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工业上如何提升钛
发布时间：2023-03-15 23:30:511. 金属”，具有多种优良性能，工业上冶炼金属钛的反应
冶炼金属钛的反应原理：
工业上常用硫酸分解钛铁矿的方法制取二氧化钛，再由二氧化钛制取金属钛。浓硫酸处理磨碎的钛铁矿（精矿），发生下面的化学反应：
FeTiO3+3H2SO4 == Ti(SO4)2+FeSO4+3H2O
FeTiO3+2H2SO4 == TiOSO4+FeSO4+2H2O
FeO+H2SO4 == FeSO4+H2O
Fe2O3+3H2SO4 == Fe2(SO4)3+3H2O
为了除去杂质Fe2(SO4)3，加入铁屑，Fe3+ 还原为Fe2+，然后将溶液冷却至273K以下，使得FeSO4·7H2O（绿矾）作为副产品结晶析出。
Ti(SO4)2和TiOSO4水解析出白色的偏钛酸沉淀，反应是：
Ti(SO4)2+H2O == TiOSO4+H2SO4
TiOSO4+2H2O == H2TiO3+H2SO4
锻烧偏钛酸即制得二氧化钛：
H2TiO3 == TiO2+H2O
工业上制金属钛采用金属热还原法还原四氯化钛。将TiO2（或天然的金红石）和炭粉混合加热至1000～1100K，进行氯化处理，并使生成的TiCl4，蒸气冷凝。
TiO2+2C+2Cl2=TiCl4+2CO-
在1070K 用熔融的镁在氩气中还原TiCl4可得多孔的海绵钛：
TiCl4+2Mg=2MgCl2+Ti
2. 钛的冶炼方法
制取金属钛的原料主要为金红石，其中含TiO2大于96%。缺少金红石矿的国家，例如苏联，则采用钛铁矿制成的高钛渣，其中含TiO290%左右。因天然金红石涨价和储量日减，各国都趋向于用钛铁矿制成富钛料，即高钛渣和人造金红石。钛在1791年被发现，而第一次制得纯净的钛却是在1910年，中间经历了一百余年。原因在于：钛在高温下性质十分活泼，很易和氧、氮、碳等元素化合，要提炼出纯钛需要十分苛刻的条件。
工业上常用硫酸分解钛铁矿的方法制取二氧化钛，再由二氧化钛制取金属钛。浓硫酸处理磨碎的钛铁矿（精矿），发生下面的化学反应：
FeTiO3+3H2SO4 == Ti(SO4)2+FeSO4+3H2O
FeTiO3+2H2SO4 == TiOSO4+FeSO4+2H2O
FeO+H2SO4 == FeSO4+H2O
Fe2O3+3H2SO4 ==Fe2(SO4)3+3H2O
为了除去杂质Fe2(SO4)3，加入铁屑，Fe3+还原为Fe2+，然后将溶液冷却至273K以下，使得FeSO4·7H2O（绿矾）作为副产品结晶析出。
Ti(SO4)2和TiOSO4水解析出白色的偏钛酸沉淀，反应是：
Ti(SO4)2+H2O == TiOSO4+H2SO4
TiOSO4+2H2O == H2TiO3+H2SO4
锻烧偏钛酸即制得二氧化钛：
H2TiO3== TiO2+H2O
工业上制金属钛采用金属热还原法还原四氯化钛。将TiO2（或天然的金红石）和炭粉混合加热至1000～1100K，进行氯化处理，并使生成的TiCl4，蒸气冷凝。
TiO2+2C+2Cl2=TiCl4+2CO
在1070K 用熔融的镁在氩气中还原TiCl4可得多孔的海绵钛：
TiCl4+2Mg=2MgCl2+Ti
这种海绵钛经过粉碎、放入真空电弧炉里熔炼，最后制成各种钛材。
也可以通过反应：Ti+2CI2=TiCI4
得到的TiCI4经过高温（1250℃左右）情况下分解：
TiCI4=Ti+2CI2
由此得到纯钛棒。
钛及钛合金的特性、用途
纯钛是银白色的金属，它具有许多优良性能。钛的密度为4.54g/立方厘米，比钢轻43% ，比久负盛名的轻金属镁稍重一些。机械强度却与钢相差不多，比铝大两倍，比镁大五倍。钛耐高温，熔点1942K，比黄金高近1000K ，比钢高近500K。
钛属于化学性质比较活泼的金属。加热时能与O2、N2、H2、S和卤素等非金属作用。但在常温下，钛表面易生成一层极薄的致密的氧化物保护膜，可以抵抗强酸甚至王水的作用，表现出强的抗腐蚀性。因此，一般金属在酸、碱、盐的溶液中变得千疮百孔而钛却安然无恙。
液态钛几乎能溶解所有的金属，因此可以和多种金属形成合金。钛加入钢中制得的钛钢坚韧而富有弹性。钛与金属Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或金属间化合物。
钛合金制成飞机比其它金属制成同样重的飞机多载旅客100多人。制成的潜艇，既能抗海水腐蚀，又能抗深层压力，其下潜深度比不锈钢潜艇增加80%。同时，钛无磁性，不会被水雷发现，具有很好的反监护作用。
钛具有“亲生物”性。在人体内，能抵抗分泌物的腐蚀且无毒，对任何杀菌方法都适应。因此被广泛用于制医疗器械，制人造髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨，主动心瓣、骨骼固定夹。当新的肌肉纤维环包在这些“钛骨”上时，这些钛骨就开始维系着人体的正常活动。
钛在人体中分布广泛，正常人体中的含量为每70kg体重不超过15mg，其作用尚不清楚。但钛能刺激吞噬细胞，使免疫力增强这一作用已被证实。
钛的化合物及用途
重要的钛化合物有：二氧化钛（TiO2）、四氯化钛（TiCl4）、偏钛酸钡（BaTiO3）。
纯净的二氧化钛是白色粉末，是优良的白色颜料，商品名称“钛白”。它兼有铅白（PbCO3）的遮盖性能和锌白（ZnO）的持久性能。因此，人们常把钛白加在油漆中，制成高级白色油漆；在造纸工业中作为填充剂加在纸桨中；纺织工业
中作为人造纤维的消光剂；在玻璃、陶瓷、搪瓷工业上作为添加剂，改善其性能；在许多化学反应中用作催化剂。在化学工业日益发展的今天，二氧化钛及钛系化合物作为精细化工产品，有着很高的附加价值，前景十分诱人。
四氯化钛是一种无色液体；熔点250K、沸点409K，有刺激性气味。它在水中或潮湿的空气中都极易水解，冒出大量的白烟。
TiCl4+3H2O == H2TiO3+4HCl
因此TiCl4在军事上作为人造烟雾剂，犹其是用在海洋战争中。在农业上，人们用TiCl4形成的浓雾地面，减少夜间地面热量的散失，保护蔬菜和农作物不受严寒、霜冻的危害。
将TiO2和BaCO3一起熔融制得偏钛酸钡：
TiO2+BaCO3 == BaTiO3十CO2
人工制得的BaTiO3具有高的介电常数，由它制成的电容器有较大的容量，更重要的是BaTiO3具有显着的“压电性能”，其晶体受压会产生电流，一通电，又会改变形状。人们把它置于超声波中，它受压便产生电流，通过测量电流强弱可测出超声波强弱。几乎所有的超声波仪器中都要用到它。随着钛酸盐的开发利用，它愈来愈广泛地用来制造非线性元件、介质放大器、电子计算机记忆元件、微型电容器、电镀材料、航空材料、强磁、半导体材料、光学仪器、试剂等。
钛、钛合金及钛化合物的优良性能促使人类迫切需要它们。然而，生产成本之高，使应用受到限制。我们相信在不久的将来，随着钛的冶炼技术不断改进和提高，钛、钛合金及钛的化合物的应用将会得到更大的发展。
钛产品：
钛及钛合金是极其重要的轻质结构材料，在航空、航天、车辆工程、生物医学工程等领域具有非常重要的应用价值和广阔的应用前景。
类型：碘化钛，工业纯钛， α 型钛， β 型钛， α +β型钛
3. 钛合金在工业中的应用是怎么样的
钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛。合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：①稳定α相、提高相转变温度的元素为α稳定元素,有铝、碳、氧和氮等。其中铝是钛合金主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。②稳定β相、降低相变温度的元素为β稳定元素，又可分同晶型和共析型二种。前者有钼、铌、钒等；后者有铬、锰、铜、铁、硅等。③对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。 氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质。氧和氮在α相中有较大的溶解度,对钛合金有显着强化效果,但却使塑性下降。通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.15～0.2％和0.04～0.05％以下。氢在α相中溶解度很小,钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆。通常钛合金中氢含量控制在 0.015％以下。氢在钛中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。 钛合金具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好。另外，钛合金的工艺性能差，切削加工困难，在热加工中，非常容易吸收氢氧氮碳等杂质。还有抗磨性差，生产工艺复杂。钛的工业化生产是1948年开始的。航空工业发展的需要，使钛工业以平均每年约 8％的增长速度发展。目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨,钛合金牌号近30种。使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛（TA1、TA2和TA3）。 钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。60年代中期，钛及其合金已在一般工业中应用，用于制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金等。 中国于1956年开始钛和钛合金研究；60年代中期开始钛材的工业化生产并研制成TB2合金。 钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料，比重、强度和使用温度介于铝和钢之间，但比强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。钛合金在军用飞机中的用量迅速增加，达到飞机结构重量的20％～25％。70年代起，民用机开始大量使用钛合金，如波音747客机用钛量达3640公斤以上。马赫数小于 2.5的飞机用钛主要是为了代替钢，以减轻结构重量。又如，美国SR-71 高空高速侦察机(飞行马赫数为3，飞行高度26212米)，钛占飞机结构重量的93％，号称“全钛”飞机。当航空发动机的推重比从4～6提高到8～10，压气机出口温度相应地从200～300°C增加到500～600°C时，原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金，或用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片，以减轻结构重量。70年代，钛合金在航空发动机中的用量一般占结构总重量的20％～30％，主要用于制造压气机部件，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机机匣、中介机匣、轴承壳体等。航天器主要利用钛合金的高比强度，耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机 也都使用钛合金板材焊接件。4. 一道化工题！有关钛
提高浸出率的方法应该是增大酸(实际上是硫酸)的浓度,还有升高温度吧.
FeTiO3+3H2SO4 == Ti(SO4)2+FeSO4+3H2O
FeTiO3+2H2SO4 == TiOSO4+FeSO4+2H2O
副产物A是绿矾
Ti(SO4)2和TiOSO4水解析出白色的偏钛酸沉淀（即沉淀B)，反应是：
Ti(SO4)2+H2O == TiOSO4+H2SO4
TiOSO4+2H2O == H2TiO3+H2SO4
锻烧偏钛酸即制得二氧化钛：
H2TiO3 == TiO2+H2O(即反应1）
工业上制金属钛采用金属热还原法还原四氯化钛。将TiO2（或天然的手饥局金红石）和炭粉混合加热至1000～1100K，进行氯化处理肢芦，并使生成的TiCl4，蒸气冷凝。
TiO2＋2C＋2Cl2＝TiCl4＋2CO
然后在1070K 用熔融的镁在氩气中还原TiCl4可得多孔的海绵钛：
TiCl4＋2Mg＝2MgC12＋Ti
这种海绵钛经过毕让粉碎、放入真空电弧炉里熔炼，最后制成各种钛材。
5. B钛采用什么方法能让它变得柔软易于加工拉细变长
钛的热处理方法
一.钛的基本热处理:
工业纯钛是单相α 型组织，虽然在890℃以上有α-β 的多型体转变，但由于
相变特点决定了它的强化效应比较弱，所以不能用调质等热处和帆理提高工业纯钛的
机械强度。工业纯钛唯一的热处理就是退火。它的主要退火方法有三种：1 再结
晶退火 2 消应力退火 3 真空退火。前两种的目的都是消除应力和加工硬化效应，
以恢复塑性和成型能力。
工业纯钛在材料生产过程中加工硬度效应很大。图2-26 所示为经不同冷加
工后，TA2 屈服强度的升高，因此在钛材生产过程中，经冷、热加工后，为了恢
复塑性，得到稳定的细晶粒组织和均匀的机械性能，应进行再结晶退火。工业纯
钛的再结晶温度为550-650℃，因此再结晶退火温度应高于再结晶温度，但低于
α-β 相的转变温度。在650-700℃退火可获得最高的综合机械性能（因高于700℃
的退火将引起晶粒粗大，导致机械性能下降）。退火材料的冷加工硬化一般经
10-20 分钟退火就能消除。这种热处理一般在钛材生产单位进行。为了减少高温
热处理的气体污染并进一步脱除钛材在热加工过程中所吸收的氢气，目前一般钛
材生产厂家都要求真空气氛下的退火处理。
为了消除钛材在加工过程（如焊接、爆炸复合、制造过程中的轻度冷变形）
中的残余应力，应进行消应力热处理。
消应力退火一般不需要在真空或氩气气氛中进行，只要保持炉内气氛为微氧
化性即可。
二.钛及钛合金的热处理:
为了便于进行机械工业加并得到具有一定性能的钛和钛合金，以满足各种
产品对材料性能的要求，需要对钛及钛合金进行热处理。
1．唤闹雹工业纯钛（TA1、TA2、TA3）的热处理
α-钛合金从高温冷却到室温时，金相组织几乎全是α 相，不能起强化作用，
因此，目前对α-钛只需要进行消应力退火、再结晶退火和真空退火处理。前
两种是在微氧化炉中进行，而后者则应在真空炉中进行。
（一）消应力退火
为了消除钛和钛合金在熔铸、冷加工、机械加工及焊接等工艺过程中所产生
的内应力，以便于以后加工，并避免在使用过程中由于内应力存在而引起开裂破
坏，对α-钛应进行消除应力退火处理。消除应力退火温度不能过高、过低，因为
过高引起晶粒粗化，产生不必要的相变而影响机械性能，过低又会使应力得不到
消除，所以，一般是选在再结晶温度以下。对于工业纯钛来说，消除应力退火的
加热温度为500-600℃。加热时间应根据工件的厚度及保温时间来确定。为了提
高经济效果并防止不必要的氧化，应选择能消除大部分内应力的最短时间。工业
纯钛消除应力退火的保温时间为15-60 分钟，冷却方式一般采用空冷。
（二）再结晶退火（完全退火）
α-钛大部分在退火状态下使用，退火可降低强度、提高塑性，得到较好的综
合性能。为了尽可能减少在热处理过程中气体对钛材表面污染，热处理温度尽可
能选得低些。工业纯钛的退火温度高于再结晶温度，但低于α 向β 相转变的温度
120-200℃，这时所得到的是细晶粒组织。加热时间视工件厚度而定，冷却方式
一般采用空冷。对于工业纯钛来说，再结晶退火的加热温度为680-700℃，保温
时间为30-120 分钟。规范的选取要根据实际情况来定，通常加热温度高时，保
温时间要短些。
需要指出的是，退火温度高于700℃时，而且保温时间长时，将引起晶粒粗
化，导致机械性能下降，同时，晶粒一旦粗化，用现有的任何热处理方法都难以
使之细化。为了避免晶粒粗化，可采取下列两种措施：
1）尽可能将退火温度选在700℃以下。
2） 退火温度如果在700℃以上时，保温时间尽可能短些，但在一般情况下，
每mm 厚度不得少于3 分钟，对于所有工件来讲，不能小于15 分钟。
（三）真空退火
钛中的氢虽无强化作用，但危害性很大，能引起氢脆。氢在α-钛中的溶解
度很小，主要呈TiH2 化合物状态存在，而TiH2 只在300℃以下才稳定。如将α-
钛在真空中进行加热，就能将氢降低至0.1%以下。当钛中含氢量过多时需要除
氢，为了除氢或防止氧化，必须进行真空退火。真空退火的加弯祥热温度与保温时间，
与再结晶退火基本相同。冷却方式为在炉中缓冷却到适当的温度，然后才能开炉，
真空度不能低于5×10-4mmHg。
二．TC4（Ti-6Al-4V）的热处理
在钛合金中，TC4 是应用比较广泛的一种钛合金，通常它是在退火状态下
使用。对TC4 可进行消除应力退火、再结晶退火和固溶时效处理，退火后的组织
是α 和β 两相共存，但β 相含量较少，约占有10%。TC4 再结晶温度为750℃。
再结晶退火温度一般选在再结晶温度以上80~100℃（但在实际应用中，可视具
体情况而定，如表5-26），再结晶退火后TC4 的组织是等轴α 相+β 相，综合性
能良好。但对TC4 的退火处理只是一种相稳定化处理，为了充分民掘其优良性
能的潜力，则应进行强化处理。TC4 合金的α+β/β 相转变温度为980~990℃，固
溶处理温度一般选在α+β/β 转变温度以下40~100℃（视具体情况而定，如表5-26
所示），因为在β 相区固溶处理所得到的粗大魏氏体组织虽具有持久强度高和断
裂韧性高的优点，但拉伸塑性和疲劳强度均很低，而在α+β 相区固溶处理则无此
缺点。
规 范
类 型
温 度（℃） 时间（min） 冷 却 方 式
消除应力退火 550~650 30~240 空 冷
再结晶退火 750~800 60~120 空冷或随炉冷却至590℃后空冷
真空退火 790~815
固溶处理 850~950 30~60 水 淬
时效处理 480~560 4~8h 空 冷
时效处理是将固溶处理后的TC4 加热到中等温度，保持一定时间，随后空冷。
时效处理的目的是消除固溶处理所产生的对综合性能不利的α’相。固溶处理所产
生的淬火马氏体α’，在时效过程中发生迅速分解（相变相当复杂），使强度升高，
对此有两种看法：
1。认为由于α’分解出α+β，分解产物的弥散强化作用使TC4 强度升高。
2.认为在时效过程中，β 相分解形成ω 相，造成TC4 强化。
随着时效的进行，强度降低，对此现象也有两种不同的观点：
1．β 相的聚集使强度降低（与上述1 对应）。
2．ω 相的分解为一软化过程（与上述2 对应）。
时效温度和时间的选择要以获得最好的综合性能为准。在推荐的固溶及时效
范围内，最好通过时效硬化曲线来确定最佳工艺（如图5-28 所示。此曲线为TC4
经850℃固溶处理后，在不同温度下的时效硬化曲线）。低温时效（480-560℃）
要比大于700℃的高温时效好。因为在高温时的拉伸强度、持久和蠕变强度、断
裂韧性以及缺口拉伸性能等各方面，低温时效都比高温时效的好。
经固溶处理的TC4 综合性能比750-800℃ 退火处理后的综合性能要好。
需要指出的是，TC4 合金的加工态原始组织对热处理后的显微组织和力学性
能有较大的影响。对于高于相变温度，经过不同变形而形成的网兰状组织来说，
是不能被热处理所改变，在750~800℃退火后，基本保持原来的组织状态；对于
在相变温度以下进行加工而得到的α 及β 相组织，在750-800℃退火后，则能得
到等轴初生α相及转变的β相。前者的拉伸延性和断面收缩率都较后者低；但耐
高温性能和断裂韧性、抗热盐应力腐蚀都较高。
四．Ti-32Mo-2.5Nb 的热处理
Ti-32Mo-2.5Nb 是稳定β 型单相固溶合金，只需进行消除应力退火处理，
退火温度为750~800℃，保温一小时，冷却方式采用空冷、炉冷均可。
五．热处理中的几个问题
（一）污染问题
钛有极高的化学活性，几乎能与所有的元素作用。在室温下能与空气中的氧
起反应，生成一层极薄的氧化膜，氧化速率很小。但在高的温度下，除了氧化速
率加快并向金属晶格内扩散外，钛还与空气中的氢、氮、碳等起激烈的反应，也
能与气体化合物CO、CO2、H2O、NH4 及许多挥发性有机物反应。热处理金属元
素与工件表面的钛发生反应，使钛表面的化学成分发生变化，其中一些间隙元素
还能透过金属点阵，形成间隙固溶体。况且除氢以外，其他元素与钛的反应是不
可逆的。即使是氢，也不允许在最终热处理后，进行高温去除。间隙元素不仅影
响钛和钛合金的力学性能，而且还影响α+β/β 转变温度和一些相变过程，因此，
对于间隙元素，尤其是气体杂质元素对钛和钛合金的污染问题，在热处理中必须
引起重视。
（二）加热炉的选择
为在加热过程中防止污染，必须对不同要求的工件采取不同的措施。若在最
后经磨削或其他机械加工能将工件表面的污染层去除时，可在任何类型的加热炉
中进行加热，炉内气氛呈中性或微氧化性。为防止吸氢，炉内应绝对避免呈还原
性气氛。当工件的最后加工工序为热处理时，一定要采用真空炉（真空度要求在
1×10-4mmHg）或氩气气氛（氩气纯度在99.99%以上并且干燥）的加热炉中进行
加热。热处理完毕后，必要时用30%的硝酸加3%的氢氟酸其余为水，在50℃温
度下对工件进行酸洗，或轻微磨削，以除去表面污染层。
（四）加热方法
在热处理进行以前，首先要对加热炉炉膛进行清理，炉内不应有其他金属或
氧化皮；对于工件，则要求表面没有油污、水和氧化皮。
用真空炉对钛工件进行加热是防止污染的一种有效方法，但由于目前条件所
限，许多工厂还是采用一般加热炉。在一般加热炉中加热，根据需求的不同采用
不同的措施防止污染，比如：
1．根据工件的大小，可装在封闭的低碳钢容器中，抽真空后进行加热。若无真
空泵可通入惰性气体（氩气或氦气）进行保护，保护气体要多次反复通入、
排出，把空气完全排净。
2．使用涂层也是热处理中保护钛免遭污染的措施之一，在国外已取得一定的经
验。国内一些工厂也在采用高温漆和玻璃涂料作涂层。有人认为，目前对钛
所用的各种保护涂层，只能减少污染的深度，并不能完全免除污染。对每种
热处理，必须考虑允许的污染深度，选择合适有效的涂层，其中也包括热处
理后的剥离。
3．若用火焰加热，在加热过程中切忌火焰直接喷射在钛工件上，煤气火焰是钛
吸氢的主要根源之一。而用燃油加热，如若不慎将会引起钛工件过分氧化或
增碳。
（五） 冷却
钛和钛合金热处理的冷却方式主要是空冷或炉冷，也有采用油冷或风扇冷却
的。淬火介质可用低粘度油或含3%NaOH 的水溶液，但通常使用最广泛的淬火
介质是水。
只要能满足钛和钛合金对冷却速度的要求。一般钢的热处理所采用的冷却装
置对钛都适用。
6. 工业上生产金属钛的方法很多。以钛铁矿（主要成分FeTiO 3 ，钛酸亚铁）为主要原料冶炼金属钛，生产的工艺
| （1）非氧化还原反应 （2分） （2）Fe （2分） 绿矾硫酸（各1分）
（3）防止高温下Mg（Ti）与空气中的氧气（或CO 2 、N 2 ）作用）（2分） （4）① 该反应的△S＞0（熵增）（2分） ②－393.6 kJ／mol（2分，单位1分） （5）① 2O 2- - 4e - = O 2 ↑（同时写出C + O 2 = CO 2 不扣分） 或 C + 2O 2- - 4e - = CO 2 ↑（2分） ②制备TiO 2 时，在电解槽发生如下反应：2CaO Ti + 2CaO，由此可见，CaO的量不变。（4分）
7. 钛合金生产制造新方法——增材制造 增材制造技术的快速发展，为钛合金的生产制造提供了新的方法，激光/电子束、熔焊和固态焊三种增材制造方法在钛合金生产中得到了国内学者的广泛研究。研究表明，钛合金采用增材技术可得到高质量零件，但不同增材技术具有不同技术特征，实际应用及未来发展中需要根据实际需求采用不同的增材方法。
1.序言 钛及钛合金因具有密度小、耐高温、耐腐蚀等优异的物理性能及化学性能，在各工业领域都具有广阔的孝仿应用前景，包括船舶制造、航天航空、汽车制造等圆神，同时它也是国防工业的重要材料之一。钛合金的应用对工业发展起到巨大的推动作用，优于传统材料的性能使其产品质量有了很大提升，满足了工业发展对新材料、新工艺的发展要求，加速了现代工业的发展。随着钛生产力的不断改善，钛合金已经成为工业生产中的第三金属。 增材制造（Additive Manufacturing，AM）又称“3D打印”，是一种可以实现构件的无模成形的数字化制造技术，具有设计和制造一体化、加工精度高、周期短，产品物理化学性能优异等特点。增材制造技术从20世纪70年代以来发展迅速，因其与传统制造技术具有巨大差异，已然成为工业领域的研究热点，在现代工业的多领域都得到了快速发展。 增材制造技术的迅速发展，理论上可以实现任何单一或多金属复合结构，为复杂结构件的制造提供了新方法。钛合金的增材制造技术，解决了精密结构件的加工难题，进一步加大了钛合金的应用范围。伴随着工业社会的迅速发展，钛合金增材制造技术日新月异，按照增材制造技术的热源不同，可将钛合金增材制造技术分为激光/电子束增材制造、熔焊增材制造和固态焊增材制造三种方式。国内外的专家学者通过不同的增材制造技术手段，优化工艺方法，稳定增材制造过程，减少或避免增材制造结构缺陷产生，使钛合金增材制造技术朝着绿色、高效、稳定的方向继续发展。 2. 激光/电子束增材制造 激光束和电子束作为高密度束源，能量密度高并可调控，被誉为21世纪最先进的制造技术。目前激光/电子束增材制造主要分为激光金属沉积（Laser Mental Deposition，LMD）技术、激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）技术、电子束熔丝沉积（Electron Beam Free Form Fabrication，EBF3）技术、电子束选区熔化（Electron BeamMelting，EBM）技术，在钛合金增材制造领域皆有广泛研究。 2.1 激光金属沉积（LMD） Mahamood等人采用LMD技术进行了Ti6Al4V/TiC 的功能梯度材料（Functionally gradedmaterials，FGM）研究，根据早期经验模型进行工艺优化，获得优化后的功能梯度材料，对其组织、显微硬度、耐磨性进行表征。研究结果表明，采用优化后工艺参数制造的功能梯度材料拥有更高的性能，硬度是基体硬度的4倍，高达1200HV。Silze等人利用新型半导体激光器采用LMD技术进行Ti6Al4V的增材制造试验研究，LMD装置是由6个200W半导体激光头圆形环绕在进给枪上（见图1），激光束直径0.9mm，可以实现方向独立的焊接工艺过程，显微结构无缺陷。研究结果表明，随着层间停留时间的延长，冷却时间增加，晶粒厚度降低，有助于提高橘慎亏材料的力学性能，采用LMD技术增材制造均能满足锻造Ti6Al4V所规定的最低屈服强度和抗拉强度要求。
Heigel等人采用原位温度、应力实时测量与热机模型结合有限元热-应力顺序耦合模型的方式，研究了Ti6Al4V激光沉积增材制造过程中的热、力演化过程，结果发现残余应力最大力出现在增材层的中心下方，向两侧方向应力减小，随着停留时间增加，层间温度差变大，残余应力增大。左士刚利用TA15钛合金球形粉末采用激光沉积技术进行了TC17钛合金增材修复制造过程研究，研究了修复件组织特性与力学性能影响规律。结果表明，采用激光沉积技术增材修复后的TA15/TC17修复件无焊接缺陷，修复件抗拉强度为1029MPa，采用退火处理后，力学性能明显增强，抗拉强度基本可达TC17锻件标准，伸长率优于标准。 综上所述，对于钛合金的LMD技术增材制造相对较为稳定，增材件力学性能基本满足锻件最低标准，对于某些特定需求钛合金则要进行增材制造后热处理的方式达到使用要求。 2.2 激光选区熔化（SLM） 唐思熠等人采用SLM技术制备Ti6Al4V钛合金试样（见图2），并对微观组织、力学性能和致密化行为进行了分析研究。结果发现，激光功率从360W增加到400W时，致密度提高明显；在400W后继续增加功率，致密度受激光扫描速度的影响较大，最优工艺参数下的试样质量远高于锻件标准。 Polozov等人采用SLM技术进行增材制造Ti-5Al、Ti-6Al-7Nb和Ti-22Al-25Nb块状合金，对Ti-Al-Nb系统进行退火处理，对试样进行系统表征研究。结果发现，Ti-5Al可以采用SLM增材制造成钛合金，Ti-6Al-7Nb和Ti-22Al-25Nb则需要在1350℃下热处理才能完全溶解Nb颗粒，但是此时样品氧含量较高，力学性能降低。
Fan等人研究了SLM技术增材制造Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo（Ti-6242）钛合金在标准时效（595℃/8h）下的显微组织稳定性。研究结果发现，随着激光扫描速度的提高，相对密度增加到99.5%后急剧下降到大约95.7%，时效老化处理的Ti-6242相对刚制成的Ti-6242抗拉强度从1437MPa提升至1510MPa，延展性从5%降低到1.4%，同时硬度也从410HV增加到450HV，β相颗粒的沉淀硬化作用是产生这种变化的重要原因。
Ren等人采用SLM技术增材制造进行了Ti-Ni形状记忆合金组织性能的研究工作，制备等原子Ti50Ni50（质量分数）样品，结果发现，在激光功率为40J/mm3，扫描速度为1000mm/s下可制造几乎完全致密试样，不同扫描速度对相组成、相变温度和维氏硬度的影响作用有限，与传统铸件相比，SLM技术增材制造件拥有较高的真空压缩和断裂强度。 综上所述，对于Ti6Al4V的SLM技术增材制造相对较容易实现，对于钛与其他元素合金的SLM技术增材制造还需要做进一步地研究，需要进行预热或者其他热处理手段和进行氧含量的控制手段来增强其他钛合金SLM技术增材制造的力学性能，获得高质量的研究试样。 2.3 电子束熔丝沉积（EBF3） 靳文颖研究了TC4钛合金的电子束熔丝沉积增材修复技术，进行了普通TC4焊丝和自制TC4EH焊丝的增材修复性能对比。研究发现，采用自制TC4EH焊丝的抗拉强度（905.23MPa）明显高于TC4普通焊丝（809.04MPa），硬度和冲击韧度同样较高，伸长率可达原材料的90%以上，具有优良的力学性能。 Chen等人进行了电子束熔丝沉积Ti6Al4V变形控制研究（见图3），电子束以100~150mA之间的扫描电流和低于100mm/s的速度工作，则可以形成薄壁件，扫描形式对残余应力分布影响不大，单向扫描变形更大，收缩变形在往返扫描情况下较为明显，并且与电流变化成正比关系，同时，发现基板底部恒定温度约束下，变形得到改善。
Yan等人研究了电子束熔丝沉积Ti6Al4V加强筋的残余应力与变形，研究发现，两个加强筋都对板产生不利的变形，纵向轨道比横向轨道引起板更大的变形，加强筋的沉积轨迹对变形有很大影响，最大位移发生在与纵向轨道相关的加强筋的内底边缘，高残余应力区域主要集中在加强筋的根部。 综上所述，对于钛合金的电子束熔丝沉积增材制造的研究相对较少，主要偏向借助有限元分析软件的变形控制等领域。分析认为，电子束熔丝沉积增材制造可以克服传统的钛合金加工方式的弊端，借助有限元分析软件更为实际应用过程中提供了基础理论的指导。 2.4 电子束选区熔化（EBM） Murr等人采用EBM增材制造的方法制备多孔泡沫Ti6Al4V，研究了刚度与密度之间的关系。结果发现泡沫具有实心孔和中空孔结构，与实心、紧密的EBM制造件相比，中空孔结构的强度与硬度成正比，强度高出40%，并且刚度与孔隙率成反比，采用EBM增材制造的泡沫材料在生物医学、航空航天等领域的应用具有巨大潜力。 许飞等人采用电子束选区熔化技术对制备的TC4钛合金开展了大功率高速光纤激光焊接试验研究。结果表明，受EBM技术增材制造TC4的晶粒尺寸差异的影响，激光焊接试验熔合区靠近上下表面的β柱状晶组织相对细小。焊缝区显微硬度高于增材区硬度，且顶部硬度较高。 Seifi等人研究利用EBM增材制造Ti-48Al-2Cr-2Nb的组织性能研究，结果发现，所沉积的材料强度和硬度值超过了常规铸造Ti-Al所获得的强度和硬度值，这与目前测试的增材材料中存在更精细的微观结构相一致。 Surmeneva等人研究了采用EBM技术增材Ti–10%Nb（质量分数，下同）的组织性能研究。结果发现，通过EBM技术元素Nb和Ti的粉末混合物中原位生产Ti-10%Nb合金，最大的Nb颗粒保留在EBM制造的样品中，并且Nb仅部分扩散到Ti中，如图4所示，应该对EBM工艺的参数优化进行更多的研究，以实现更均匀的合金显微组织。
综上所述，对于Ti6Al4V的EBM研究相对较为广泛，发现对于Ti-Nb合金的EBM技术增材制造仍难很好地解决Nb颗粒的扩散问题，会导致显微组织不均匀，因此对于Ti-xNb合金的增材制造还需要更多的工艺优化试验进行材料性能的提升。 3.熔焊增材制造 与其他增材制造方式相比，熔焊增材制造操作性更强，成本更低，但结构可靠性相对较低。熔焊增材制造一般采用焊丝增材制造，但是由于基材和初始沉积层之间的热梯度大，以及辐射和对流热损失，会在制造的部件底部观察到细晶粒结构。由于较低的热梯度，传热速率较低，这阻碍了在增材过程的中间层形成细晶粒结构，而只在制造部件的中间形成长的柱状晶粒。 3.1 CMT电弧增材制造 李雷等人采用CMT电弧增材TC4薄壁结构，研究其增材层组织性能。结果发现，由于增材过程热循环的反复作用，原始β柱状晶晶界、水平层带条纹、马氏体组织和网篮组织等形态出现在增材层中，由于时效作用，对中下部区域产生强化作用，造成上部增材层显微硬度略低于中下部显微硬度（见图5）。
陈伟进行了CMT电弧增材TC4的微观组织及力学性能研究。结果发现，在设定送丝速度为3.0m/min、焊接速度为0.48m/min的参数下，原始β晶粒剖面面积最小，CMT电弧增材制造TC4钛合金在870℃，1h/固溶炉冷（FC）+600℃、2h/固溶空冷（AC）下热处理，获得的各区域微观组织较均匀，固溶处理后的材料塑性较高。 3.2 等离子弧增材制造 Lin等人采用PAW增材制造Ti6Al4V，在微观结构和显微硬度方面进行了研究。结果发现，先前的β柱状晶粒的外延生长受到脉冲扰动的抑制，这导致形成了具有接近等轴晶粒的柱状晶粒，在沉积早期，由于热循环不足，显微硬度较低，在后续沉积中，硬度升高，在沉积层的顶部，不受连续热循环的影响，导致第二相的体积减小，硬度值降低。 马照伟进行了旁路热丝等离子弧增材制造钛合金的组织性能研究（见图6）。结果发现，钛合金增材构件的横向抗拉强度为977MPa，强度与TC4母材的抗拉强度相当，断裂位置在增材直壁结构尾部区域，这是由于横向焊缝为连续熔化-凝固而来，焊缝中的缺陷和杂质较少，使得横向焊缝具有良好强度性能的钛合金增材构件的竖向抗拉强度为 936MPa，断裂位置在增材直壁结构上部区域，性能较横向焊缝稍差。靠近母材的热影响区硬度相对较低，出现了小范围的软化区，整体的竖向硬度差别并不明显。
3.3 复合电弧增材制造 Pardal等人进行了激光和CMT复合焊接增材制造Ti6Al4V的结构件稳定性研究。结果发现，激光可用于稳定焊接过程，减少焊接飞溅，改善电弧漂移的情况，改善单层和多层沉积的焊缝形状，并将Ti6Al4V增材制造的沉积速率从1.7kg/h提高到2.0kg/h。 综上所述，对于熔焊增材制造钛合金主要集中在TC4的研究中，多采用CMT、等离子等高效熔丝工艺方式，同时采用其他热源辅助焊接的方式稳定焊接过程，进行钛合金的增材制造。分析认为，对于熔焊钛合金增材制造的发展方向应开拓研究制备钛合金功能性材料，便于多领域全方位的应用推广，复合热源的增材方式或其他可控热输入的稳定 增材方式会成为熔焊增材的热门研究方向。 4.固态焊增材制造 4.1 搅拌摩擦增材制造（FSAM） 搅拌摩擦增材制造是一种从搅拌摩擦焊接技术发展而来的固相增材技术，原理如图7所示。增材效率高、成本低；在增材过程中没有金属的熔化和凝固，可以避免熔池带来的冶金缺陷问题，同时搅拌摩擦过程中塑性变形还可以起到晶粒细化的作用，获得低成本、高质量增材产品。
张昭等人基于Abaqus生死单元法和移动热源法建立两种搅拌摩擦增材制造Ti6Al4V有限元模型，研究搅拌摩擦增材的温度分布和晶粒生长情况。研究结果发现，横向增材峰值温度大于纵向增材峰值温度，在搅拌区冷却及增材累积过程晶粒粗化，并且由β相转变为α相，由于不同热循环次数的影响，低层搅拌区晶粒尺寸较大，高层搅拌区晶粒尺寸较小。 4.2 超声波增材制造（UAM） 超声波增材制造（UAM）是一种新的快速成形工艺，用于在室温或接近室温的条件下制造金属基复合材料。较低的加工温度使复合材料能够通过利用嵌入在基体中的高度预应变的形状记忆合金（SMA）纤维产生的回复应力。 Hahnlen等人利用UAM技术制造NiTi-Al复合结构界面强度研究，纤维-基体界面的强度是UAM复合材料的限制因素。结果发现，平均界面剪切强度为7.28MPa，纤维与界面结合方式是机械键合，未发生化学键合或冶金键合方式。
为提高碳纤维增强材料（CFRP）的承重能力，使其能在航空航天和汽车工业上进一步推广应用，James等人进行了CFRP/Ti的超声波增材制造中剪切破坏强度的研究，研究结果发现，采用UAM技术可以实现CFRP/Ti的结构制造，超声波能量和表面粗糙度都对UAM制成结构的剪切强度产生积极影响，在焊接前增加界面的表面粗糙度有助于增加最终焊缝的剪切破坏负荷。 综上所述，关于超声波增材制造钛合金的研究较少，主要进行的是金属基复合材料的研究，以增强复合材料的特定性能满足实际生产应用，分析认为，在未来研究中，应侧重于提升复合材料的力学性能研究方向。 5 结束语 随着现代工业的迅速发展，轻量化的设计成为结构件的发展方向，对结构件的性能和质量要求变的越来越严格，钛合金增材制造技术的迅速发展，可以进一步扩大钛合金结构件的应用范围，提高钛合金增材件的性能，增强结构稳定性。综合国内外所研究的钛合金增材制造技术和现代工业的发展方向，未来钛合金增材制造技术注定将朝着绿色、经济、稳定、快速的方向发展。 1）从绿色发展方向来看，搅拌摩擦增材制造起步阶段较晚，还处于试验研究阶段，未来进行多金属材料的复合结构增材制造，实现特定结构的特种性能，将是该技术的一个研究方向。 2）对于经济、稳定的发展方向，则需要进行电弧增材的稳定性过程探索，尤其是新型复合电弧增材制造的稳定性研究。 3）对于快速性的发展方向，目前阶段激光/电子束增材制造工艺相对较为成熟，应继续探究激光增材制造的经济适用性，从实际生产中的装配精度到生产制造中的工艺优化过程，进而降低生产成本，为钛合金增材制造结构件大面积的生产应用打下基础。 8. 为什么钛比铝贵十几倍呢钛是如何提炼的呢 钛作为航空产业上的重要材料，由于它的开采和提炼需要耗时长达半年之久，且制程复杂，所以它的价格要比铝贵上十几倍。
第三、注定现在就要把钛金属块变成可用的金属形态，先将钛金属块放进熔炉里加热至1168摄氏度，太在这个温度下具有可塑性，利用家前将其取出，然后送入这台巨大的机械压制机，压制机用几千吨的压力缓慢精细的压缩金属块。在几个小时的集中压缩后，太保版的成品逐渐形成，最后经过进一步加热、切割以及抛光，太薄版就制作完成了。这些薄板会被运送到世界各地的飞机制造厂，用来制造飞机上的主要零件，包括喷射发动机、起落架以及飞机结构。 9. 钛在工业生产中有什么作用 钛的外观很像钢铁，也呈银灰色。和钢铁相比，两者的硬度相似，而钛的重量却只有同体积钢铁的一半，熔点也比钢铁高，要到1668℃才熔化，比号称不怕火的黄金的熔点还要高600℃。与铝相比，钛只比铝稍重一点，但比铝的硬度大2倍。在常温下钛性质很稳定，以致在强酸、强碱的溶液里，也不会被腐蚀。钛合金不仅强度高，而且耐高温和低温的性能也很好。由于钛具有以上许多优异的性能，已成为有色金属中备受青睐的“后起之秀”。随着科技的发展，在提高冶炼技术和降低成本的前提下，在不久的将来，钛将成为继铜、铁、铅之后，被广泛使用的金属。 10. tc4钛合金怎样热处理提高其硬度
您好！钛合金TC4材料的组成为Ti-6Al-4V，属于(a+b)型钛合金，具有良好的综合力学机械性能。 与工业上如何提升钛相关的资料
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