳定,抗氧化性和焊接性能好,耐蚀性和可切削加工性能也较好,但塑性低(热塑性仍然良好),室温冲压性能差。其中使用最广的是TA7,它在退火状态下具有中等强度和足够的塑性,焊接性良好,可在500℃以下使用;当其间隙杂质元素(氧、氢、氮等)含量极低时,在超低温时还具有良好的韧性和综合力学性能,是优良的超低温合金之一

抗拉强度比工业纯钛稍高,可做中等强度范围的结构材料。国内主要用作焊丝

TA5
TA6

用于400℃以下在腐蚀介质中工作的零件及焊接件,如飞机蒙皮、骨架零件、压气机壳体、叶片、船舶零件等

TA7

500℃以下长期工作的结构件和各种模锻件,短时使用可到900℃。亦可用作超低温(-253℃)部件(如超低温用的容器)

β型钛合金

TB2

这类合金的主要合金元素是钼、铬、钒等β稳定化元素在正火或淬火时很容易将高温β相保留到室温,获得介稳定的β单相组织,故称β型钛合金 β型钛合金可热处理强化,有较高的强度,焊接性能和压力加工性能良好;但性能不够稳定,熔炼工艺复杂,故应用不如α型,α+β型钛合金广泛

在350℃以下工作的零件,主要用于制造各种整体热处理(固溶、时效)的板材冲压件和焊接件;如压气机叶片、轮盘、轴类等重载荷旋转件,以及飞机的构件等 TB2合金一般在固溶处理状态下交货,在固溶、时效后使用

 

α+β型钛合金

TC1 TC2

这类合金在室温呈α+β型两相组织,因而得名为α+β型钛合金。
它具有良好的综合力学性能,大都可热处理强化(但TC1、TC2、TC7不能热处理加工;
室温强度高,150-500℃以下且有较好的耐热性,有的(如TC1、TC2、TC3、TC4)
并有良好的低温韧性和良好的抗海水应力腐蚀及抗热盐应力腐蚀能力;缺点是组织不够稳定
这类合金以TC4应用最为广泛,用量约占现有钛合金生产量的一半。该合金不仅具有良好的室温、
高温和低温力学性能,且在多种介质中具有优异的耐蚀性,同时可焊接、冷热成形,并可通过热处理强化;
因而在宇航、船舰、兵器以及化工等工业部门均获得广泛应用

400℃以下工作的冲压件、焊接件以及模锻件和弯曲加工的各种零件。这两种合金还可用作低温结构材料

TC3
TC4

400℃以下长期工作的零件,结构用的锻件,各种容器、泵、低温部件,船舰耐压壳体、坦克履带等。强度比TC2、2高

TC6

可在450℃以下使用,主要用作飞机发动机结构材料

TC9

500℃以下长期工作的零件,主要用在飞机喷气发动机的压气机盘和叶片上

TC10

450℃以下长期工作的零件,如飞机结构零件、起落支架、蜂窝联结件、导弹发动机外壳、武器结构件等

 

 

加工钛及钛合金的一般力学性能(物理性质)

牌号

半成品种类

试样状态

试验温度/℃

屈服强度б0.2

抗拉强度бb

弹性模量E

伸长率

断面收缩率ψ

冲击韧度aK/(J/cm2)

持久强度бb/100

蠕变极限 б0.2/100

硬度(HBS)

δ6

δ19

MPa

MPa

(%)

MPa

TA1

棒材

退火

室温

420

35①

59

105

TA2

棒材

退火

室温

540

31①

56

90

350

195

95

400

180

70

450

100

30

TA3

棒材

退火

室温

630

24①

53

80

TA4

锻件(截面70mm以下)

?

-196

1120

1230

14②

31

40

-100

840

910

18②

38

50

20

640

730

22②

49

80

100

500

590

25②

52

110

200

360

420

28②

60

140

300

320

370

26②

66

180

TA5

板材(厚12mm)

退火

20

650

700

126-137

15

40

60

200

465

550

119

16②

40

300

385

450

107

15.6②

50

400

300

400

104

15.7②

58

500

300

380

98

13.5②

58.5

TA6

棒材(φ10mm-φ20mm)

退火

20

830

900

8.5

36

30-50

350

400(>100h)

板材

20

690

800

105

15

30-50

350

360

460

81.5

18

450

350

430

70

14

500

350

200

TA7

板、棒

退火

20

650-850

750-950

105-120

8-15

40

200-300

-80

920

1025

14

-196

1127

1240

20②

31

-253

1290

1570

17.5②

9.2

350

340-460

500-600

78.5

24

450-500

300

500

300-400

450-520

58.5

20

200

50

TB2

?

淬火+时效

350

持久强度/MPa

持久

时间/h

1050

310

未断

?

?

?

?

?

170

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

196

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

1080

188

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

149

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

141

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

1100

153

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

170

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

52

?

?

淬火+时效

400

750

193

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

298

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

790

112

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

66

?

?

TC1

板材(厚35mm)

退火

20

470-650

600-750

105

20-40

60-120

210-250

-196

1092

1155

25②

49.3

-253

949

1380

15.4②

350

250-420

330-480

13-25

330

400

240-390

310-450

12-25

300

450

300-430

15-35

TC2

板材(厚1.0-1.2mm)

退火

20

740

38

53

250

480

40

68

300

440

36

72

350

430

35

74

430

320

400

430

32

73

400

200

450

350③

500

420

390

板材(厚1mm)

退火

20

550-650

700-900

110-120

15-40

25-55

35-65

TC3

棒材

退火

20

900-1050

1000-1115

10-15

8-12

35-45

35-60

320-360

200

950

14

49

350

850

13

50

500

750

14

65

棒材

淬火+时效

20

1100-1250

1200-1300

114

10-14

5-7

30-40

25-45

350-390

200

1050

12

45

300

>150h,б=690

350

750

950

100

11

49

400

>100h,б=590

500

500

760

82

18

65

TC4

棒材

800℃1h空冷

20

953

1060

113

14.5

48.7

56

350

630

777

94

16.8

65.2

400

630

580

360

退火

20

1060

1080

15.5

-70

1220

1240

12.5

-196

1570

1640

17.5

-253

1770

1820

3.5

TC6

棒材 模锻件

淬火+时效

20

1000

1100

115

12

35

40

100

800

870

104.5

14②

200

610

740

95

15②

300

560

650

90

14②

400

490

600

85.5

14②

?

?

?

?

?

?

?

?

600

306

?

450

470

580

83

14

550

165

500

420

560

80

15

360

53

TC9

棒材

退火

20

1030

1200

118

11

6

28.5

300

740

990

103

14

10

52

400

720

900

101

13

7

53

500

660

870

95

14

7

56

≥650

280-300

550

620

810

89

15

8

57

≥450

120-150

TC10

棒材(直径22mm)

退火

20

1060

1100-1150

108.3

10-14

30-47

>35

250

743

913

100

12

52

350

714

880

98

15

52

400

бb/150=800

450

600

800

90

1*9

68

бb/150>800

500

700

23

73

注:1.试验的持久时间为21-24h,试样为棒材。 2.表列性能数据为实测值,往往比标准规定的性能高,但这些数值不能作为设计依据,设计时应按标准数值考虑。 3.国家标准规定的钛及钛合金板、棒、线、管材的标准性能数值,可查阅手册内有关章节。

①δ(L=5.65F0)。

② 未注明δ5、δ10。