變色缺陷海綿鈦的形成機理研究

喻正文，吳魯淑，何杰軍，覃 銘

（1.遵義鈦業(yè)股份有限公司，貴州 遵義 563004；2.廣西大學材料科學與工程學院，廣西 南寧 530004；3.百色學院物理與電信工程系，廣西 百色 533000）

研究與開發(fā)

變色缺陷海綿鈦的形成機理研究

喻正文1，吳魯淑2，何杰軍3，覃 銘3

（1.遵義鈦業(yè)股份有限公司，貴州 遵義 563004；2.廣西大學材料科學與工程學院，廣西 南寧 530004；3.百色學院物理與電信工程系，廣西 百色 533000）

針對鎂還原法生產的海綿鈦中的變色缺陷產品，通過成分分析和XRD衍射分析，確定物相組成，并對其產生的原因進行了分析。

XRD衍射分析；變色缺陷；鎂還原法；海綿鈦

鈦及鈦合金具有優(yōu)良的耐高溫、耐低溫性能和耐腐蝕性能，比強度高，廣泛應用在航空航天、海洋工程、化工、電力、超導材料、醫(yī)療和體育休閑等領域［1］。作為國內最大的海綿鈦全流程生產企業(yè)，遵義鈦業(yè)股份有限公司已有40余年的海綿鈦生產歷史，積累了豐富的經驗，其產品不僅暢銷國內，而且遠銷國外。特別是新的海綿鈦產品質量標準實施以來，遵義鈦業(yè)海綿鈦產品質量大幅提升。盡管在產品質量上取得了一定的成績，但受到生產技術和裝備水平等因素的影響，產品質量還存在一定的缺陷，特別是在產品的外觀上，還存在一小部分黃銅色的產品，該部分產品嚴重影響了產品的整體質量。為了避免缺陷產品的產生，本文通過對遵義鈦業(yè)股份有限公司變色缺陷海綿鈦的化學成分進行XRD衍射分析，確定其物相組成，探討缺陷產品產生的機理。

1 實驗及分析過程

實驗所用的設備為理學X射線衍射儀，其衍射角度為20°～120°，根據變色缺陷產品的化學成分，利用 Jade 5.0［2］分析軟件，定性地分析了該產品的物相組成。

1.1 優(yōu)質海綿鈦產品的化學成分表和XRD衍射分析

試驗所用海綿鈦產品為所生產的0級品，其化學成分如表1所示。

表1 雜質元素化學成分

從表1可以看出，海綿鈦產品中雜質元素的含量較低，且很好地控制了產品中Fe、O和Cl的含量。該樣品的XRD衍射圖譜如圖1所示。

1.2 變色缺陷產品的化學成分表和XRD衍射圖譜

表2為變色缺陷產品的雜質元素含量成分表。由表2所示的雜質元素含量可知，該樣品中雜質元素Fe、O和N的含量明顯高于0級品雜質元素的含量標準，其XRD衍射圖譜如圖2所示。

表2 雜質元素化學成分

圖2 變色缺陷海綿鈦的XRD衍射圖譜

由圖2所示XRD衍射圖譜可以很清晰地看出，該樣品主要由TiN、Ti2N組成，其次還含有少量的TiN0.30。與圖2相比，該部分產品已經嚴重氮化，得到的產物均為鈦的氮化物。

1.3 TiN和Ti2N的形成機理

在Ti-N二元體系［3］中，Ti和N形成一系列的固溶體。根據莫畏［4］等人的研究，其中較為重要的固溶體為TiN和Ti2N。其中，在800～1400℃下鈦直接與N2發(fā)生反應，生成TiN。其反應方程式為：

同時，由于Ti和N形成固溶體，其在TiN0.37～TiN1.2組成范圍內穩(wěn)定存在，且隨著物質組成成分的不同，顏色可為亮黃色至黃銅色。這與試驗結果相吻合，故該樣品主要是由TiN組成。

至于 Ti2N，A.E.Palty 等人［5］通過試驗，證明了該物質能夠在1050℃溫度下穩(wěn)定存在。但根據文獻［5～7］，大約 2／3 鈦的氮化物只能在特定的范圍內穩(wěn)定存在。L.A.McClaine等人在1100℃溫度下，將Ti2N轉化為TiN。因此，該樣品中主要由TiN和Ti2N組成。

至于TiN0.30，主要是在鈦與氮氣反應的過程中，由于氮含量較低，在整個反應過程中，所生成的TiN和Ti2N與海綿鈦基體發(fā)生歧化反應，生成了少量的TiN0.30。由于該物質所生成的量是由TiN和Ti2N所決定，故其在衍射圖譜中衍射峰的強度均比TiN和Ti2N弱，這與試驗所得的XRD衍射圖譜所反應的強度一致。

綜上所述，根據試驗所得的衍射圖譜，外觀呈黃銅色的變質海綿鈦產品，其物相組成為TiN、Ti2N 和 TiN0.30。

2 結論

通過化學成分分析和XRD衍射分析，定性地確定了變色缺陷海綿鈦產品主要由TiN、Ti2N和TiN0.30組成，也即是，造成缺陷海綿鈦的原因是在生產過程中部分鈦形成了氮化物。

［1］ 張履國.海綿鈦還原過程熱平衡分析 ［J］.鈦工業(yè)進展， 2008， 28（4）： 38-41.

［2］ Jade 5.0，XRD Pattern Processing Materials Data Inc.1999.

［3］ J.L.Murray， Binary Alloy Phase Diagrams，ASM International， Materials Park， OH， 1987.

［4］ 莫畏，等.鈦冶金 ［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1998.

［5］ A.E.Palty，H.Margolin，and J.P.Nielsen，Trans.ASM，46（1954）312-328.

［6］ M.P.Arbuzov， S.Ya.Golub， and B.V.Khaenko， Izv.Akad.Nauk SSSR， Neorg.Mater.，13 （10）（1977）1779-1789 （in Russian）； TR： Inorg.Mater.， 13（10）（1977） 1434-1437.

［7］ L.A.McClaine and C.P.Coppel， U.S.Air Force Systems Command，Res.Technol.Div.， Tech.Rep.AFML-TR-65-299 （1965）.

Research on Forming Principium of Color-defective Titanium Sponge

YU Zheng-wen1， WU Lu-shu2， HE Jie-jun3， QIN Ming3
（1.Zunyi Titanium Co.， Ltd.， Zunyi 563004，China； 2.College of Materials Science and Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China；3.Department of Physics and Communication Engineering，Baise University，Baise 533000，China）

The color-defective titanium sponges were produced by Kroll method， and its phase compositions had been investigated by means of chemical composition and X-ray powder diffraction analysis.The Colordefective cause was analyzed.

X-ray diffraction analysis； color-defective； Kroll method； titanium sponge

O 614.41+1

A

1671-9905（2011）04-0001-02

廣西教育廳科研項目資助（No.200911MS226）

何杰軍（1982-），男，貴州納雍人，百色學院教師，主要研究方向為材料相圖、相結構及性能，E-mail：hejiejungz＠126.com

2011-01-12