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工業上如何提升鈦
發布時間：2023-03-15 23:30:511. 金屬」，具有多種優良性能，工業上冶煉金屬鈦的反應
冶煉金屬鈦的反應原理：
工業上常用硫酸分解鈦鐵礦的方法製取二氧化鈦，再由二氧化鈦製取金屬鈦。濃硫酸處理磨碎的鈦鐵礦（精礦），發生下面的化學反應：
FeTiO3+3H2SO4 == Ti(SO4)2+FeSO4+3H2O
FeTiO3+2H2SO4 == TiOSO4+FeSO4+2H2O
FeO+H2SO4 == FeSO4+H2O
Fe2O3+3H2SO4 == Fe2(SO4)3+3H2O
為了除去雜質Fe2(SO4)3，加入鐵屑，Fe3+ 還原為Fe2+，然後將溶液冷卻至273K以下，使得FeSO4·7H2O（綠礬）作為副產品結晶析出。
Ti(SO4)2和TiOSO4水解析出白色的偏鈦酸沉澱，反應是：
Ti(SO4)2+H2O == TiOSO4+H2SO4
TiOSO4+2H2O == H2TiO3+H2SO4
鍛燒偏鈦酸即製得二氧化鈦：
H2TiO3 == TiO2+H2O
工業上制金屬鈦採用金屬熱還原法還原四氯化鈦。將TiO2（或天然的金紅石）和炭粉混合加熱至1000～1100K，進行氯化處理，並使生成的TiCl4，蒸氣冷凝。
TiO2+2C+2Cl2=TiCl4+2CO-
在1070K 用熔融的鎂在氬氣中還原TiCl4可得多孔的海綿鈦：
TiCl4+2Mg=2MgCl2+Ti
2. 鈦的冶煉方法
製取金屬鈦的原料主要為金紅石，其中含TiO2大於96%。缺少金紅石礦的國家，例如蘇聯，則採用鈦鐵礦製成的高鈦渣，其中含TiO290%左右。因天然金紅石漲價和儲量日減，各國都趨向於用鈦鐵礦製成富鈦料，即高鈦渣和人造金紅石。鈦在1791年被發現，而第一次製得純凈的鈦卻是在1910年，中間經歷了一百餘年。原因在於：鈦在高溫下性質十分活潑，很易和氧、氮、碳等元素化合，要提煉出純鈦需要十分苛刻的條件。
工業上常用硫酸分解鈦鐵礦的方法製取二氧化鈦，再由二氧化鈦製取金屬鈦。濃硫酸處理磨碎的鈦鐵礦（精礦），發生下面的化學反應：
FeTiO3+3H2SO4 == Ti(SO4)2+FeSO4+3H2O
FeTiO3+2H2SO4 == TiOSO4+FeSO4+2H2O
FeO+H2SO4 == FeSO4+H2O
Fe2O3+3H2SO4 ==Fe2(SO4)3+3H2O
為了除去雜質Fe2(SO4)3，加入鐵屑，Fe3+還原為Fe2+，然後將溶液冷卻至273K以下，使得FeSO4·7H2O（綠礬）作為副產品結晶析出。
Ti(SO4)2和TiOSO4水解析出白色的偏鈦酸沉澱，反應是：
Ti(SO4)2+H2O == TiOSO4+H2SO4
TiOSO4+2H2O == H2TiO3+H2SO4
鍛燒偏鈦酸即製得二氧化鈦：
H2TiO3== TiO2+H2O
工業上制金屬鈦採用金屬熱還原法還原四氯化鈦。將TiO2（或天然的金紅石）和炭粉混合加熱至1000～1100K，進行氯化處理，並使生成的TiCl4，蒸氣冷凝。
TiO2+2C+2Cl2=TiCl4+2CO
在1070K 用熔融的鎂在氬氣中還原TiCl4可得多孔的海綿鈦：
TiCl4+2Mg=2MgCl2+Ti
這種海綿鈦經過粉碎、放入真空電弧爐里熔煉，最後製成各種鈦材。
也可以通過反應：Ti+2CI2=TiCI4
得到的TiCI4經過高溫（1250℃左右）情況下分解：
TiCI4=Ti+2CI2
由此得到純鈦棒。
鈦及鈦合金的特性、用途
純鈦是銀白色的金屬，它具有許多優良性能。鈦的密度為4.54g/立方厘米，比鋼輕43% ，比久負盛名的輕金屬鎂稍重一些。機械強度卻與鋼相差不多，比鋁大兩倍，比鎂大五倍。鈦耐高溫，熔點1942K，比黃金高近1000K ，比鋼高近500K。
鈦屬於化學性質比較活潑的金屬。加熱時能與O2、N2、H2、S和鹵素等非金屬作用。但在常溫下，鈦表面易生成一層極薄的緻密的氧化物保護膜，可以抵抗強酸甚至王水的作用，表現出強的抗腐蝕性。因此，一般金屬在酸、鹼、鹽的溶液中變得千瘡百孔而鈦卻安然無恙。
液態鈦幾乎能溶解所有的金屬，因此可以和多種金屬形成合金。鈦加入鋼中製得的鈦鋼堅韌而富有彈性。鈦與金屬Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金屬間化合物。
鈦合金製成飛機比其它金屬製成同樣重的飛機多載旅客100多人。製成的潛艇，既能抗海水腐蝕，又能抗深層壓力，其下潛深度比不銹鋼潛艇增加80%。同時，鈦無磁性，不會被水雷發現，具有很好的反監護作用。
鈦具有「親生物」性。在人體內，能抵抗分泌物的腐蝕且無毒，對任何殺菌方法都適應。因此被廣泛用於制醫療器械，制人造髖關節、膝關節、肩關節、脅關節、頭蓋骨，主動心瓣、骨骼固定夾。當新的肌肉纖維環包在這些「鈦骨」上時，這些鈦骨就開始維系著人體的正常活動。
鈦在人體中分布廣泛，正常人體中的含量為每70kg體重不超過15mg，其作用尚不清楚。但鈦能刺激吞噬細胞，使免疫力增強這一作用已被證實。
鈦的化合物及用途
重要的鈦化合物有：二氧化鈦（TiO2）、四氯化鈦（TiCl4）、偏鈦酸鋇（BaTiO3）。
純凈的二氧化鈦是白色粉末，是優良的白色顏料，商品名稱「鈦白」。它兼有鉛白（PbCO3）的遮蓋性能和鋅白（ZnO）的持久性能。因此，人們常把鈦白加在油漆中，製成高級白色油漆；在造紙工業中作為填充劑加在紙槳中；紡織工業
中作為人造纖維的消光劑；在玻璃、陶瓷、搪瓷工業上作為添加劑，改善其性能；在許多化學反應中用作催化劑。在化學工業日益發展的今天，二氧化鈦及鈦系化合物作為精細化工產品，有著很高的附加價值，前景十分誘人。
四氯化鈦是一種無色液體；熔點250K、沸點409K，有刺激性氣味。它在水中或潮濕的空氣中都極易水解，冒出大量的白煙。
TiCl4+3H2O == H2TiO3+4HCl
因此TiCl4在軍事上作為人造煙霧劑，猶其是用在海洋戰爭中。在農業上，人們用TiCl4形成的濃霧地面，減少夜間地面熱量的散失，保護蔬菜和農作物不受嚴寒、霜凍的危害。
將TiO2和BaCO3一起熔融製得偏鈦酸鋇：
TiO2+BaCO3 == BaTiO3十CO2
人工製得的BaTiO3具有高的介電常數，由它製成的電容器有較大的容量，更重要的是BaTiO3具有顯著的「壓電性能」，其晶體受壓會產生電流，一通電，又會改變形狀。人們把它置於超聲波中，它受壓便產生電流，通過測量電流強弱可測出超聲波強弱。幾乎所有的超聲波儀器中都要用到它。隨著鈦酸鹽的開發利用，它愈來愈廣泛地用來製造非線性元件、介質放大器、電子計算機記憶元件、微型電容器、電鍍材料、航空材料、強磁、半導體材料、光學儀器、試劑等。
鈦、鈦合金及鈦化合物的優良性能促使人類迫切需要它們。然而，生產成本之高，使應用受到限制。我們相信在不久的將來，隨著鈦的冶煉技術不斷改進和提高，鈦、鈦合金及鈦的化合物的應用將會得到更大的發展。
鈦產品：
鈦及鈦合金是極其重要的輕質結構材料，在航空、航天、車輛工程、生物醫學工程等領域具有非常重要的應用價值和廣闊的應用前景。
類型：碘化鈦，工業純鈦， α 型鈦， β 型鈦， α +β型鈦
3. 鈦合金在工業中的應用是怎麼樣的
鈦合金是以鈦為基加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質異晶體：882℃以下為密排六方結構α鈦，882℃以上為體心立方的β鈦。合金元素根據它們對相變溫度的影響可分為三類：①穩定α相、提高相轉變溫度的元素為α穩定元素,有鋁、碳、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素，它對提高合金的常溫和高溫強度、降低比重、增加彈性模量有明顯效果。②穩定β相、降低相變溫度的元素為β穩定元素，又可分同晶型和共析型二種。前者有鉬、鈮、釩等；後者有鉻、錳、銅、鐵、硅等。③對相變溫度影響不大的元素為中性元素，有鋯、錫等。 氧、氮、碳和氫是鈦合金的主要雜質。氧和氮在α相中有較大的溶解度,對鈦合金有顯著強化效果,但卻使塑性下降。通常規定鈦中氧和氮的含量分別在0.15～0.2％和0.04～0.05％以下。氫在α相中溶解度很小,鈦合金中溶解過多的氫會產生氫化物，使合金變脆。通常鈦合金中氫含量控制在 0.015％以下。氫在鈦中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。 鈦合金具有強度高而密度又小，機械性能好，韌性和抗蝕性能很好。另外，鈦合金的工藝性能差，切削加工困難，在熱加工中，非常容易吸收氫氧氮碳等雜質。還有抗磨性差，生產工藝復雜。鈦的工業化生產是1948年開始的。航空工業發展的需要，使鈦工業以平均每年約 8％的增長速度發展。目前世界鈦合金加工材年產量已達4萬余噸,鈦合金牌號近30種。使用最廣泛的鈦合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工業純鈦（TA1、TA2和TA3）。 鈦合金主要用於製作飛機發動機壓氣機部件，其次為火箭、導彈和高速飛機的結構件。60年代中期，鈦及其合金已在一般工業中應用，用於製作電解工業的電極，發電站的冷凝器，石油精煉和海水淡化的加熱器以及環境污染控制裝置等。鈦及其合金已成為一種耐蝕結構材料。此外還用於生產貯氫材料和形狀記憶合金等。 中國於1956年開始鈦和鈦合金研究；60年代中期開始鈦材的工業化生產並研製成TB2合金。 鈦合金是航空航天工業中使用的一種新的重要結構材料，比重、強度和使用溫度介於鋁和鋼之間，但比強度高並具有優異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。1950年美國首次在F-84戰斗轟炸機上用作後機身隔熱板、導風罩、機尾罩等非承力構件。60年代開始鈦合金的使用部位從後機身移向中機身、部分地代替結構鋼製造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構件。鈦合金在軍用飛機中的用量迅速增加，達到飛機結構重量的20％～25％。70年代起，民用機開始大量使用鈦合金，如波音747客機用鈦量達3640公斤以上。馬赫數小於 2.5的飛機用鈦主要是為了代替鋼，以減輕結構重量。又如，美國SR-71 高空高速偵察機(飛行馬赫數為3，飛行高度26212米)，鈦占飛機結構重量的93％，號稱「全鈦」飛機。當航空發動機的推重比從4～6提高到8～10，壓氣機出口溫度相應地從200～300°C增加到500～600°C時，原來用鋁製造的低壓壓氣機盤和葉片就必須改用鈦合金，或用鈦合金代替不銹鋼製造高壓壓氣機盤和葉片，以減輕結構重量。70年代，鈦合金在航空發動機中的用量一般占結構總重量的20％～30％，主要用於製造壓氣機部件，如鍛造鈦風扇、壓氣機盤和葉片、鑄鈦壓氣機機匣、中介機匣、軸承殼體等。航天器主要利用鈦合金的高比強度，耐腐蝕和耐低溫性能來製造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構架和火箭殼體。人造地球衛星、登月艙、載人飛船和太空梭 也都使用鈦合金板材焊接件。4. 一道化工題！有關鈦
提高浸出率的方法應該是增大酸(實際上是硫酸)的濃度,還有升高溫度吧.
FeTiO3+3H2SO4 == Ti(SO4)2+FeSO4+3H2O
FeTiO3+2H2SO4 == TiOSO4+FeSO4+2H2O
副產物A是綠礬
Ti(SO4)2和TiOSO4水解析出白色的偏鈦酸沉澱（即沉澱B)，反應是：
Ti(SO4)2+H2O == TiOSO4+H2SO4
TiOSO4+2H2O == H2TiO3+H2SO4
鍛燒偏鈦酸即製得二氧化鈦：
H2TiO3 == TiO2+H2O(即反應1）
工業上制金屬鈦採用金屬熱還原法還原四氯化鈦。將TiO2（或天然的手飢局金紅石）和炭粉混合加熱至1000～1100K，進行氯化處理肢蘆，並使生成的TiCl4，蒸氣冷凝。
TiO2＋2C＋2Cl2＝TiCl4＋2CO
然後在1070K 用熔融的鎂在氬氣中還原TiCl4可得多孔的海綿鈦：
TiCl4＋2Mg＝2MgC12＋Ti
這種海綿鈦經過畢讓粉碎、放入真空電弧爐里熔煉，最後製成各種鈦材。
5. B鈦采用什麼方法能讓它變得柔軟易於加工拉細變長
鈦的熱處理方法
一.鈦的基本熱處理:
工業純鈦是單相α 型組織，雖然在890℃以上有α-β 的多型體轉變，但由於
相變特點決定了它的強化效應比較弱，所以不能用調質等熱處和帆理提高工業純鈦的
機械強度。工業純鈦唯一的熱處理就是退火。它的主要退火方法有三種：1 再結
晶退火 2 消應力退火 3 真空退火。前兩種的目的都是消除應力和加工硬化效應，
以恢復塑性和成型能力。
工業純鈦在材料生產過程中加工硬度效應很大。圖2-26 所示為經不同冷加
工後，TA2 屈服強度的升高，因此在鈦材生產過程中，經冷、熱加工後，為了恢
復塑性，得到穩定的細晶粒組織和均勻的機械性能，應進行再結晶退火。工業純
鈦的再結晶溫度為550-650℃，因此再結晶退火溫度應高於再結晶溫度，但低於
α-β 相的轉變溫度。在650-700℃退火可獲得最高的綜合機械性能（因高於700℃
的退火將引起晶粒粗大，導致機械性能下降）。退火材料的冷加工硬化一般經
10-20 分鍾退火就能消除。這種熱處理一般在鈦材生產單位進行。為了減少高溫
熱處理的氣體污染並進一步脫除鈦材在熱加工過程中所吸收的氫氣，目前一般鈦
材生產廠家都要求真空氣氛下的退火處理。
為了消除鈦材在加工過程（如焊接、爆炸復合、製造過程中的輕度冷變形）
中的殘余應力，應進行消應力熱處理。
消應力退火一般不需要在真空或氬氣氣氛中進行，只要保持爐內氣氛為微氧
化性即可。
二.鈦及鈦合金的熱處理:
為了便於進行機械工業加並得到具有一定性能的鈦和鈦合金，以滿足各種
產品對材料性能的要求，需要對鈦及鈦合金進行熱處理。
1．喚鬧雹工業純鈦（TA1、TA2、TA3）的熱處理
α-鈦合金從高溫冷卻到室溫時，金相組織幾乎全是α 相，不能起強化作用，
因此，目前對α-鈦只需要進行消應力退火、再結晶退火和真空退火處理。前
兩種是在微氧化爐中進行，而後者則應在真空爐中進行。
（一）消應力退火
為了消除鈦和鈦合金在熔鑄、冷加工、機械加工及焊接等工藝過程中所產生
的內應力，以便於以後加工，並避免在使用過程中由於內應力存在而引起開裂破
壞，對α-鈦應進行消除應力退火處理。消除應力退火溫度不能過高、過低，因為
過高引起晶粒粗化，產生不必要的相變而影響機械性能，過低又會使應力得不到
消除，所以，一般是選在再結晶溫度以下。對於工業純鈦來說，消除應力退火的
加熱溫度為500-600℃。加熱時間應根據工件的厚度及保溫時間來確定。為了提
高經濟效果並防止不必要的氧化，應選擇能消除大部分內應力的最短時間。工業
純鈦消除應力退火的保溫時間為15-60 分鍾，冷卻方式一般採用空冷。
（二）再結晶退火（完全退火）
α-鈦大部分在退火狀態下使用，退火可降低強度、提高塑性，得到較好的綜
合性能。為了盡可能減少在熱處理過程中氣體對鈦材表面污染，熱處理溫度盡可
能選得低些。工業純鈦的退火溫度高於再結晶溫度，但低於α 向β 相轉變的溫度
120-200℃，這時所得到的是細晶粒組織。加熱時間視工件厚度而定，冷卻方式
一般採用空冷。對於工業純鈦來說，再結晶退火的加熱溫度為680-700℃，保溫
時間為30-120 分鍾。規范的選取要根據實際情況來定，通常加熱溫度高時，保
溫時間要短些。
需要指出的是，退火溫度高於700℃時，而且保溫時間長時，將引起晶粒粗
化，導致機械性能下降，同時，晶粒一旦粗化，用現有的任何熱處理方法都難以
使之細化。為了避免晶粒粗化，可採取下列兩種措施：
1）盡可能將退火溫度選在700℃以下。
2） 退火溫度如果在700℃以上時，保溫時間盡可能短些，但在一般情況下，
每mm 厚度不得少於3 分鍾，對於所有工件來講，不能小於15 分鍾。
（三）真空退火
鈦中的氫雖無強化作用，但危害性很大，能引起氫脆。氫在α-鈦中的溶解
度很小，主要呈TiH2 化合物狀態存在，而TiH2 只在300℃以下才穩定。如將α-
鈦在真空中進行加熱，就能將氫降低至0.1%以下。當鈦中含氫量過多時需要除
氫，為了除氫或防止氧化，必須進行真空退火。真空退火的加彎祥熱溫度與保溫時間，
與再結晶退火基本相同。冷卻方式為在爐中緩冷卻到適當的溫度，然後才能開爐，
真空度不能低於5×10-4mmHg。
二．TC4（Ti-6Al-4V）的熱處理
在鈦合金中，TC4 是應用比較廣泛的一種鈦合金，通常它是在退火狀態下
使用。對TC4 可進行消除應力退火、再結晶退火和固溶時效處理，退火後的組織
是α 和β 兩相共存，但β 相含量較少，約佔有10%。TC4 再結晶溫度為750℃。
再結晶退火溫度一般選在再結晶溫度以上80~100℃（但在實際應用中，可視具
體情況而定，如表5-26），再結晶退火後TC4 的組織是等軸α 相+β 相，綜合性
能良好。但對TC4 的退火處理只是一種相穩定化處理，為了充分民掘其優良性
能的潛力，則應進行強化處理。TC4 合金的α+β/β 相轉變溫度為980~990℃，固
溶處理溫度一般選在α+β/β 轉變溫度以下40~100℃（視具體情況而定，如表5-26
所示），因為在β 相區固溶處理所得到的粗大魏氏體組織雖具有持久強度高和斷
裂韌性高的優點，但拉伸塑性和疲勞強度均很低，而在α+β 相區固溶處理則無此
缺點。
規 范
類 型
溫 度（℃） 時間（min） 冷 卻 方 式
消除應力退火 550~650 30~240 空 冷
再結晶退火 750~800 60~120 空冷或隨爐冷卻至590℃後空冷
真空退火 790~815
固溶處理 850~950 30~60 水 淬
時效處理 480~560 4~8h 空 冷
時效處理是將固溶處理後的TC4 加熱到中等溫度，保持一定時間，隨後空冷。
時效處理的目的是消除固溶處理所產生的對綜合性能不利的α』相。固溶處理所產
生的淬火馬氏體α』，在時效過程中發生迅速分解（相變相當復雜），使強度升高，
對此有兩種看法：
1。認為由於α』分解出α+β，分解產物的彌散強化作用使TC4 強度升高。
2.認為在時效過程中，β 相分解形成ω 相，造成TC4 強化。
隨著時效的進行，強度降低，對此現象也有兩種不同的觀點：
1．β 相的聚集使強度降低（與上述1 對應）。
2．ω 相的分解為一軟化過程（與上述2 對應）。
時效溫度和時間的選擇要以獲得最好的綜合性能為准。在推薦的固溶及時效
范圍內，最好通過時效硬化曲線來確定最佳工藝（如圖5-28 所示。此曲線為TC4
經850℃固溶處理後，在不同溫度下的時效硬化曲線）。低溫時效（480-560℃）
要比大於700℃的高溫時效好。因為在高溫時的拉伸強度、持久和蠕變強度、斷
裂韌性以及缺口拉伸性能等各方面，低溫時效都比高溫時效的好。
經固溶處理的TC4 綜合性能比750-800℃ 退火處理後的綜合性能要好。
需要指出的是，TC4 合金的加工態原始組織對熱處理後的顯微組織和力學性
能有較大的影響。對於高於相變溫度，經過不同變形而形成的網蘭狀組織來說，
是不能被熱處理所改變，在750~800℃退火後，基本保持原來的組織狀態；對於
在相變溫度以下進行加工而得到的α 及β 相組織，在750-800℃退火後，則能得
到等軸初生α相及轉變的β相。前者的拉伸延性和斷面收縮率都較後者低；但耐
高溫性能和斷裂韌性、抗熱鹽應力腐蝕都較高。
四．Ti-32Mo-2.5Nb 的熱處理
Ti-32Mo-2.5Nb 是穩定β 型單相固溶合金，只需進行消除應力退火處理，
退火溫度為750~800℃，保溫一小時，冷卻方式採用空冷、爐冷均可。
五．熱處理中的幾個問題
（一）污染問題
鈦有極高的化學活性，幾乎能與所有的元素作用。在室溫下能與空氣中的氧
起反應，生成一層極薄的氧化膜，氧化速率很小。但在高的溫度下，除了氧化速
率加快並向金屬晶格內擴散外，鈦還與空氣中的氫、氮、碳等起激烈的反應，也
能與氣體化合物CO、CO2、H2O、NH4 及許多揮發性有機物反應。熱處理金屬元
素與工件表面的鈦發生反應，使鈦表面的化學成分發生變化，其中一些間隙元素
還能透過金屬點陣，形成間隙固溶體。況且除氫以外，其他元素與鈦的反應是不
可逆的。即使是氫，也不允許在最終熱處理後，進行高溫去除。間隙元素不僅影
響鈦和鈦合金的力學性能，而且還影響α+β/β 轉變溫度和一些相變過程，因此，
對於間隙元素，尤其是氣體雜質元素對鈦和鈦合金的污染問題，在熱處理中必須
引起重視。
（二）加熱爐的選擇
為在加熱過程中防止污染，必須對不同要求的工件採取不同的措施。若在最
後經磨削或其他機械加工能將工件表面的污染層去除時，可在任何類型的加熱爐
中進行加熱，爐內氣氛呈中性或微氧化性。為防止吸氫，爐內應絕對避免呈還原
性氣氛。當工件的最後加工工序為熱處理時，一定要採用真空爐（真空度要求在
1×10-4mmHg）或氬氣氣氛（氬氣純度在99.99%以上並且乾燥）的加熱爐中進行
加熱。熱處理完畢後，必要時用30%的硝酸加3%的氫氟酸其餘為水，在50℃溫
度下對工件進行酸洗，或輕微磨削，以除去表面污染層。
（四）加熱方法
在熱處理進行以前，首先要對加熱爐爐膛進行清理，爐內不應有其他金屬或
氧化皮；對於工件，則要求表面沒有油污、水和氧化皮。
用真空爐對鈦工件進行加熱是防止污染的一種有效方法，但由於目前條件所
限，許多工廠還是採用一般加熱爐。在一般加熱爐中加熱，根據需求的不同採用
不同的措施防止污染，比如：
1．根據工件的大小，可裝在封閉的低碳鋼容器中，抽真空後進行加熱。若無真
空泵可通入惰性氣體（氬氣或氦氣）進行保護，保護氣體要多次反復通入、
排出，把空氣完全排凈。
2．使用塗層也是熱處理中保護鈦免遭污染的措施之一，在國外已取得一定的經
驗。國內一些工廠也在採用高溫漆和玻璃塗料作塗層。有人認為，目前對鈦
所用的各種保護塗層，只能減少污染的深度，並不能完全免除污染。對每種
熱處理，必須考慮允許的污染深度，選擇合適有效的塗層，其中也包括熱處
理後的剝離。
3．若用火焰加熱，在加熱過程中切忌火焰直接噴射在鈦工件上，煤氣火焰是鈦
吸氫的主要根源之一。而用燃油加熱，如若不慎將會引起鈦工件過分氧化或
增碳。
（五） 冷卻
鈦和鈦合金熱處理的冷卻方式主要是空冷或爐冷，也有採用油冷或風扇冷卻
的。淬火介質可用低粘度油或含3%NaOH 的水溶液，但通常使用最廣泛的淬火
介質是水。
只要能滿足鈦和鈦合金對冷卻速度的要求。一般鋼的熱處理所採用的冷卻裝
置對鈦都適用。
6. 工業上生產金屬鈦的方法很多。以鈦鐵礦（主要成分FeTiO 3 ，鈦酸亞鐵）為主要原料冶煉金屬鈦，生產的工藝
| （1）非氧化還原反應 （2分） （2）Fe （2分） 綠礬硫酸（各1分）
（3）防止高溫下Mg（Ti）與空氣中的氧氣（或CO 2 、N 2 ）作用）（2分） （4）① 該反應的△S＞0（熵增）（2分） ②－393.6 kJ／mol（2分，單位1分） （5）① 2O 2- - 4e - = O 2 ↑（同時寫出C + O 2 = CO 2 不扣分） 或 C + 2O 2- - 4e - = CO 2 ↑（2分） ②制備TiO 2 時，在電解槽發生如下反應：2CaO Ti + 2CaO，由此可見，CaO的量不變。（4分）
7. 鈦合金生產製造新方法——增材製造 增材製造技術的快速發展，為鈦合金的生產製造提供了新的方法，激光/電子束、熔焊和固態焊三種增材製造方法在鈦合金生產中得到了國內學者的廣泛研究。研究表明，鈦合金採用增材技術可得到高質量零件，但不同增材技術具有不同技術特徵，實際應用及未來發展中需要根據實際需求採用不同的增材方法。
1.序言 鈦及鈦合金因具有密度小、耐高溫、耐腐蝕等優異的物理性能及化學性能，在各工業領域都具有廣闊的孝仿應用前景，包括船舶製造、航天航空、汽車製造等圓神，同時它也是國防工業的重要材料之一。鈦合金的應用對工業發展起到巨大的推動作用，優於傳統材料的性能使其產品質量有了很大提升，滿足了工業發展對新材料、新工藝的發展要求，加速了現代工業的發展。隨著鈦生產力的不斷改善，鈦合金已經成為工業生產中的第三金屬。 增材製造（Additive Manufacturing，AM）又稱「3D列印」，是一種可以實現構件的無模成形的數字化製造技術，具有設計和製造一體化、加工精度高、周期短，產品物理化學性能優異等特點。增材製造技術從20世紀70年代以來發展迅速，因其與傳統製造技術具有巨大差異，已然成為工業領域的研究熱點，在現代工業的多領域都得到了快速發展。 增材製造技術的迅速發展，理論上可以實現任何單一或多金屬復合結構，為復雜結構件的製造提供了新方法。鈦合金的增材製造技術，解決了精密結構件的加工難題，進一步加大了鈦合金的應用范圍。伴隨著工業社會的迅速發展，鈦合金增材製造技術日新月異，按照增材製造技術的熱源不同，可將鈦合金增材製造技術分為激光/電子束增材製造、熔焊增材製造和固態焊增材製造三種方式。國內外的專家學者通過不同的增材製造技術手段，優化工藝方法，穩定增材製造過程，減少或避免增材製造結構缺陷產生，使鈦合金增材製造技術朝著綠色、高效、穩定的方向繼續發展。 2. 激光/電子束增材製造 激光束和電子束作為高密度束源，能量密度高並可調控，被譽為21世紀最先進的製造技術。目前激光/電子束增材製造主要分為激光金屬沉積（Laser Mental Deposition，LMD）技術、激光選區熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術、電子束熔絲沉積（Electron Beam Free Form Fabrication，EBF3）技術、電子束選區熔化（Electron BeamMelting，EBM）技術，在鈦合金增材製造領域皆有廣泛研究。 2.1 激光金屬沉積（LMD） Mahamood等人採用LMD技術進行了Ti6Al4V/TiC 的功能梯度材料（Functionally gradedmaterials，FGM）研究，根據早期經驗模型進行工藝優化，獲得優化後的功能梯度材料，對其組織、顯微硬度、耐磨性進行表徵。研究結果表明，採用優化後工藝參數製造的功能梯度材料擁有更高的性能，硬度是基體硬度的4倍，高達1200HV。Silze等人利用新型半導體激光器採用LMD技術進行Ti6Al4V的增材製造試驗研究，LMD裝置是由6個200W半導體激光頭圓形環繞在進給槍上（見圖1），激光束直徑0.9mm，可以實現方向獨立的焊接工藝過程，顯微結構無缺陷。研究結果表明，隨著層間停留時間的延長，冷卻時間增加，晶粒厚度降低，有助於提高橘慎虧材料的力學性能，採用LMD技術增材製造均能滿足鍛造Ti6Al4V所規定的最低屈服強度和抗拉強度要求。
Heigel等人採用原位溫度、應力實時測量與熱機模型結合有限元熱-應力順序耦合模型的方式，研究了Ti6Al4V激光沉積增材製造過程中的熱、力演化過程，結果發現殘余應力最大力出現在增材層的中心下方，向兩側方向應力減小，隨著停留時間增加，層間溫度差變大，殘余應力增大。左士剛利用TA15鈦合金球形粉末採用激光沉積技術進行了TC17鈦合金增材修復製造過程研究，研究了修復件組織特性與力學性能影響規律。結果表明，採用激光沉積技術增材修復後的TA15/TC17修復件無焊接缺陷，修復件抗拉強度為1029MPa，採用退火處理後，力學性能明顯增強，抗拉強度基本可達TC17鍛件標准，伸長率優於標准。 綜上所述，對於鈦合金的LMD技術增材製造相對較為穩定，增材件力學性能基本滿足鍛件最低標准，對於某些特定需求鈦合金則要進行增材製造後熱處理的方式達到使用要求。 2.2 激光選區熔化（SLM） 唐思熠等人採用SLM技術制備Ti6Al4V鈦合金試樣（見圖2），並對微觀組織、力學性能和緻密化行為進行了分析研究。結果發現，激光功率從360W增加到400W時，緻密度提高明顯；在400W後繼續增加功率，緻密度受激光掃描速度的影響較大，最優工藝參數下的試樣質量遠高於鍛件標准。 Polozov等人採用SLM技術進行增材製造Ti-5Al、Ti-6Al-7Nb和Ti-22Al-25Nb塊狀合金，對Ti-Al-Nb系統進行退火處理，對試樣進行系統表徵研究。結果發現，Ti-5Al可以採用SLM增材製造成鈦合金，Ti-6Al-7Nb和Ti-22Al-25Nb則需要在1350℃下熱處理才能完全溶解Nb顆粒，但是此時樣品氧含量較高，力學性能降低。
Fan等人研究了SLM技術增材製造Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（Ti-6242）鈦合金在標准時效（595℃/8h）下的顯微組織穩定性。研究結果發現，隨著激光掃描速度的提高，相對密度增加到99.5%後急劇下降到大約95.7%，時效老化處理的Ti-6242相對剛製成的Ti-6242抗拉強度從1437MPa提升至1510MPa，延展性從5%降低到1.4%，同時硬度也從410HV增加到450HV，β相顆粒的沉澱硬化作用是產生這種變化的重要原因。
Ren等人採用SLM技術增材製造進行了Ti-Ni形狀記憶合金組織性能的研究工作，制備等原子Ti50Ni50（質量分數）樣品，結果發現，在激光功率為40J/mm3，掃描速度為1000mm/s下可製造幾乎完全緻密試樣，不同掃描速度對相組成、相變溫度和維氏硬度的影響作用有限，與傳統鑄件相比，SLM技術增材製造件擁有較高的真空壓縮和斷裂強度。 綜上所述，對於Ti6Al4V的SLM技術增材製造相對較容易實現，對於鈦與其他元素合金的SLM技術增材製造還需要做進一步地研究，需要進行預熱或者其他熱處理手段和進行氧含量的控制手段來增強其他鈦合金SLM技術增材製造的力學性能，獲得高質量的研究試樣。 2.3 電子束熔絲沉積（EBF3） 靳文穎研究了TC4鈦合金的電子束熔絲沉積增材修復技術，進行了普通TC4焊絲和自製TC4EH焊絲的增材修復性能對比。研究發現，採用自製TC4EH焊絲的抗拉強度（905.23MPa）明顯高於TC4普通焊絲（809.04MPa），硬度和沖擊韌度同樣較高，伸長率可達原材料的90%以上，具有優良的力學性能。 Chen等人進行了電子束熔絲沉積Ti6Al4V變形控制研究（見圖3），電子束以100~150mA之間的掃描電流和低於100mm/s的速度工作，則可以形成薄壁件，掃描形式對殘余應力分布影響不大，單向掃描變形更大，收縮變形在往返掃描情況下較為明顯，並且與電流變化成正比關系，同時，發現基板底部恆定溫度約束下，變形得到改善。
Yan等人研究了電子束熔絲沉積Ti6Al4V加強筋的殘余應力與變形，研究發現，兩個加強筋都對板產生不利的變形，縱向軌道比橫向軌道引起板更大的變形，加強筋的沉積軌跡對變形有很大影響，最大位移發生在與縱向軌道相關的加強筋的內底邊緣，高殘余應力區域主要集中在加強筋的根部。 綜上所述，對於鈦合金的電子束熔絲沉積增材製造的研究相對較少，主要偏向藉助有限元分析軟體的變形控制等領域。分析認為，電子束熔絲沉積增材製造可以克服傳統的鈦合金加工方式的弊端，藉助有限元分析軟體更為實際應用過程中提供了基礎理論的指導。 2.4 電子束選區熔化（EBM） Murr等人採用EBM增材製造的方法制備多孔泡沫Ti6Al4V，研究了剛度與密度之間的關系。結果發現泡沫具有實心孔和中空孔結構，與實心、緊密的EBM製造件相比，中空孔結構的強度與硬度成正比，強度高出40%，並且剛度與孔隙率成反比，採用EBM增材製造的泡沫材料在生物醫學、航空航天等領域的應用具有巨大潛力。 許飛等人採用電子束選區熔化技術對制備的TC4鈦合金開展了大功率高速光纖激光焊接試驗研究。結果表明，受EBM技術增材製造TC4的晶粒尺寸差異的影響，激光焊接試驗熔合區靠近上下表面的β柱狀晶組織相對細小。焊縫區顯微硬度高於增材區硬度，且頂部硬度較高。 Seifi等人研究利用EBM增材製造Ti-48Al-2Cr-2Nb的組織性能研究，結果發現，所沉積的材料強度和硬度值超過了常規鑄造Ti-Al所獲得的強度和硬度值，這與目前測試的增材材料中存在更精細的微觀結構相一致。 Surmeneva等人研究了採用EBM技術增材Ti–10%Nb（質量分數，下同）的組織性能研究。結果發現，通過EBM技術元素Nb和Ti的粉末混合物中原位生產Ti-10%Nb合金，最大的Nb顆粒保留在EBM製造的樣品中，並且Nb僅部分擴散到Ti中，如圖4所示，應該對EBM工藝的參數優化進行更多的研究，以實現更均勻的合金顯微組織。
綜上所述，對於Ti6Al4V的EBM研究相對較為廣泛，發現對於Ti-Nb合金的EBM技術增材製造仍難很好地解決Nb顆粒的擴散問題，會導致顯微組織不均勻，因此對於Ti-xNb合金的增材製造還需要更多的工藝優化試驗進行材料性能的提升。 3.熔焊增材製造 與其他增材製造方式相比，熔焊增材製造操作性更強，成本更低，但結構可靠性相對較低。熔焊增材製造一般採用焊絲增材製造，但是由於基材和初始沉積層之間的熱梯度大，以及輻射和對流熱損失，會在製造的部件底部觀察到細晶粒結構。由於較低的熱梯度，傳熱速率較低，這阻礙了在增材過程的中間層形成細晶粒結構，而只在製造部件的中間形成長的柱狀晶粒。 3.1 CMT電弧增材製造 李雷等人採用CMT電弧增材TC4薄壁結構，研究其增材層組織性能。結果發現，由於增材過程熱循環的反復作用，原始β柱狀晶晶界、水平層帶條紋、馬氏體組織和網籃組織等形態出現在增材層中，由於時效作用，對中下部區域產生強化作用，造成上部增材層顯微硬度略低於中下部顯微硬度（見圖5）。
陳偉進行了CMT電弧增材TC4的微觀組織及力學性能研究。結果發現，在設定送絲速度為3.0m/min、焊接速度為0.48m/min的參數下，原始β晶粒剖面面積最小，CMT電弧增材製造TC4鈦合金在870℃，1h/固溶爐冷（FC）+600℃、2h/固溶空冷（AC）下熱處理，獲得的各區域微觀組織較均勻，固溶處理後的材料塑性較高。 3.2 等離子弧增材製造 Lin等人採用PAW增材製造Ti6Al4V，在微觀結構和顯微硬度方面進行了研究。結果發現，先前的β柱狀晶粒的外延生長受到脈沖擾動的抑制，這導致形成了具有接近等軸晶粒的柱狀晶粒，在沉積早期，由於熱循環不足，顯微硬度較低，在後續沉積中，硬度升高，在沉積層的頂部，不受連續熱循環的影響，導致第二相的體積減小，硬度值降低。 馬照偉進行了旁路熱絲等離子弧增材製造鈦合金的組織性能研究（見圖6）。結果發現，鈦合金增材構件的橫向抗拉強度為977MPa，強度與TC4母材的抗拉強度相當，斷裂位置在增材直壁結構尾部區域，這是由於橫向焊縫為連續熔化-凝固而來，焊縫中的缺陷和雜質較少，使得橫向焊縫具有良好強度性能的鈦合金增材構件的豎向抗拉強度為 936MPa，斷裂位置在增材直壁結構上部區域，性能較橫向焊縫稍差。靠近母材的熱影響區硬度相對較低，出現了小范圍的軟化區，整體的豎向硬度差別並不明顯。
3.3 復合電弧增材製造 Pardal等人進行了激光和CMT復合焊接增材製造Ti6Al4V的結構件穩定性研究。結果發現，激光可用於穩定焊接過程，減少焊接飛濺，改善電弧漂移的情況，改善單層和多層沉積的焊縫形狀，並將Ti6Al4V增材製造的沉積速率從1.7kg/h提高到2.0kg/h。 綜上所述，對於熔焊增材製造鈦合金主要集中在TC4的研究中，多採用CMT、等離子等高效熔絲工藝方式，同時採用其他熱源輔助焊接的方式穩定焊接過程，進行鈦合金的增材製造。分析認為，對於熔焊鈦合金增材製造的發展方向應開拓研究制備鈦合金功能性材料，便於多領域全方位的應用推廣，復合熱源的增材方式或其他可控熱輸入的穩定 增材方式會成為熔焊增材的熱門研究方向。 4.固態焊增材製造 4.1 攪拌摩擦增材製造（FSAM） 攪拌摩擦增材製造是一種從攪拌摩擦焊接技術發展而來的固相增材技術，原理如圖7所示。增材效率高、成本低；在增材過程中沒有金屬的熔化和凝固，可以避免熔池帶來的冶金缺陷問題，同時攪拌摩擦過程中塑性變形還可以起到晶粒細化的作用，獲得低成本、高質量增材產品。
張昭等人基於Abaqus生死單元法和移動熱源法建立兩種攪拌摩擦增材製造Ti6Al4V有限元模型，研究攪拌摩擦增材的溫度分布和晶粒生長情況。研究結果發現，橫向增材峰值溫度大於縱向增材峰值溫度，在攪拌區冷卻及增材累積過程晶粒粗化，並且由β相轉變為α相，由於不同熱循環次數的影響，低層攪拌區晶粒尺寸較大，高層攪拌區晶粒尺寸較小。 4.2 超聲波增材製造（UAM） 超聲波增材製造（UAM）是一種新的快速成形工藝，用於在室溫或接近室溫的條件下製造金屬基復合材料。較低的加工溫度使復合材料能夠通過利用嵌入在基體中的高度預應變的形狀記憶合金（SMA）纖維產生的回復應力。 Hahnlen等人利用UAM技術製造NiTi-Al復合結構界面強度研究，纖維-基體界面的強度是UAM復合材料的限制因素。結果發現，平均界面剪切強度為7.28MPa，纖維與界面結合方式是機械鍵合，未發生化學鍵合或冶金鍵合方式。
為提高碳纖維增強材料（CFRP）的承重能力，使其能在航空航天和汽車工業上進一步推廣應用，James等人進行了CFRP/Ti的超聲波增材製造中剪切破壞強度的研究，研究結果發現，採用UAM技術可以實現CFRP/Ti的結構製造，超聲波能量和表面粗糙度都對UAM製成結構的剪切強度產生積極影響，在焊接前增加界面的表面粗糙度有助於增加最終焊縫的剪切破壞負荷。 綜上所述，關於超聲波增材製造鈦合金的研究較少，主要進行的是金屬基復合材料的研究，以增強復合材料的特定性能滿足實際生產應用，分析認為，在未來研究中，應側重於提升復合材料的力學性能研究方向。 5 結束語 隨著現代工業的迅速發展，輕量化的設計成為結構件的發展方向，對結構件的性能和質量要求變的越來越嚴格，鈦合金增材製造技術的迅速發展，可以進一步擴大鈦合金結構件的應用范圍，提高鈦合金增材件的性能，增強結構穩定性。綜合國內外所研究的鈦合金增材製造技術和現代工業的發展方向，未來鈦合金增材製造技術註定將朝著綠色、經濟、穩定、快速的方向發展。 1）從綠色發展方向來看，攪拌摩擦增材製造起步階段較晚，還處於試驗研究階段，未來進行多金屬材料的復合結構增材製造，實現特定結構的特種性能，將是該技術的一個研究方向。 2）對於經濟、穩定的發展方向，則需要進行電弧增材的穩定性過程探索，尤其是新型復合電弧增材製造的穩定性研究。 3）對於快速性的發展方向，目前階段激光/電子束增材製造工藝相對較為成熟，應繼續探究激光增材製造的經濟適用性，從實際生產中的裝配精度到生產製造中的工藝優化過程，進而降低生產成本，為鈦合金增材製造結構件大面積的生產應用打下基礎。 8. 為什麼鈦比鋁貴十幾倍呢鈦是如何提煉的呢 鈦作為航空產業上的重要材料，由於它的開采和提煉需要耗時長達半年之久，且製程復雜，所以它的價格要比鋁貴上十幾倍。
第三、註定現在就要把鈦金屬塊變成可用的金屬形態，先將鈦金屬塊放進熔爐里加熱至1168攝氏度，太在這個溫度下具有可塑性，利用家前將其取出，然後送入這台巨大的機械壓制機，壓制機用幾千噸的壓力緩慢精細的壓縮金屬塊。在幾個小時的集中壓縮後，太保版的成品逐漸形成，最後經過進一步加熱、切割以及拋光，太薄版就製作完成了。這些薄板會被運送到世界各地的飛機製造廠，用來製造飛機上的主要零件，包括噴射發動機、起落架以及飛機結構。 9. 鈦在工業生產中有什麼作用 鈦的外觀很像鋼鐵，也呈銀灰色。和鋼鐵相比，兩者的硬度相似，而鈦的重量卻只有同體積鋼鐵的一半，熔點也比鋼鐵高，要到1668℃才熔化，比號稱不怕火的黃金的熔點還要高600℃。與鋁相比，鈦只比鋁稍重一點，但比鋁的硬度大2倍。在常溫下鈦性質很穩定，以致在強酸、強鹼的溶液里，也不會被腐蝕。鈦合金不僅強度高，而且耐高溫和低溫的性能也很好。由於鈦具有以上許多優異的性能，已成為有色金屬中備受青睞的「後起之秀」。隨著科技的發展，在提高冶煉技術和降低成本的前提下，在不久的將來，鈦將成為繼銅、鐵、鉛之後，被廣泛使用的金屬。 10. tc4鈦合金怎樣熱處理提高其硬度
您好！鈦合金TC4材料的組成為Ti-6Al-4V，屬於(a+b)型鈦合金，具有良好的綜合力學機械性能。 與工業上如何提升鈦相關的資料
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