钛材质的十大特性
发布日期:2012-07-26 点击数:

一、密度小,比强度高

金属钛的密度为4.51g/cm3,在常用金属中,只有A12.6 g/cm3,比钛轻,而低碳钢为7.86 g/cm3, 0Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti等不锈钢为7.9 g/cm3,铜为8.96 g/cm3,镍为8.9 g/cm3,都比钛重。可以看出,在相同公称尺寸条件下,使用钛材制造的设备重量约为铜的50%,钢的57%,所以钛是一种轻型金属材料。

工业设备大量采用的纯钛牌号为TA2TA1,钛合金牌号为TA 10 ( Ti-0.3Mo-0.8Ni),有特殊要求的设备采用了TC4 (Ti-6A1-4V),它们的比强度(抗拉强度/密度)分别为117.5 (TA2中值)107.5 (TA10最低值)198.4 (TC4最低值),分别是低碳钢的2.3倍、2.1倍和3.8倍,是不锈钢的1.8倍、1.6倍和3倍。所以钛又是一种轻型高强度的金属结构材料。正因为钛的比强度高,才在航空、宇航、导弹、兵器等尖端技术发展中被大量采用。在一般工业中,如高速旋转的发电机护环,蒸汽涡轮机的大叶片、泵阀、高档自行车、跳高用的撑杆等都使用了钛及钛合金。

二、弹性模量低

钛的弹性模量在常温下为106.4GPa是钢的57%,这说明钛抗正应变的能力低于钢。所以钛在承受外压力、压杆稳定和挠度变形等条件下使用受到限制,不宜做刚性结构件。但是,在钛长管束换热器上,采用折流板设计,克服了刚性差的缺点,即使在发生振动条件下也有良好的使用效果。

钛的弹性模量随着温度的升高而下降,600时下降为69.6 GPa。在环境温度高于300条件下使用时,钛的弹性模量有较大幅度下降。所以,在较高温度下选用钛设备时,在设计上取环境温度上限的E值为宜。

三、导热系数小

 金属钛的传热机制主要是电子导热,其次是晶格导热。实际测试的结果为:钛的导热系数为15.07W/(m·K),是低碳钢的1/5,铜的1/25,与不锈钢相近。钛的导热性差,可以在不需要导热好的条件下使用。如果要求容器内温度稳定,不受外界温度影响,就应使用钛制外壳;钛制岩钉既轻导热性又差,是登山运动员选择的理想材料。;钛金属的导热性虽然差,但却制造了钛制列管式换热器、板式换热器、盘管换热器、蛇管换热器等设备,替代导热性好的铜设备、钢设备并显示出更佳的换热效果,原因主要有以下六点:

(1)钛在许多化学介质中具有优异的耐腐蚀性能,使用钛设备运行稳定,寿命长并强化了生产,这就补偿了其导热性差的缺点;

(2)钛的屈强比高于铜和钢,在设计上可以把钛材、钛管减薄使用,这有利于热传导,因此,获得比钢、铜设备要好的换热效果;

(3)钛设备在较高温度下使用时,由于钛的导热性差,在壳壁中容易形成高的温度梯度,导致设备产生较大的热应力或热疲劳应力,但是钛的线膨胀系数仅为低碳钢的2/3,不足不锈钢的50%,这样低的线膨胀系数对上述缺点有所补偿;所以铸件钛阀使用温度不宜超过280

(4)钛在化学介质中抗污染能力强,其表面不易结垢或垢层较薄,这就使钛表面很难形成绝缘传热膜层,获得较好的传热效果;

(5)蒸汽冷凝模拟试验证明了在钛表面冷凝仍属于膜状冷凝范围,但和钢、铜比较,钛表面有促进滴状凝结的倾向,这对热传导很有利;

(6)介质在管束内流速试验证明了钛管束允许较高的流速,而铜合金(B10B30)管束在2m/s以上将发生马蹄形冲击磨蚀。钛允许介质流速大,可以强化换热效率。

综合利用钛在上述六个方面的优势,可以看出钛的导热性差得到改善,钛制换热器的换热效果高于钢和铜设备。所以,钛制换热器得到了广泛地推广使用。

四、抗拉强度与其屈服强度接近

钛的这一性能说明其屈服比(抗拉强度/屈服强度)高,表示了金属钛材在成型时塑性变形差,内部有较大的应力。由于钛的屈服极限与弹性模量比值大,使钛的回弹能力大,在冷成型时是不锈钢回弹能力的2~3倍。由于冷成型时钛的硬度和强度呈增加趋势,所以钛不适于冷态冲压加工,应该热成型。当钛厚度小于3mm时也可以冷成型,但往往需要热校形,以避免冷校形时引起应力开裂。可以看出钛的回弹力大和屈强比高对钛加工成型是重要的影响因素。为此,要重视钛的塑性与温度的关系。

同其它金属材料一样,塑性随温度增高而增加。但是钛有些反常,在低于200~300时,钛的延伸率连续增加,温度再增高,其延伸率反而降低,强度有上升趋势。直到400~500,延伸率才明显增加。钛的这一特性使我们找到加工成型的最佳条件,也就是常说的温热加工成型,既可以避免由于钛的回弹力大和屈强比高引起的应力及应力开裂,又可以避免钛在400以上的吸氢而引起氢脆的现象。这也是一般工业中选用钛设备时规定环境温度最好不超过315的原因之一。

五、无磁性、无毒

是无磁性金属,在很大的磁场中也不会被磁化。这一特性可使钛应用在磁控设备中,钛制舰艇外壳可以避免磁性雷的爆炸;由于钛制骨头、钛制心脏启博器不受雷雨天气的影响,又与人体组织及血液有良好的相容性,所以被医疗界采用。另外钛设备也是制药行业理想的设备。

六、抗阻尼性能

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制做音叉、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。这一性能也是在设计钛列管式换热器管束中间隔板的间距时,为了防止由于管束的振幅大引起的机械磨损或相互碰撞而破裂,要选择合理的依据之一。

七、耐热性能

为了满足航空、宇航工业的需求,采用固溶强化创新的α或近α型合金、以金属间化合物为基的合金和β稳定型合金,研制开发出了质轻、热强性高的钛合金,可在500以下长期使用,其物理、机械性能和工艺性能稳定。所以,飞机的飞行速度马赫数高于2.7以上,其发动机的盘、叶片、后机身、导向器、进气机匣等部件都采用了耐热钛合金。

八、耐低温性能

钛合金TA7 (Ti-5AI-2.5Sn), TC4(Ti-6A1-4V)Ti-2.5Zr-1.5Mo等为代表的低温钛合金,其强度随温度的降低而提高,但塑性变化却不大,可在-196~-253低温下保持较好的延性及韧性,避免了金属冷脆性,是低温容器、贮箱等设备的理想材料。

九、吸气性能

钛是一种化学性质非常活泼的金属,其在较高温度下可与许多元素和化合物发生反应。钛吸气主要是指与碳、氢、氮、氧发生反应,使钛的性能变坏。掌握钛的吸气性能对铁的加热、机械加工、加工成型、特别是焊接和使用,具有重要意义。

(1)    钛与氧的亲合力强。

加热初始,氧进人钛表面晶格中形成一层致密的氧化膜,这层氧化膜可阻止氧进一步向基体扩散。当加热到500以上时,钛的氧化膜成为多孔状变厚并容易剥落,氧通过膜中小孔不断地向基体扩散,在钛内部形成一层硬脆表面,使钛的塑性降低,给加工成型造成困难。500以上时钛的表面氧化膜颜色由蔚蓝色转变成紫色,直到灰白色。

钛的焊接要在保护性气氛中进行。如果需要较高温度时,则要在钛表面涂上涂料,采用惰性气体保护或在真空条件下进行操作等,即为了防止钛吸氧应采取一系列技术工艺措施。

(2)钛在400以上大量吸氢,会引起氢脆。

一般认为,钛基体中的含氢量超过0.009% ~0.015%时,就会沿着晶界或晶界向晶内方向析出针状、薄片状或块状等氢化物的沉淀相,类似钛基体中的微裂纹,在应力作用下扩展直到破裂。当钛表面膜中有氢化物时,在流动介质的冲刷下氧化膜容易脱落。

钛设备在实际应用中,因为环境中的化学反应使氢含量不断增加,钛表面氧化膜被破坏而不能自愈,钛表面有铁粒的存在等,也曾发生过钛设备过量吸氢引起氢脆而报废的事故。为了防止钛吸氢,一般情况下要避开以下工况条件:温度大于315p H<3的非氧化性酸;pH = 3的有机酸;pH > 12的碱溶液;含H2S的中性溶液;含氟离子和碘离子的盐溶液等。铁的存在加速了钛吸氢过程,所以在钛加工成型及设备焊接时,要严格防止铁的污染。

(3)钛在纯氧中,当温度达到500~550时就会发生激烈的反应而燃烧或爆炸。

在氧含量大于47%的环境中,钛受到冲击和摩擦也容易着火。在气-液两相的纯氧中,钛的着火发生在气相中。

(4)钛在溴中可以自燃。

(5)钛在干氯气中,由于缺少新生氧的来源,使钛与氯发生激烈的放热反应,这对钛来说是一种崩溃性的反应,一直到钛或干氮消耗完为止,在反应过程中会引起钛的着火甚至爆炸。一般认为:环境中有大于1.5%的水分就可以保证钛的钝化,防止着火和爆炸。

(6)钛在发烟硝酸中的应用。

当水分大于2%时可以防止钛的自燃倾向;当水分小于1%NO2大于6%时,由于钛与NO2的激烈反应使钛着火。在实际应用中发生过因摩擦而使钛阀爆炸事故。

钛的吸气性能说明了钛是具有良好吸气的材料,在一定条件下可以利用这一性能。如超高真空泵阀,把各种气体捕集在钛泵阀内,不污染环境,这种钛阀泵用于空间模拟试验、电子工业、原子能工业和高纯金属制备等领域,效果良好;钛的吸气氧化皮掺在烟花中,可放出更亮的光彩;利用钛的吸氮特点,采用氮化工艺技术,制成金黄色的仿金装饰品;利用钛的吸碳特点,又可以制成乌黑色的装饰品;利用钛吸氢脆化特征,可采用氢化工艺把金属钛制成钛粉等。

十、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、中性和弱还原性等介质中是耐腐蚀的。这是因为钛和氧有很大的亲合力,在空气中或含氧的介质中,钛表面生成一层致密的、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以下时钛的氧化膜始终保持这一特性,这是各国一般工业中使用钛材的基础保障。在强氧化性、强还原性、无水和无氧的有机酸等介质中,钛的氧化膜容易溶解,一旦破损也不能自愈和重新修复,失去保护作用。介质的温度越高,氧化膜的溶解破坏越厉害,钛腐蚀越快。这就是在某些化学介质中不能扩大使用钛的原因。但WSV牌阀门密封件采用辉光离子处理后,取得了良好耐蚀效果。如果在对钛有腐蚀的介质中加人无机缓蚀剂,如CU 2+ Hg 2+Pt2+等贵金属离子、Ti +、达到临界浓度的Fe3+,硝酸、重铬酸钾、高锰酸钾等无机化合物,都可有效防止或减缓钛的腐蚀。一些有机缓蚀剂,如硝酸苯、甲基红等对钛也有一定的缓蚀作用。

为了提高钛的耐蚀性,维都利公司采用氧化、电镀、等离子喷涂、离子氮化、离子注人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,获得了泵阀所希望的耐腐蚀效果。针对在硫酸、盐酸、甲按溶液、高温湿氯气和高温氯化物等生产中对金属材料的要求,宝钛股份公司开发出Ti-MoTi-PdTi-Mo-Ni等一系列耐蚀钛合金。钛铸件使用了Ti-32Mo合金,对常发生缝隙腐蚀或点蚀的环境使用了Ti-0.3 M o-0.8N i合金或钛设备的局部使用了Ti-0.2Pd合金,均获得了很好的使用效果。