PDF《钛金相制备》

应用说明 钛是一种较新型的金属,生产成本 较高,但是钛和钛合金因拥有较高 的强度重量比、优秀的耐腐蚀性和 耐热性等多种出众特性而成为广 泛使用的工程材料.

钛对多种化学 物质均具有卓越的耐腐蚀性.它对 氧具有较强的亲和性,故表面可形 成一层薄且致密稳定的氧化物保护 层,有效防止早期腐蚀.另外,钛 及钛合金能在高温状态下保持较高 的强度重量比,使之成为众多关键 应用领域的理想选择.钛和钛合金 被广泛用于航空航天、飞机、化工 和医药等行业,高度的安全性是这 些行业的基本要求.因此,钛生产 过程的质量控制显得极为重要. 钛金相制备 焊管上热影响区域呈马氏体结构蚀刻剂: Weck试剂,1000* 图2 DIC,

50 x 切割:钛在切割过程中极易发生过 热并产生大毛刺: 金相制备过程中面临的难题 解决方案: 使用钛专用切割轮.采用化 学机械抛光法.采用电解抛 光法. 图1 研磨与抛光:钛的塑性使其极易变形和产生划 痕: 钛的生产分三个步骤: 1.第一步为海绵钛的生产,包括金红 石(TiO2)的氯化处理.氯气和焦 炭与金红石混合并反应,形成四氯 化钛.通过蒸馏净化后,用镁还原 为海绵钛和氯化镁. 2.然后,海绵钛被粉碎成颗粒状粉 末,在真空电弧还原炉中与钒、 铝、钼、锡和锆等废金属料和/或合 金金属混合后生产出钛锭. 3.这些钛锭经过头熔后成为二熔中的 自耗电极.这一工艺被称为 二次 自耗电极真空熔炼法 .如需获得 极高纯度、洁净度和同质性的钛, 还可进行三熔. 在第一步工序中,可将15公吨的圆 柱形铸锭或10公吨的正方形铸锭 热轧成普通成品,如小型坯锭、板坯、棒材和板材.由于铸锭的内在 显微组织结构较为粗大,所以对裂 缝较为敏感,在热轧作业中应对温 度和工艺严格控制. 钛制品包括用于航空航天的锻压件 以及板坯、棒材及其他可进一步加 工成棒材、线材、板材的原料.图 3所示为滚轧钛条上的一个缺陷, 轧制时灰色氧化物被轧入钛条表面 内. 第二步工序可将轧制品制成各种零 件,该工序由模锻、挤压、热成型 和冷成型等各种制造工艺组成.钛 的热成型不仅是一个成形过程,还 是一种产生和控制显微组织结构的 方法.钛的高强度/低密度使其成为 航空航天工业中一种非常重要的材 料.钛在燃气涡轮发动机中的主要 应用包括:压缩机环、压缩机盘、 隔离壳体、隔离管道和隔离罩.建 造飞机机身构架时,钛合金主要用 来生产起落架部件、发动机架以及 外机身的控制装置部件、外机身板 和紧固件.钛金属极高的耐腐蚀性 和生物适应性使之成为化工、医药 和食品行业以及海洋研究与开发领 域的理想材料. 钛金属的钝态氧化膜使其对盐溶 液、硝酸溶液、海水、体液、水果 和蔬菜汁等具有较高的耐腐蚀性. 典型产品包括反应釜、热交换器、 阀门、泵以及植入物、人造骨、人 造心脏泵和人工心瓣膜部件等假肢 器官装置.这些产品中使用最多的 合金是Ti-6Al-4V.轻便加上美观的 设计使钛成为珠宝、高尔夫球棒、 眼镜、自行车和手表等高档消费品 的首选材料.钛还可用于建筑物的 外观装饰(图4). 图6:带CaP涂层的髋关节 图5:骨板和螺钉,通过 电化学氧化来进行彩色 编号.颜色不同是因为 氧化物厚度不同造成的 图3:轧入钛条表面的灰色氧化物 钛的生产与应用 图4: 西雅图音乐体验馆(Experience Music Project)入口 钛制备中面临的难题 钛金属塑性高,切割、研磨和抛光难 度较大,这是对钛金属进行显微观察 的金相制备面临的主要难题.以下推 荐的方案给出了克服钛金属此难题的 具体建议. 钛及钛合金制备推荐方案 切割:由于钛金属塑性高,机加工或 切割时会产生长条形切屑,显著降 低了普通氧化铝切割轮的金相切割 效率.钛金属极易发生热损伤(见图1),因此司特尔针对钛金属切割 开发了碳化硅切割砂轮(90EXO和40TRE). 切割钛时会产生一种特殊气味的烟, 进行大块或大量切割时尤为 明显.在这种情况下,建议 在切割机上接装排烟装置. 镶样:初级生产控制实验室 主要检验钛锭、钛坯和板 坯,大型钛试样金相处理时不镶样. 对于线材或紧固件等需要镶样的小 型零件,建议采用酚醛树脂(Multi- Fast)热压镶样法或慢干环氧树脂 (EpoFix)冷镶法. 最后第三步是用胶态氧化硅(OP- S)和过氧化氢(30%)的混合物 进行化学机械抛光.浓度在10%至30%之间不等.与其他某些胶态氧 化硅不同的是,OP-S无需转化为 凝胶状稠度,专为适应各种化学添 加剂而开发,因此非常适于钛金属 的抛光.化学机械抛光过程中过氧 化氢与钛金属的反应产物随着氧化 硅悬浮液不断地从试样表面去除, 避免了表面的机械变形.一些相关 参考资料还提到可使用硝酸和氢氟 酸混合物对钛进行化学机械抛光. 这些试剂虽然可加快抛光速度,但 由于它们的腐蚀性高于过氧化氢, 用于抛光时必须采取正确的预防措 施,故司特尔不推荐使用这些试 剂.用过氧化氢作业时,建议戴橡 胶手套. 步骤 PG FG