熔模鑄造Ti-1100高溫鈦合金的界面反應

摘要：文章主要闡述了熔模鑄造Ti-1100高溫鈦合金的界面反應，進一步促進相關技術的發展。

關鍵詞:熔模鑄造Ti-1100高溫鈦合金；界面；反應

1 鈦合金概述

鈦及其金屬合金是軍工、航空航天、石油化工中必不可少的原材料。其本身具有小密度、比重低、耐腐蝕、耐高溫、高強度等眾多優點。采用鈦合金制作的器件可以經受高溫的洗禮，可以明顯提高原構件的物理性能，鈦合金本身也是未來航空領域的重要原材料之一，是國際科研項目的熱門項目之一。

目前已經廣泛使用的高溫鈦合金主要包括BT36、IMB834和Ti1100，其主要的拉伸強度已經由原來的300-400MPa提升到1000MPa，耐溫性也有300℃大幅度提高到600℃左右，這就大大增強了鈦合金在極端氣候中的生存能力。本文主要介紹鈦合金在高溫狀態下的界面反應情況，讓更多的人了解這種高科技金屬。

2 高溫鈦合金的發展

早在二十世紀50年代初已經研究出來了Ti-6Al-4V，這種材料僅僅可以承受住350℃左右的溫度，這對于實際使用還是遠遠不夠的，隨后在60年代，世界其他發達國家也陸續研制出更先進的IMI-679、IMI-685、Ti-6248等合金，這是可耐溫度已經提升到450℃以上；緊接著又研制出IMI-82、IMI-834等新的型號，這其中以美國的Ti-1100最為出眾這種鈦合金具有很少量的鉬，而且在現場測試中也僅僅含有少量的鐵和氧，這就保證了該合金的成分保持最佳的平衡狀態。既有很大的拉伸性，又擁有絕對堅韌的強度和高水準的的復原性，其可承受溫度也達到600℃以上。可以看出，在現代工藝越來越完善的同時，鈦合金的高溫反應發展情況卻越來越艱難，幾乎每十年左右才僅僅能提高50℃左右。

我國在上世紀50年代開始著手研發鈦合金及其附屬材料，目前在實際投入使用中的是TC4、Ti-679、TC11等新型合金，并且已經在各項設施中投入使用，得到良好的反饋。

3 鈦合金高溫反應

鈦合金在經歷高溫的情況下，能有很強的親氧能力，能與很多的化學元素進行化學反應，但這種氧化過程中對鈦合金本身有很大的損害，嚴重削弱了鈦合金本身的性能。所以在這次高溫的鈦合金實驗中，仔細觀察鈦合金表面的變化，找除去氧化的方法，防止鈦合金在高溫下喪失其性能。

實驗設備：

（1）高溫燃燒坩堝

（2）真空加熱裝置

（3）高分辨率顯微鏡

（4）電子掃描儀

（5）真空隔離裝置

（6）電子天平秤

（7）特殊材質的溫度測量儀器

金屬在高溫反應下是一個極其復雜的過程，在高溫中鈦金屬會呈現出強烈的化學活動，高溫中雜質慢慢減少，鈦的純度也在提升，從固體到液體的過程是化學質變的過程，反應完成后再凝聚成為新的合金金屬，其分子結構也發生了不小的改變。

首先將準備好的鈦合金放到容器中并添加一些必要的附加物，在容器中倒入適量的水，再將坩堝進行加熱，在達到500℃左右時，用電子天平秤稱重，保證每次試驗的鈦合金都能過足量，將鈦合金Ti-1100放入到容器內，密封與空氣隔絕，再不斷加熱容器底部，觀察鈦合金的反應。通過對不同容器的測試統計界面的反應程度，可以看出，容器的穩定性越強，與鈦合金的化學反應也越強烈。如左圖：

在溫度升高過程中，在鈦合金交界處，容器與合金發生強烈的沖突，鈦元素向容器元素擴散，同時耐溫材料也向鈦合金本體擴散，這個過程是一個雙向互溶過程，容器元素在鈦合金表面形成保護膜，可以看出來，不同的材料與鈦合金發生反應并不是各個階段同時進行的，也不是全領域一起發生的，有反應強烈的地方也有反應微弱的地方。

4 實驗結論

（1）鈦合金在高溫下表現出活躍的氧化活動，可以與很多化學物質發生反應，形成更加復雜的高溫合金，但需注意化學反應過程中含鐵和碳的量減少，保證合金本身的強度。這樣形成的新型合金是未來航空航天領域的關鍵材料。

（2）釔元素作為實驗容器的原料時不與高溫熔融的鈦合金發生反應，所以可以將釔元素作為高溫鍛造鈦合金的高溫耐火材料，但需注意釔元素本身昂貴，注意控制錘煉高溫合金的生產成本，提高生產率。也可以考慮嘗試利用其它的化學原料代替釔元素。

（3）氧化鈣作為實驗容器時，在界面處與鈦合金發生劇烈的化學反應，并且鈦合金會溶于水中，形成固體物質，溫度的升高，氧化膜的成分就越多并且氧的流動方向向內部擴散，形成氧化集中區域。可以看出，氧化鈣不適宜做熔煉和提取鈦合金的高溫耐火材料，因為氧化形成的保護膜并不具有保護能力，在經過水溶質的滲透后，影響了鈦金屬在高溫情況下的合理使用。

（4）在實驗過程中可以發現，隨著溫度的逐步升高Ti1100的氧化過程也越加明顯，在300℃左右時，鈦合金表面幾乎不發生任何氧化現象，在600℃-750℃時，Ti100表面會出現稀薄的氧化膜，在950℃左右時，鈦合金表面出現大量的氧化表層，并且呈現出不規律的狀態，表面看起來極不平均，在1200℃以上時鈦合金的界面處發生嚴重的氧化現象，并產生新的氧化元素。由此得到結論，鈦合金的高溫鍛造過程伴隨著吸收氧的活動，溫度越高這種反應就越強烈，如何在高溫下解決鈦合金雜質增多的問題，也是今后航空航天領域的一個重點課題。

（5）實驗證明，硅元素在Ti110的高溫鍛造中有著非常重要的地位，在以硅元素作為實驗容器的過程中，鈦合金與其發生化學反應，提高了合金在高溫狀態下的穩定性，增加了合金的強度。少量的硅元素也可以提高鈦合金的抗氧化性，防止鈦合金在高溫下于空氣中的氧氣進行交互。

（6）經過試驗可以知道，熔模鑄造這種工藝比一般的石墨鑄造更適合生產界面光滑，完整度高的零件。例如高速發動機的主要零件，因為鈦合金的金屬活潑性比較大，所以需要在低溫冷凍中采取冷水坩堝的模式，這樣鑄造出來的鈦合金零件更加穩定，質地也更加純正。再經過燃燒之后，使模塊中的雜質剔除出去，更加堅固，更能承受住惡劣氣候的沖擊。

（7）鈦合金的耐腐蝕性也非常的強，可以在水下浸泡多年而不改變金屬結構，保持原有的光澤。所以鈦合金也是航海領域的一個優秀的原料，如美國早在上個世紀就已經在艦船的表層增加鈦合金的含量，因為鈦合金的親氧性，在空氣中發生氧化反應，并形成新的氧化膜保護艦船的表面不受腐蝕，越來越多的國家開始重視鈦合金在海軍中的作用。

（8）現在以后的鈦合金雖然可以滿足正常的需要，在超高溫狀態下鈦合金的化學穩定性還是很差，一旦發生惡劣的環境變化，會造成嚴重的事故。所以尋找新的化學元素添加到鈦合金之中也是一個重要的研究課題，Ga、Nb、Pb等新的元素已經開始嘗試與鈦合金發生反應，并且發現這些元素可以提高鈦合金在某方面的性能，但是側重點不同，這將使未來的一個新的趨勢。

（9）為了提高鈦合金的強度，在實驗中增加具有某種穩定元素的強化劑，可以保證其蠕變程度，如Bi元素能在鈦合金中起到細化作用，同時也不能損失自身的高溫穩定性和延展性。

參考文獻

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