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钛材

信息来源:发布时间:2020-07-18阅读:659

     钛是一种金属元素,灰色,原子序数22,相对原子质量47.87。能在氮气中燃烧,熔点高。钝钛和以钛为主的合金是新型的结构材料,主要用于航天工业和航海工业。

钛的密度为4.506-4.516克/立方厘米(20℃),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。  

钛的性能  

1.密度小,比强度高  金属钛的密度为4.51g/cm3,高于铝而低于铁、铜、镍,但比强度位于金属之首,

2.耐腐蚀性能  钛是一种非常活泼的金属,其平衡电位很低,在介质中的热力学腐蚀倾向大,但实际上钛在许多介质中很稳定,如钛在氧化性、中性和弱还原性介质中是耐腐蚀性的。这是因为钛和氧有很大的亲和力,在空气中或含氧的介质中,钛表面生成一种致密的、附着力强、惰性大的氧化膜,保护了钛基体不被腐蚀,即使由于机械磨损也会很快自愈或重新再生。这表明了钛是具有强烈钝化倾向的金属。介质温度在315*c以下钛的氧化膜始终保持这一特性。  

为了提高钛的耐蚀性,研究出氧化、电镀、等离子喷涂、离子氮化、离子注入和激光处理等表面处理技术。对钛的氧化膜起到了增强保护性作用。获得了所希望的耐腐蚀效果。针对在硫酸、盐酸、甲胺溶液、高温湿氯气和高温氯化物等生产中对金属材料的需要,开发出钛-钼,钛-钯,钛-钼-镍等一系列耐蚀钛合金。钛铸件使用了钛-32钼合金,对常发生缝隙腐蚀或点蚀的环境使用了钛-0.3钼-0.8镍合金或钛设备的局部使用了钛-0.2鈀合金,均获得了很好的使用效果。  

3.耐热性能好  新型钛合金能在600*c或更高的温度下长期使用。

4.耐低温性能好  其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大,在-196-253*c低温下保持良好的延性及韧性。避免了金属冷脆性,是低温容器,贮箱等设备的理想材料。  

5.抗阻尼性能强。  金属钛受到机械振动,电振动后,与钢、铜金属相比,其自身振动衰减时间最长,利用钛的这一性能可做音叉、医学上的超声粉碎机振动元件和高级音响扬声器的振动薄膜等。  

6.无磁性、无毒 钛是无磁性金属,在很大的磁场中也不会被磁化,无毒且与人体组织及血液有好的相容性,所以被医疗界采用。  

7.抗拉强度与其屈服强度接近  钛的这一性能说明了其屈强比(抗拉强度/屈服强度)高,表示了金属太材料在成型是塑性变形差,由于钛的屈服极限与弹性膜量的比值大,使钛成型时的回弹能力大。  

8.换热性能好  金属态的导热系数虽然比碳钢和铜低,但由于钛优异的耐腐蚀性能,使用壁厚可以大大减薄,而且表面与蒸汽的换热方式为滴状冷凝,减少了热阻,钛表面不结垢也可减少热阻,

9.弹性模量低  钛的弹性模量在常温时为106.4gmpa,为钢的57%。

10.吸气性能  钛是一种化学性能非常活波的金属,在高温下可与许多元素和化合物发生反应。钛吸气主要指高温下与碳、氢、氧发生反应。

钛材应用   

  钛及其合金具有重量轻、强度大、耐热性强、耐腐蚀等许多优特性,被誉为“未来的金属”,是具有发展前途的新型结构材料。钛及其合金不仅在航空、宇宙航行工业中有着十分重要的应用,而且已经开始在化工、石油、轻工、冶金、发电等许多工业部门中广泛应用。

1.钛在化工等部门的应用

  钛的另一个显著特点是耐腐蚀性强,这是由于它对氧的亲合力特别大,能在其表面上生成一层致密的氧化膜,可保护钛不受介质腐蚀。金属钛在大多数水溶液中,都能在表面生成钝化氧化膜。因此,钛在酸性、碱性、中性盐水溶液中和氧化性介质中具有很好的稳定性,比现有的不锈钢和其它有色金属的耐腐蚀性都好,甚至可与铂比美。但是,如果在某种介质中,能连续溶解钛表面氧化膜时,则钛在这种介质中便会受到腐蚀。例如,钛在氢氟酸、浓的或热的盐酸、硫酸和磷酸中,由于这些溶液溶解钛表面氧化膜,所以钛被腐蚀。如果在这些溶液中加入氧化剂或某些金属离子时,则钛表面氧化膜便会受到保护,此时钛的稳定属于增加。

一.化学工业      

  钛在各种酸、碱、盐介质中,除上述四种无机酸和腐蚀性很强的氯化铝外,都具有很好的稳定性。所以,钛是化学工业中优良的抗腐蚀材料,得到了越来越广泛的应用。例如,在氯碱工业中使用钛金属阳极和钛制湿氯气冷却器,收到很好的经济效果,被誉为氯碱工业中的一大革命。

二.石油工业     

  钛在有机化合物中,除了温度较高下的五种有机酸(甲酸、乙酸、草酸、三氯乙酸和三氟乙酸)外,都具有非常好的稳定性。因此,钛是石油炼制和石油化工中优良的结构材料,可以用来制作各种热交换器、反应器、高压容器和蒸馏塔等。 三.冶金工业      钛属活性金属,具有良好的吸气性能,是炼钢工业中优良的脱气剂,它能化合钢在冷却时析出的氧和氮。在钢中加入少量的钛(<0.1%)可使钢坚韧而富有弹性。钛也是炼钢,炼铝等工业中重要的合金添加剂。钛具有超导性,是一种常见的超导材料。另外,钛在含有金属离子的酸性溶液中具有很好的稳定性,因此钛在湿法冶金工业中,如铜、镍、钴、锰等有色金属的电解生产中,有着十分广泛的应用。

四.化肥工业     

  尿素是重要的化肥,在生产过程中尿素、氨、氨基甲酸铵和它们的混合液,在高温高压的条件下腐蚀性很强,使用钛取代不锈钢后设备寿命大大增加,检修时间大大减少。因此目前尿素生产中的主要设备都使用钛材。

五.海水淡化和造船工业     

六.电力工业  钛在含有氯化物、硫化物等许多腐蚀性较强的热水中具有较好的稳定性,因此钛已经大量在火力发电厂中用作为热交换器的冷却管。用薄壁钛管取代铜镍合金管后,不仅大大提高了使用寿命,而且大大减少了检修时间,经济效果十分显著。

七.造纸和纺织工业     

  钛对二氧化氯、亚氯酸、亚氯酸盐等漂白剂具有特殊的抗腐蚀性能。因此,钛在纺织印染工业、造纸工业的漂白设备中有着重要的应用。例如,钛材制造的亚漂机使用效果很好。同时,还有合成纤维等工业中用作喷丝头。

八.其它方面     

  钛能抵抗人体的腐蚀,并对人体无害。因此可以广泛用于工医疗和制药工业部门。钛有着良好的吸气性能,也在电子真空技术中和高真空技术中有广泛的应用。  

钛在石油、化工等部门的应用     

使用部门 用     途

石油化工 反应器、压力容器、热交换器、分离器配管、蒸馏塔顶凝缩器内衬等。

化学工业 蒸馏塔、反应器、压力容器、热交换器、过滤器、测量仪器、汽轮机叶片、泵、阀、管道、氯碱生产电极、合成塔内衬、其它耐酸设备内衬。

造纸工业 搅拌器、漂白塔、加热锅、反应塔配管。

纺织工业 连续漂白机、蒸馏塔、反应槽、冷凝器、热交换管、离心分离机、喷丝头、阀、泵。

冶金工业 炼钢吸气剂、合金添加剂、超导合金材料、电解高纯金属(如钠、镍、钴)的阴极板和电镀槽等。

海水淡化和发电厂 热交换器、冷凝器、供水加热器、管道、其它接触海水的设备。

舰艇工业 舰艇外壳、甲板、阀、翼、快艇推进器、传动轴、蒸汽机、深潜艇压力舱、开发海洋设备。

其     它 超高真空钛泵、医疗和矫形器械、人工关节、制药和食品工业设备。

2.钛材在航空工业中的应用

  钛及其合金的比强度(强度与重量比)在金属结构材料中是很高的,它的强度与钢材相当,但其重量仅为钢材的57%。另外,钛及其合金的耐热性很强,在500℃的大气中仍能保持良好的强度和稳定性,短时间工作温度甚至还可更高些。而铝在150℃,不锈钢在310℃,就失去原有的机械性能。当飞机、导弹、火箭高速飞行时,其发动机和表面温度相当高,铝合金已不能胜任,应用钛合金是十分合适的。正是由于钛及其合金具有强度大、重量轻、耐热性强的综合优良性能,在飞机制造中用它来代替其它金属时,不仅可延长飞机的使用寿命,而且可以减轻其重量,从而大大提高其飞行性能。所以,钛是航空工业和宇宙航空工业中最有前途的结构材料之一。钛及其合金在航空工业中主要用于制造飞机发动机和机身。一般来讲,马赫数小于2的飞机,其发动机使用一部分钛及其合金,机身一般用铝合金。马赫数在于2的飞机,其发动机用钛量增加,而且机身也部分需要用钛。马赫数大于3.5的飞机,其发动机入口温度已很高,就不能用钛合金而需用超级合金了,但其机身用钛量则显著增加。钛及其合金还具有良好的耐低温性能,即使在-250℃的超低温下,它仍具有较高的冲击强度,可耐高压抗震动。因此,钛及其合金在火箭、导弹和宇宙飞船上不仅用于制造发动机外壳和结构部件,而且用于制造高压容器,如高压气瓶、低温液态燃料箱等。另外,钛及其合金在原子能反应堆和军用武器上都有应用。 

 机身也部分需要用钛。马赫数大于3.5的飞机,其发动机入口温度已很高,就不能用钛合金而需用超级合金了,但其机身用钛量则显著增加。钛及其合金还具有良好的耐低温性能,即使在-250℃的超低温下,它仍具有较高的冲击强度,可耐高压抗震动。因此,钛及其合金在火箭、导弹和宇宙飞船上不仅用于制造发动机外壳和结构部件,而且用于制造高压容器,如高压气瓶、低温液态燃料箱等。另外,钛及其合金在原子能反应堆和军用武器上都有应用。  

   钛在航空工业等部门的应用   

使用部门 用      途

航空式业 飞机机身和蒙皮、发动机、尾锥、喷管、弹射舱、防火壁、夹层结构机身机架、连结件和其它零件。

宇宙航行工业 飞船的液体燃料贮箱、高压容器、船舱、蒙皮、结构骨架、制动火箭主起落架 ,火箭、导弹 高压容器、液体燃料贮箱、外壳、喷嘴、火箭发动机。

其    它 原子能反应堆的结构材料、坦克天窗、炮筒和轻便常规武器等。

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