钛及钛合金的最大优点是比强度大，综合性能优越。氧和氮固溶于钛中，使钛晶格畸变，强度硬度增加，塑性韧性降低；而氢含量增加，焊缝金属的冲击韧性急剧降低，塑性下降较少；碳以间隙形式固溶于钛中，使强度提高，塑性下降，作用不如氮、氧显著，但碳量超过溶解度时，易于引起裂纹，因此钛及钛合金焊接时必须进行有效的保护。......
2023-06-23
钛及钛合金的物理化学性质探析
【摘要】：钛和钛合金的线膨胀系数与光学玻璃的线膨胀系数相近，是人造卫星相机镜头框架和其他光学仪器框架的理想结构材料。
1.钛和钛合金的物理性质
金属钛具有两种同素异构体，温度低于882.5℃时的稳定态晶体α，为密排六方结构，在882.5℃以上的稳定态晶体β，为体心立方结构。
α-Ti在20℃的密度为4.51g/cm3，与氧形成间隙固溶体时，晶格发生明显的畸变，其密度也随之增大。β-Ti在900℃时的密度约为4.32g/cm3，在熔化温度时为4.19g/cm3。在25℃时，纯钛的比热容约为0.011J/（g·K），它随温度的升高而增加。
钛的熔点是1668℃。由于熔融钛几乎可与一切耐火材料发生反应，因此测量其熔化潜热较为困难，现已测得的熔化潜热范围是15.5～20.9kJ/mol。钛的沸点是（3260±20）℃，汽化潜热为428.5～470.3kJ/mol。
钛的导热性较差，其热导率比不锈钢略低。钛单晶的线膨胀系数是各向异性的，在0℃时a轴方向为7.34×10-6/℃，c轴方向为8.9×10-6/℃；在20～300℃时，α-Ti多晶体的平均线膨胀系数为8.2×10-6/℃。钛和钛合金的线膨胀系数与光学玻璃的线膨胀系数相近，是人造卫星相机镜头框架和其他光学仪器框架的理想结构材料。
2.钛和钛合金的化学性质
钛的原子结构决定了钛是一种化学性质活泼的金属，能与多种元素发生化学反应，特别是空气中的O、N、H及C等，此外还与卤素、P和S以及各种常用的耐火材料等发生化学反应。
（1）与O的反应
致密的钛在常温的空气中是很稳定的，当它受热时便开始与O发生反应。钛与O反应初期，O进入钛表面晶格中，形成一层致密的氧化膜，它可防止O再向内部扩散，所以钛在500℃以下是稳定的。随着受热温度的提高氧化膜逐渐增厚，氧化物的厚度和颜色也不同。
温度继续升高，金属钛表面生成的氧化膜开始溶解，O向钛的内部晶格扩散。钛被氧化的速度取决于O向钛内部扩散的速度。当温度高于700℃时，O向钛内部的扩散加速。温度继续升高时，开始生成较大厚度的灰色氧化膜，这些氧化膜不致密，呈多孔状且易破碎，完全失去了作用。温度进一步升高，加热的时间足够长时，则生成容易剥落的淡黄色多孔鳞片状氧化物层。当温度达到1200～1300℃时，钛开始与空气中的氧发生剧烈的放热反应。在纯氧中，钛与O发生激烈反应的起始温度比在空气中低，500～600℃时钛便在氧气中燃烧。
钛与O发生反应，可生成钛的各种氧化物，如Ti3O2、Ti2O2、TiO、Ti3O5、TiO2等。钛中加入合金元素，对其氧化性能有一定的影响，如Mo、W和Sn的加入可降低钛的氧化速度，而Zr的加入则会提高氧化速度。
（2）与N的反应
常温下钛与N不发生反应。在800℃以上，钛能在氮气中燃烧。熔融钛与N的反应十分激烈。钛与N的反应，生成的产物除Ti3N和TiN外，还形成Ti-N固溶体。钛被加热，温度达到500℃时开始与N反应，600℃以上钛吸N的速度明显加快，但比吸O的速度慢。
N与钛反应，也是在表面上生成薄膜，早期所生成的薄膜可紧密地与钛表面结合，随着厚度增加薄膜开始发生破裂。钛与氮气反应生成氮化钛（TiN）薄膜，尽管是钛氮化物中最稳定的一种化合物，但当它以薄膜形态存在于钛表面时，却不能有效地保护钛不受氧化，这是因为固体氮化钛在1200℃下与氧迅速反应，并将氮释放出来。
（3）与H反应
钛与H的反应和钛与O、N的反应不同，它是可逆反应。更重要的是H原子尺寸小，易于扩散到钛晶格内部形成间隙固溶体。
钛吸H的速度与温度和氢气压力有关。常温下钛吸收H的质量分数小于0.002%。当温度升高到250～300℃时，钛开始明显地吸H，但过程比较缓慢。当温度高于300℃时，不带氧化膜的钛吸H速度明显加快，到500～600℃时达到最大值，在数秒内即可达到平衡。钛吸收的H在其表面和基体中形成氢化物，当它们达到一定浓度时，钛和钛合金变脆，即氢脆。继续加热到600℃以上时，随温度升高，钛吸H量反而下降。
（4）与C、Si及化合物的反应
石墨化的C相对于钛是惰性的。所以石墨一直作为钛的铸型材料，甚至制作坩埚，供熔炼使用。但未完全石墨化的C，高于一定的温度时能与钛发生反应。C在钛中的溶解度较小，在900℃时最大溶解度为0.48%；在1750℃时，C在钛中的溶解度达到最大值为0.8%。正是由于C在钛中的溶解度都很小，当钛中C含量较大时便会在组织中出现游离的碳化钛结构。
钛与Si的反应，也只有在高温下才会发生，反应生成高熔点的硅化物Ti5Si3、TiSi和TiSi2等。钛与各种酸，如盐酸、硝酸、氢氟酸等都能发生反应，其中浓硝酸、氢氟酸是钛和钛合金的酸洗液中不可缺少的组分。
（5）与水蒸气的反应
水蒸气是钛被O、H沾污的根源之一。钛与水蒸气反应后，在钛表面形成一层青灰色的薄膜，是金红石型的二氧化钛。对试样进行金相检验，发现有片状氢化钛形成。钛与水蒸气发生反应可用如下方程式表示：
2Ti+2H2O→TiO2+TiH2+H2↑ （3-1）
钛与水蒸气反应所生成的氧化膜是多孔表面薄膜，这是由于H的溶解引起钛的体积增大，促使氧化膜不断遭到破坏的结果。正由于这种不致密氧化膜的存在，水蒸气使钛氧化的速度比氧使钛氧化的速度快得多，特别是在900℃以上更加明显，这是由于H的扩散速度较快，使钛中溶有大量H的缘故。如果溶解H的数量很小（当处于低温以及水蒸气的压力不大条件下），这时氧化膜的破坏也可能不发生。在这种情况下，钛被水蒸气氧化的速度接近于被氧氧化的速度。
当上述这些杂质（O、N、H及C）在钛及其合金中超过一定量时，会使抗拉强度和屈服强度降低，更主要的是这些杂质会使塑性和冲击韧性显著降低，所以，在钛及钛合金中对这些杂质必须严格控制，一般钛中wO≤0.15%，wN≤0.05%，wH≤0.015%，wC≤0.1%。由于上述原因，钛及其合金的熔炼和铸造必须在较高的真空度或惰性气体下进行。
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