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纯钛与Y2O3铸型界面反应研究

2020-10-03 15:45编辑: www.51jrft.com51今日论文网
纯钛与Y2O3铸型界面反应研究
本文研究了纯钛与Y2O3陶瓷的润湿过程,测定了润湿角随时间变化的图像;并通过充分反应法研究了纯钛与Y2O3陶瓷间的界面反应,借助SEM观察不同时间下金属一侧的组织形貌;结合DTA分析纯钛熔体与Y2O3的反应动力学过程,测定了相关热动力学参数。结果表明,随着接触时间的延长,纯钛与Y2O3间的润湿角明显下降,最终平衡接触角为75°;纯钛与Y2O3体系充分反应后金属一侧组织为相互平行的条带状组织,随着反应深入,条带间的沟渠被填平,最终形成一个平面;DTA研究发现,纯钛和Y2O3陶瓷粉末在1200℃以下有不规则的放热峰产生,而真正反应的温度在1300℃以上,经作图分析表明,Ti与Y2O3粉末混合后的试样开始放热反应的初始温度为1378℃。
关键词  纯钛,Y2O3,润湿性,界面反应
1 绪论    1
1.1 钛及钛合金的性质    1
1.2 钛合金的应用    3
1.3 钛合金的精密铸造技术    4
1.4 钛熔体与氧化物陶瓷界面反应研究现状    6
1.5 本课题研究的意义    8
2 实验材料及方法    9
2.1 试验材料及设备    9
2.2 试验方法    10
3 实验结果与分析    12
3.1 钛熔体与Y2O3润湿角变化规律    13
3.2 纯钛与Y2O3界面反应热力学分析    14
3.3 纯钛与Y2O3反应DTA分析    15
结论    17
致谢    18
参考文献    19
1 绪论
钛是当今世界一种重要的结构金属,钛合金具备诸多优点,如高强度、高耐蚀性、高耐热性,因而被广泛应用于各个领域。许多国家都认为钛及其钛合金是一种非常重要的金属,因而世界各国都对钛及其合金进行了研发,并且应用到了实际中。钛是金属中存储量第四位的元素[1]。在国民经济中,钛已成为继钢、铝之后的第三大金属。
    钛的原子序数是22,由22个质子和20个到32个中子组成。钛的最高化学价通常为+4价。钛的原子量是47.9,它的主要同位素的原子量有:46,47,48,49,50。钛的两种同素异形体分别以α和β来表示,其转变温度是882.5℃,α钛为密排六方晶格,β钛为体心六方晶格[2]。钛合金是在钛中加入其他元素而组成的合金,钛合金元素可分为三类(对相变温度的影响):
(1)稳定α相:α、β稳定元素能够提高相变转变温度的,有Al、C、O和N等。其中铝元素在钛合金中最常见,铝元素的加入能够提高钛合金的强度、降低比重、增加弹性模量。
(2)稳定β相:β元素能够降低相变转变温度,有同晶型和共析型这二种。 共晶有Mo、Ni、V等;共析有Cr、Mn、Cu、Fe、Si等。
(3)中性元素对相变转变温度影响较小:有Zr、Sn等。钛合金的主要杂质有O、N、C和H。O和N两种元素在α相中溶解度比较大,能够有效提高钛及钛合金的强度,但降低了其塑性。一般情况下,应该控制钛中O和N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,溶解过多的氢会产生钛合金脆化的现象,通常情况应控制钛合金中氢含量在0.015%以下。为防止钛合金变脆,通常用真空退火除去溶解在钛合金中的氢[3]。
1.1 钛及钛合金的性质
1.1.1 钛及钛合金的强度
钛合金有很高的强度。虽然纯钛的强度较钛合金低很多,但常用钛合都具有很高的强度,如Ti-6Al-4V的强度等同于高强度钢的水平。还有些钛合金具有很高的强度,如Ti-15Mo-5Zr-3Al,其弹性模量并不高,但它同时具备弹性模量低和屈服强度高的特性,在弹簧材料方面应用广泛。用钛制成的弹簧,圈数可以比其他材料做成的要少很多,并且其具有质量轻,耐腐蚀的优点[4]。
1.1.2 钛合金的比强度
    钛合金比重小,强度高,因此钛合金的比强度就高,表1-1中列出了钛合金与常
用的合金的比强度,由表中可以看出,钛合金的比强度在这些合金中是最大的。
表1-1  常用合金的比强度[5]
  合金     镁合金     铝合金     高强钢    钛合金    Ti-6Al-4V     30钢
比强度/×105N/m2     16     21    23     29      26.4    14.1-15.4
1.1.3 钛的化学性能
钛原子外层4s和3d电子的电离势小,容易失去,所以钛元素是非常活泼的,容易和氧气反应生成TiO2 。纯钛的熔点约为1670℃,比铁高140℃左右,在各种金属中,纯钛的熔点是比较高的[6]。纯钛的熔点会随合金元素的变化而变化,如表1-2所示。微米级钛粉在室温下很容易和氧气发生反应而燃烧。然而,钛表面容易形成几到几十纳米极其完整致密的氧化膜,这种氧化膜能在被破会后瞬间自动修复,而且在大多数环境中的稳定性都很好,因此钛及其合金的抗腐蚀能力相比其他金属要好很多。
表1-2  工业常用钛合金密度与熔化温度[7]
合金牌号    国别    密度g/cm3    熔化温度 ℃
ZTA2    中国    4.51    1640-1671
BT5JI    前苏联    4.41    1600-1640
ZTA7    中国    4.42    1540-1650
ZT4    中国    4.40    1560-1620
BT3-1JI    前苏联    4.43    1560-1600
BT9JI    前苏联    4.49    1560-1620
BT14JI    前苏联    4.50    1590-1650
BT2OJI    前苏联    4.45       ——
TI6242    前苏联    4.54    1588-1698
1.1.4 钛的其他性质
    除了上述优点外,钛还具有很多优异性能。钛合金的高低温性能好;钛合金无磁
性,不会被磁化;某些钛合金有形状记忆特性,如Ti-Ni;Ti及Ti-Fe合金是很好的储
氢材料;Nb-Ti合金具有超导性等。
1.2 钛合金的应用
    钛铸件已经成为钛工业的一个重要组成部分。美国钛铸件占加工材料的1%-2%,
日本占4%-5%。根据我国近几年初步统计,钛铸件站1%-3%钛合金具有的密度小,
耐腐蚀性等特点已经被广泛应用与航空,船舶,医疗等领域[8]。
在航空方面,波音公司生产的B777客机钛用量占飞机的7%,主要应用于起落架,垂直尾翼,发动机尾部,导气管等方面,一共使用了5种以上牌号的钛合金。空中客车A380在选择材料方面强调减轻重量,降低成本和性能及其维修方面的平衡,所以该飞机用钛量占飞机总重的10%。舰载飞机对选材有两方面要求,一是材料应具备很高的疲劳强度和断裂韧性;二是具备极高的抗冲击性能。因此一般选用高强度高韧性的钛合金[9]。钛及其合金被广泛应用于战斗机,民航机,已经成为国家航空工业水平的重要标志。据统计,钛合金应用占民航业约20%,占军机将达到50%以上。
表1-3 几种典型飞机的用钛比例
分类    型号    钛合金用量比例(%)
大型客机    B-787    15
三代军机    F-15    25
    Su-27    18
四代军机    F-22    41
在船舶方面,钛合金具有的密度小,耐蚀、耐高温,抗冲击,无磁性等优点,成为了很好的船舶用材,世界很多国家船舶工业和海军都非常重视对钛材料的研究。例如,用钛造的潜艇相比其他材料能够增加潜水深度,并且由于钛具有优良的耐蚀性,能够长时间在深海航行而不被腐蚀破会,增加维护费用[10]。
    在医疗方面,钛及其合金具有良好的生物相容性和耐蚀性一直被用来作为骨骼修
复和替代的主要材料之一。例如加拿大研制出了多孔Ti-Ni合金材料,治疗骨科脊柱
损伤[11]。这种钛合金接近松制骨的弹性模量,有很好的生物相容性。随着人们生活水
平的不断提高,以及人们日益重视自身的医疗健康,作为骨骼替代或再生用医学用钛
存在巨大市场。钛在牙科领也应用广泛。1993年,第四军医大学与洛阳轻工通用机
械厂联合研制出了牙科铸钛机,1995年开发出第一台牙科用铸钛机,为开展牙科铸钛
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