鈦材質的十大特性
發布日期:2012-07-26 點擊數: 次

一、密度小,比強度高

金屬鈦的密度為4.51g/cm3,在常用金屬中,只有A12.6 g/cm3,比鈦輕,而低碳鋼為7.86 g/cm3, 0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti等不銹鋼為7.9 g/cm3,銅為8.96 g/cm3,鎳為8.9 g/cm3,都比鈦重??梢鑰闖?,在相同公稱尺寸條件下,使用鈦材制造的設備重量約為銅的50%,鋼的57%,所以鈦是一種輕型金屬材料。

工業設備大量采用的純鈦牌號為TA2、TA1,鈦合金牌號為TA 10 ( Ti-0.3Mo-0.8Ni),有特殊要求的設備采用了TC4 (Ti-6A1-4V),它們的比強度(抗拉強度/密度)分別為117.5 (TA2中值)、107.5 (TA10最低值)、198.4 (TC4最低值),分別是低碳鋼的2.3倍、2.1倍和3.8倍,是不銹鋼的1.8倍、1.6倍和3倍。所以鈦又是一種輕型高強度的金屬結構材料。正因為鈦的比強度高,才在航空、宇航、導彈、兵器等尖端技術發展中被大量采用。在一般工業中,如高速旋轉的發電機護環,蒸汽渦輪機的大葉片、泵閥、高檔自行車、跳高用的撐桿等都使用了鈦及鈦合金。

二、彈性模量低

鈦的彈性模量在常溫下為106.4GPa,是鋼的57%,這說明鈦抗正應變的能力低于鋼。所以鈦在承受外壓力、壓桿穩定和撓度變形等條件下使用受到限制,不宜做剛性結構件。但是,在鈦長管束換熱器上,采用折流板設計,克服了剛性差的缺點,即使在發生振動條件下也有良好的使用效果。

鈦的彈性模量隨著溫度的升高而下降,600時下降為69.6 GPa。在環境溫度高于300條件下使用時,鈦的彈性模量有較大幅度下降。所以,在較高溫度下選用鈦設備時,在設計上取環境溫度上限的E值為宜。

三、導熱系數小

 金屬鈦的傳熱機制主要是電子導熱,其次是晶格導熱。實際測試的結果為:鈦的導熱系數為15.07W/(m·K),是低碳鋼的1/5,銅的1/25,與不銹鋼相近。鈦的導熱性差,可以在不需要導熱好的條件下使用。如果要求容器內溫度穩定,不受外界溫度影響,就應使用鈦制外殼;鈦制巖釘既輕導熱性又差,是登山運動員選擇的理想材料。;鈦金屬的導熱性雖然差,但卻制造了鈦制列管式換熱器、板式換熱器、盤管換熱器、蛇管換熱器等設備,替代導熱性好的銅設備、鋼設備并顯示出更佳的換熱效果,原因主要有以下六點:

(1)鈦在許多化學介質中具有優異的耐腐蝕性能,使用鈦設備運行穩定,壽命長并強化了生產,這就補償了其導熱性差的缺點;

(2)鈦的屈強比高于銅和鋼,在設計上可以把鈦材、鈦管減薄使用,這有利于熱傳導,因此,獲得比鋼、銅設備要好的換熱效果;

(3)鈦設備在較高溫度下使用時,由于鈦的導熱性差,在殼壁中容易形成高的溫度梯度,導致設備產生較大的熱應力或熱疲勞應力,但是鈦的線膨脹系數僅為低碳鋼的2/3,不足不銹鋼的50%,這樣低的線膨脹系數對上述缺點有所補償;所以鑄件鈦閥使用溫度不宜超過280。

(4)鈦在化學介質中抗污染能力強,其表面不易結垢或垢層較薄,這就使鈦表面很難形成絕緣傳熱膜層,獲得較好的傳熱效果;

(5)蒸汽冷凝模擬試驗證明了在鈦表面冷凝仍屬于膜狀冷凝范圍,但和鋼、銅比較,鈦表面有促進滴狀凝結的傾向,這對熱傳導很有利;

(6)介質在管束內流速試驗證明了鈦管束允許較高的流速,而銅合金(B10、B30)管束在2m/s以上將發生馬蹄形沖擊磨蝕。鈦允許介質流速大,可以強化換熱效率。

綜合利用鈦在上述六個方面的優勢,可以看出鈦的導熱性差得到改善,鈦制換熱器的換熱效果高于鋼和銅設備。所以,鈦制換熱器得到了廣泛地推廣使用。

四、抗拉強度與其屈服強度接近

鈦的這一性能說明其屈服比(抗拉強度/屈服強度)高,表示了金屬鈦材在成型時塑性變形差,內部有較大的應力。由于鈦的屈服極限與彈性模量比值大,使鈦的回彈能力大,在冷成型時是不銹鋼回彈能力的2~3倍。由于冷成型時鈦的硬度和強度呈增加趨勢,所以鈦不適于冷態沖壓加工,應該熱成型。當鈦厚度小于3mm時也可以冷成型,但往往需要熱校形,以避免冷校形時引起應力開裂??梢鑰闖鯡訓幕氐Υ蠛頹勘雀叨灶鴨庸こ尚褪侵匾撓跋煲蛩?。為此,要重視鈦的塑性與溫度的關系。

同其它金屬材料一樣,塑性隨溫度增高而增加。但是鈦有些反常,在低于200~300時,鈦的延伸率連續增加,溫度再增高,其延伸率反而降低,強度有上升趨勢。直到400~500,延伸率才明顯增加。鈦的這一特性使我們找到加工成型的最佳條件,也就是常說的溫熱加工成型,既可以避免由于鈦的回彈力大和屈強比高引起的應力及應力開裂,又可以避免鈦在400以上的吸氫而引起氫脆的現象。這也是一般工業中選用鈦設備時規定環境溫度最好不超過315的原因之一。

五、無磁性、無毒

是無磁性金屬,在很大的磁場中也不會被磁化。這一特性可使鈦應用在磁控設備中,鈦制艦艇外殼可以避免磁性雷的爆炸;由于鈦制骨頭、鈦制心臟啟博器不受雷雨天氣的影響,又與人體組織及血液有良好的相容性,所以被醫療界采用。另外鈦設備也是制藥行業理想的設備。

六、抗阻尼性能

金屬鈦受到機械振動、電振動后,與鋼、銅金屬相比,其自身振動衰減時間最長。利用鈦的這一性能可制做音叉、醫學上的超聲粉碎機振動元件和高級音響揚聲器的振動薄膜等。這一性能也是在設計鈦列管式換熱器管束中間隔板的間距時,為了防止由于管束的振幅大引起的機械磨損或相互碰撞而破裂,要選擇合理的依據之一。

七、耐熱性能

為了滿足航空、宇航工業的需求,采用固溶強化創新的α或近α型合金、以金屬間化合物為基的合金和β穩定型合金,研制開發出了質輕、熱強性高的鈦合金,可在500以下長期使用,其物理、機械性能和工藝性能穩定。所以,飛機的飛行速度馬赫數高于2.7以上,其發動機的盤、葉片、后機身、導向器、進氣機匣等部件都采用了耐熱鈦合金。

八、耐低溫性能

鈦合金TA7 (Ti-5AI-2.5Sn), TC4(Ti-6A1-4V)Ti-2.5Zr-1.5Mo等為代表的低溫鈦合金,其強度隨溫度的降低而提高,但塑性變化卻不大,可在-196~-253低溫下保持較好的延性及韌性,避免了金屬冷脆性,是低溫容器、貯箱等設備的理想材料。

九、吸氣性能

鈦是一種化學性質非?;釔玫慕鶚?,其在較高溫度下可與許多元素和化合物發生反應。鈦吸氣主要是指與碳、氫、氮、氧發生反應,使鈦的性能變壞。掌握鈦的吸氣性能對鐵的加熱、機械加工、加工成型、特別是焊接和使用,具有重要意義。

(1)    鈦與氧的親合力強。

加熱初始,氧進人鈦表面晶格中形成一層致密的氧化膜,這層氧化膜可阻止氧進一步向基體擴散。當加熱到500以上時,鈦的氧化膜成為多孔狀變厚并容易剝落,氧通過膜中小孔不斷地向基體擴散,在鈦內部形成一層硬脆表面,使鈦的塑性降低,給加工成型造成困難。500以上時鈦的表面氧化膜顏色由蔚藍色轉變成紫色,直到灰白色。

鈦的焊接要在?;ば云罩薪?。如果需要較高溫度時,則要在鈦表面涂上涂料,采用惰性氣體?;せ蛟謖嬋仗跫陸脅僮韉?,即為了防止鈦吸氧應采取一系列技術工藝措施。

(2)鈦在400以上大量吸氫,會引起氫脆。

一般認為,鈦基體中的含氫量超過0.009% ~0.015%時,就會沿著晶界或晶界向晶內方向析出針狀、薄片狀或塊狀等氫化物的沉淀相,類似鈦基體中的微裂紋,在應力作用下擴展直到破裂。當鈦表面膜中有氫化物時,在流動介質的沖刷下氧化膜容易脫落。

鈦設備在實際應用中,因為環境中的化學反應使氫含量不斷增加,鈦表面氧化膜被破壞而不能自愈,鈦表面有鐵粒的存在等,也曾發生過鈦設備過量吸氫引起氫脆而報廢的事故。為了防止鈦吸氫,一般情況下要避開以下工況條件:溫度大于315、p H<3的非氧化性酸;pH = 3的有機酸;pH > 12的堿溶液;含H2S的中性溶液;含氟離子和碘離子的鹽溶液等。鐵的存在加速了鈦吸氫過程,所以在鈦加工成型及設備焊接時,要嚴格防止鐵的污染。

(3)鈦在純氧中,當溫度達到500~550時就會發生激烈的反應而燃燒或爆炸。

在氧含量大于47%的環境中,鈦受到沖擊和摩擦也容易著火。在氣-液兩相的純氧中,鈦的著火發生在氣相中。

(4)鈦在溴中可以自燃。

(5)鈦在干氯氣中,由于缺少新生氧的來源,使鈦與氯發生激烈的放熱反應,這對鈦來說是一種崩潰性的反應,一直到鈦或干氮消耗完為止,在反應過程中會引起鈦的著火甚至爆炸。一般認為:環境中有大于1.5%的水分就可以保證鈦的鈍化,防止著火和爆炸。

(6)鈦在發煙硝酸中的應用。

當水分大于2%時可以防止鈦的自燃傾向;當水分小于1%、NO2大于6%時,由于鈦與NO2的激烈反應使鈦著火。在實際應用中發生過因摩擦而使鈦閥爆炸事故。

鈦的吸氣性能說明了鈦是具有良好吸氣的材料,在一定條件下可以利用這一性能。如超高真空泵閥,把各種氣體捕集在鈦泵閥內,不污染環境,這種鈦閥泵用于空間模擬試驗、電子工業、原子能工業和高純金屬制備等領域,效果良好;鈦的吸氣氧化皮摻在煙花中,可放出更亮的光彩;利用鈦的吸氮特點,采用氮化工藝技術,制成金黃色的仿金裝飾品;利用鈦的吸碳特點,又可以制成烏黑色的裝飾品;利用鈦吸氫脆化特征,可采用氫化工藝把金屬鈦制成鈦粉等。

十、耐腐蝕性能

鈦是一種非?;釔玫慕鶚?,其平衡電位很低,在介質中的熱力學腐蝕傾向大。但實際上鈦在許多介質中很穩定,如鈦在氧化性、中性和弱還原性等介質中是耐腐蝕的。這是因為鈦和氧有很大的親合力,在空氣中或含氧的介質中,鈦表面生成一層致密的、附著力強、惰性大的氧化膜,?;ち祟鴉宀槐桓?,即使由于機械磨損也會很快自愈或重新再生。這表明了鈦是具有強烈鈍化傾向的金屬。介質溫度在315以下時鈦的氧化膜始終保持這一特性,這是各國一般工業中使用鈦材的基礎保障。在強氧化性、強還原性、無水和無氧的有機酸等介質中,鈦的氧化膜容易溶解,一旦破損也不能自愈和重新修復,失去?;ぷ饔?。介質的溫度越高,氧化膜的溶解破壞越厲害,鈦腐蝕越快。這就是在某些化學介質中不能擴大使用鈦的原因。但WSV牌閥門密封件采用輝光離子處理后,取得了良好耐蝕效果。如果在對鈦有腐蝕的介質中加人無機緩蝕劑,如CU 2+、 Hg 2+、Pt2+等貴金屬離子、Ti +、達到臨界濃度的Fe3+,硝酸、重鉻酸鉀、高錳酸鉀等無機化合物,都可有效防止或減緩鈦的腐蝕。一些有機緩蝕劑,如硝酸苯、甲基紅等對鈦也有一定的緩蝕作用。

為了提高鈦的耐蝕性,維都利公司采用氧化、電鍍、等離子噴涂、離子氮化、離子注人和激光處理等表面處理技術,對鈦的氧化膜起到了增強?;ば宰饔?,獲得了泵閥所希望的耐腐蝕效果。針對在硫酸、鹽酸、甲按溶液、高溫濕氯氣和高溫氯化物等生產中對金屬材料的要求,寶鈦股份公司開發出Ti-Mo、Ti-Pd、Ti-Mo-Ni等一系列耐蝕鈦合金。鈦鑄件使用了Ti-32Mo合金,對常發生縫隙腐蝕或點蝕的環境使用了Ti-0.3 M o-0.8N i合金或鈦設備的局部使用了Ti-0.2Pd合金,均獲得了很好的使用效果。