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工业纯钛介绍

      工业纯钛

      commercially pure titanium

      工业纯钛是按照杂质元素的含量划分等级的。它具有优良的冲压工艺性能和焊接性能，对热处理及组织类型不敏感，在令人满意的塑性条件下具有一定的强度。它的强度主要取决于间隙元素氧、氮的含量。它在海水中具有高的抗腐蚀性能，但在无机酸中较差。一般用于制造在-253～350℃温度下工作的、受力不大的各种板材零件或锻件，也可制造铆钉线材和管材。

成分及特性

      钛 Ti

      含一定量的氧、氮、碳、硅、铁及其他元素杂质的α相钛。钛含量不低于98%、含有少量氧、氮、氢、碳、硅和铁等杂质的致密金属钛。氧、氮、碳、氢和硅属于间隙杂质元素，铁属于替代式β稳定元素。氧、氮、碳都能提高钛的室温抗拉强度，同时也会降低钛的塑性，因此钛中氧、氮、碳的含量都有比较严格的限制，特别是氧含量。氢在钛中的溶解度很小，氢与钛的反应是可逆的。氢对钛性能的主要影响表现为“氢脆”，当钛中氢含量达到一定量后，将会大大提高钛对缺口的敏感性，从而急剧地降低缺口试样的冲击韧性等性能。通常规定钛中氢含量不得超过0.015%。钛是现代宇宙航空科学，海洋科学和核能发电等尖端科学工业所不可缺少的材料。钛比一般金属轻48%，且韧性强，耐酸碱性、抗腐蚀、稳定性高，高强度，良好弹性等优点，符合人体工程系，钛对人体无毒，无任何辐射。

牌号

      工业纯钛的典型牌号有：美国ASTM的Gr-1、Gr-2、Gr-3、Gr-4；日本JIS的classl、2、3；英国IMI的115、125、130、155、160；德国DIN的3.7025、3.7035、3.7055、3.7065。中国工业纯钛的材料牌号有变形工业纯钛TA1、TA2、TA3；铸造工业纯钛ZTAl、ZTA2、ZTA3。

加工

      工业纯钛一般应经过两次真空(其中至少一次是在真空白耗电极电弧炉中)熔炼，其铸件通常是在真空壳式炉中进行生产。工业纯钛既可承受热加工，也可承受冷加工。由于钛加热时容易吸收氧、氢和氮，使塑性降低并使性能变坏，所以在加热时必须注意使炉内的气氛保持中性或微弱氧化性气氛，尽量避免采用还原性气氛，更不允许使用氢气加热。可在通常的设备上进行锻造、挤压、轧制和拉伸等加工，其热加工的温度范围为800～900℃。进行冷加工时，当冷加工率达到一定值(如30%～60%)时，应进行中间退火。

      工业纯钛的切削性类似于奥氏体不锈钢，但由于钛的化学活性高、导热性差，对刀具表面有较高的粘结倾向，因此具体切削工艺与钢应有所区别。采用锋利的工gorlg刀具、大进给量、较低的切削速度和溶油性冷却液，以及刚性强的工夹具，能顺利地进行切削加工。工业纯钛适合于各种焊接，焊缝区有极好的流动性。焊接方法很多，工业上应用最广泛的是氩气保护电弧焊。

用途

      由于工业纯钛具有较好的综合性能和优异的耐蚀性能，使它成为许多工业部分不可缺少的结构材料。而作为生物植入材料，自60年代以来，已在临床上得到广泛应用。在所有的常用植入金属材料中，钛的生物相溶性好，而且由于其密度和弹性接近人骨，又无磁性，因而在不锈钢、钴铬钼合金和钛三大金属植入物材料中，钛是最有发展前途的一种生物工程材料。钛的应用已解决了许多重大工程技术难题，促进了科技进步，带来了明显的经济效益，而钛的优异性能和巨大潜力，又展示了其应用的更广阔的前景。

钛合金分类

      钛是同素异构体，熔点为1668℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；在882℃以上呈体心立方晶格结构，称为β钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金（titanium alloys）。室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：α合金,(α+β)合金和β合金。中国分别以TA、TC、TB表示。

α钛合金

      它是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500℃～600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。

β钛合金

      它是β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372～1666 MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。

α+β钛合金

      它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50%～100%；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。

      三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金；α钛合金的切削加工性最好，α+β钛合金次之，β钛合金最差。α钛合金代号为TA，β钛合金代号为TB，α+β钛合金代号为TC。

钛合金用途

      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。

      钛有许多明显优越的特性：密度小（4.5kg/m3）、熔点高（1660℃）、耐腐蚀性强、比强度高、塑性好，还可以过合金化及热处理的办法制造出力学性能高的各种合金,是较为理想的航天工程结构材料。

TA1、TA2介绍

      TA1、TA2都称为工业纯钛，区别在于后者铁和氧的含量要高一些，因此TA2的强度比TA1要高。

      GB/T 3625-2007（换热器及冷凝器用钛及钛合金管）规定：

      TA1抗拉大于等于240，屈服140-310，延伸率TA1大于等于24%，工艺性能要求TA1扩口不小于22%。

      TA2抗拉大于等于400，屈服275-450，延伸率TA2大于等于20%，工艺性能要求TA2扩口不小于20%。

      目前基本上都是用TA2，因为TA2强度比较高，设计的时候壁厚可以薄一些，一方面增强了换热效果，另一方面可以节约一些成本。 

      钛制管板换热器常采用材料为工业纯钛TA1、TA2其化学成分和力学性能分别见下表

TA1化学成分（%）

TA2及其合金化学成分（%）

TA1力学性能

TA2及其合金力学性能