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普及關於鈦以及鈦合金的基礎知識
2021-05-13

1▩│◕╃、生產方法

鈦作為一種化學元素◕✘,是英國人維利雅姆•格列高爾在1791年發現的•鈦作為一種結構金屬◕✘,50年前才開始使用•鈦在自然界中的分佈相當廣泛◕✘,金屬中僅次於鋁▩│◕╃、鐵▩│◕╃、鎂居第四位•


鈦作為工業結構金屬的開發◕✘,晚於其它金屬◕✘,這是因為鈦是一種難以熔化的▩│◕╃、而在高溫下化學活性很高的元素◕✘,從礦石中提取金屬鈦以及由金屬鈦生產製品◕✘,都存在很大的技術性困難.自從真空冶金方法和其它新 工藝方法出現以後◕✘,才克服了這些困難• 鈦的特點之一◕✘,是能與空氣中的氧和氮產生劇烈的相互作用◕✘,形成脆性的合金◕✘,即使鈦中的氧▩│◕╃、氮的含量只有百分之幾◕✘,也足以使合金變脆•所以◕✘,金屬鈦真實的機械效能◕✘,直到不久前◕✘,也就是以碘化法制得高純鈦以後才得以確定•


由於鈦對氧的化學親和力高◕✘,由氧化物礦石提取純金屬的嘗試◕✘,在經濟技術指標方面沒有得到令人滿意的結果•用鈦與鹵素(氯▩│◕╃、碘)的化合物作原料◕✘,可得到高純金屬•用於研究目的的高純鈦◕✘,可透過揮發性碘化鈦的熱解法來製得◕✘,即所謂的碘化法• 生產工業用途的工業純鈦◕✘,可用鎂(鎂熱法)或鈉(鈉熱法)還原四氯化鈦的方法◕✘,其中鎂熱法應用最為廣泛.


應該指出◕✘,電解法目前僅用於鈦的除雜精煉(溶解陰極法) .由氧化物礦石作原料進行鈦工業生產的許多電解實驗◕✘,至今都是不成功的◕✘,這是因為其成本高於氯化鈦的鎂熱還原法或鈉熱還原法•


用氫化鈣還原純氧化鈦的方法〔第匹種方法)◕✘,僅在製取特殊用途細鈦粉方面有少量的應用◕✘,因為該方法既不能保證還原的充分性◕✘,也不能保證產品有需要的純度水平.鎂熱制鈦方法的優點◕✘,是金屬鎂價廉易


得◕✘,各工業發達國家都能生產◕✘,此外◕✘,可形成閉路的生產迴圈◕✘,而還原反應的副產品(氯化鎂)還可用於製取生產過程所需要的兩種原料一氯和金屬鎂◕✘,從而顯著降低了生產成本•


鎂熱法的缺點◕✘,是其生產不連續•開發連續生產方法◕✘,將能進一步降低目前還相當高的鈦生產成本◕✘,同時提高生產效率.


1995年全世界金屬鈦的總產量為5 • 54 萬t.主要的產鈦國和用鈦國有美國▩│◕╃、獨聯體國家▩│◕╃、日本和中國•鈦和鐵▩│◕╃、鋁▩│◕╃、鎂▩│◕╃、鎳一樣◕✘,是現代機器製造業最重要的材料之一↟₪◕◕。


2▩│◕╃、特性

鈦作為結構材料的優點◕✘,是眾所周知的◕✘,鈦的重量輕▩│◕╃、在很寬的工作溫度範圍內有較高的持久強度◕✘,可廣泛應用於航空▩│◕╃、宇航和其它的機器製造部門•鈦的耐腐蝕性高◕✘,可使用於化學機器製造業和其它部門• 鈦可使用在由極端低溫到500一600 ℃ 的溫度範圍內◕✘,純鈦和某些鈦合金◕✘,甚至在液氦中也不變脆◕✘,而鈦鋁合金甚至可使用到 750一850 ℃.在從低溫到高溫的整個溫度範圍內◕✘,鈦合金的比強度均超過其它結構材料•


鈦與鐵一樣◕✘,是多晶型金屬◕✘,因而鈦合金具有各種各樣的組織形態和相組成.鈦的綜合物理化學效能與鐵族金屬極不相同◕✘,所以將現代的研究方法應用到鈦合金上也有一定的特點◕✘,甚至是製備顯微組織與宏觀組織磨片◕✘,都有一定的困難◕✘,因為鈦有粘附切削工具的特性•鈦及鈦合金試片的機械加工◕✘,磨削和拋光◕✘,應採用特殊的工藝方法與操作規程•由於鈦的氧化與滲氫◕✘,製備透射電子顯微鏡檢查用的箔片存在不少困難•鈦及鈦合金在酸洗時◕✘,在滲氫性製劑和電解質中都會吸收大量的氫◕✘,結果使試樣的相組成與原始值相去甚遠•


儘管鈦合金(不包括金屬間化合物)中只有為數較少的相(愎▩│◕╃、  ◕✘,但由於這些相的晶格取向對應關係接近◕✘,而使其x射線反射處於相近的▩│◕╃、通常相互重疊的角度範圍◕✘,這就給解釋x射線組織分析的結果以及電子照相的分析結果造成困難•


合金的金相研究方法◕✘,通常廣泛應用於半成品和成品的控制與調整.例如◕✘,研究宏觀組織便可查因鑄錠鑄造工藝不完善而造成的化學成分不均勻性▩│◕╃、晶粒不一致性以及材料的其它缺陷•顯微分析可判斷是否違反了不同的工藝加熱規範◕✘,諸如壓力加工前加熱▩│◕╃、退火▩│◕╃、熱處理強化等規範•為了評價斷口的組織形態並研究在使用時發生破壞的原因◕✘,正越來越多地使用金相分析法及其相似方法•


金相學的重要組成部分◕✘,是二元系▩│◕╃、 元系及多元複雜系的相平衡圖•關於多元複雜系相平衡圖的資料還很有限◕✘,在使用相平衡圖時應該注意使其處於最接近相平衡狀態的條件下◕✘,在工業條件下◕✘,由於冷卻速度高◕✘,合金不會實現平衡狀態◕✘,而其相組成則與理論值有相當大的差距.某些鈦合金實現平衡非常緩慢▩☁:例如建立Ti-cr系相平衡圖在實驗方面存在很大的困難•而且根據相平衡圖通常只能確定大致的相組成◕✘,並判斷應該如何在合金狀態接近平衡的條件下調整相的數量與組成•


根據相平衡圖◕✘,可以預測合金效能與其化學成分及相組成之間的關係.H ℃ •庫爾納科夫曾提出假設◕✘,兩相合金的效能是加和性的•而後◕✘,A • A •博奇瓦爾院士指出◕✘,如果兩相二元合金化學成分的變化能顯著改變單個的晶粒尺寸◕✘,則違反加和定率•札菲發現兩相二元鈦合金效能偏離加和定律•而後◕✘,B • H •莫依謝耶夫透過比較札菲的理論用其它方法◕✘,發展了兩相鈦合金遵守加和定律的論點• •A •科拉切夫對這些規律性進行了總結•



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