鈦鐵合金在高溫下的變化過程

鐘 韜

（湖南工業大學，湖南 株洲 12007）

鈦鐵合金在高溫下的變化過程

鐘 韜

（湖南工業大學，湖南 株洲 12007）

作為鈦資源的鈦合金凸顯出了無窮的市場潛力，其中最具有開發前景的就是鈦鐵合金。熔點電解制備鈦鐵合金的方法，主要特點是過程較短、耗能較低、污染很少等。本文圍繞高溫下鈦鐵合金的變化過程，具體分析了鈦及鈦合金用途，鈦鐵合金在高溫下的實驗反應，高溫下鈦鐵合金反應變化過程。

鈦鐵合金；高溫；反應變化

一﹑鈦及鈦合金用途

鈦是一種現代化的高性能金屬，擁有不少金屬無法取代的作用。特別是在超音速飛機﹑導彈﹑火箭等領域中屬于不可或缺的材料之一，被人稱為空間金屬。

鈦合金比強度為27-33，相當于鋁合金的1.3倍，鎂合金的1.6倍，不銹鋼的3倍，是當前工業金屬材料中最高重比強度，因此為了加強航天航空架構重量而大量應用。同時，在高溫和低溫條件下都能體現出很好的力學性能，有效對高速飛行過程中，飛機機體提高表面溫度而失去原來機械功能問題進行了解決。

鈦合金抗壓強度相當于同等強度極限合金的8倍。在常溫下，雖然鈦合金與鋁鎂合金強度類似，但是當達到150-430℃時，基本上鈦合金強度不會改變，而鋁鎂合金強度卻在迅速降低。此外，在這一溫度范圍內，其強度比不銹鋼強度高，因此大部分時候能夠取代鎂合金與鋁合金，在石油﹑化工﹑發電部門積極進行應用。

與不銹鋼板比較，鈦合金的耐腐蝕性極強，在熱海水中不會產生孔腐蝕與縫隙問題。把一定的Ta﹑Pb添加之后會出現抗酸類腐蝕。

鈦合金還能作為儲氫材料，具有記憶和超導功能，在一些非航天領域中廣泛應用。所以，作為一種具有時代特點的金屬，鈦以及合金不但能夠作為重要的結構材料還能夠成為優秀的功能材料。但是由于鈦具有較高的成本，造成當前無法完全達到鈦替代鋼鐵的目標。

二﹑鈦鐵合金在高溫下的實驗反應

在CaCl2熔鹽系統中，研究對象是鈦精礦陰極，分別在高溫850和900℃下實行電解實驗，對高溫條件下鈦鐵合金反應變化過程進行分析。

實驗反應應用的原料是鈦精礦，在Ar氣保護的情況下，熔融鈦精礦之后凝固，制作成供實驗使用的陰極。對純CaCl2作為電解質，將石墨棒作為陽極，利用石墨坩堝反應器實行電解，分別采用850和 900℃作為電解溫度。電解結束之后取出陰極，通過蒸餾水洗電解產物表面附著的熔鹽，使用超聲波清洗設備清洗，同時利用低溫烘烤實施脫水。樣品形貌過程中利用掃描電子顯微鏡，同時檢測樣品組分。

三﹑高溫下鈦鐵合金反應變化過程

（一）鈦精礦陰極的物相和形貌

凝固的鈦精礦熔融之后陰極物相和原礦基本保持不變，具體組分是FeTiO3，Ar氣保護很好避免了氧化鈦精礦中的Fe。與此同時檢測到存在的CaSiO3。

（二）850℃電解產物變化分析

溫度在850℃時，分別對鈦精礦陰極實行了電解實驗。通過分析可知，形貌在陰極電解之后出現了顯著的變化，從初期的緊密結構轉變為大小是1μm顆粒的球型離散結構。電解樣品在反應了0.5h之后產生了一系列中間產物為Fe﹑TiO等；電解樣品在反應了10h之后產生了物相Ti和TiFe2，其中TiFe形成了并不顯著的衍射峰；當結束48h反應時間之后，TiFe是主要的反應產物。

（三）900℃電解產物變化分析

同樣條件下，在不同時間對高溫900℃鈦精礦進行電解實驗。通過分析電解樣品形貌可知，高溫900℃和850℃時電解產物的形貌出現了顯著變化，從850℃的1μm顆粒大小增加到3μm，從850℃離散球型結構形貌轉變為空間網狀結構，顆粒之間產生了顯著的固結變化。當電解樣品反應0.5h時產生的中間產物為Fe﹑TiO等，同時還存在的是TiFe和TiFe2。經過10h反應之后，TiFe為主要產物，此時還存在著一定量的TiFe2。對反應時間不斷增加直到48h之后，TiFe成為電解樣品中的重要物相。由于鈦鐵合金的產生過程是利用TiFe2和Ti之間的彼此擴散，因此出現TiFe的同時，還存在很少的TiFe2。

（四）電解產物在高溫下出現的變化

通過軟件對熔鹽電解鈦精礦過程中形成的各類反應實行熱力學計算，由此可知，電解電壓過程中的Fe比Ti低，Fe在電解過程中被優先進行還原。經過分析850℃電解0.5h樣品結果可知出現了單質Fe，而Ti的存在形式是鈣鈦礦和鈦的低價氧化物。還原Ti從+4﹑+3和+2，最終對Ti進行逐漸還原。在陰極表面反應范圍內存在鈣鈦礦，精密的陰極結構對熔鹽中的鈣離子擴散至陰極內部進行了阻止，因此電解還原在這一陰極內部并沒有出現CaTiO3。Ti和Fe在高溫下產生鈦鐵合金屬于一個自發過程，還原Ti的過程中，形成的鈦鐵合金電解電壓要低于單質Ti。所以鈦在熱力學上還原優先形成的鐵微粒的還原并且合金化過程，相較于金屬鈦還原更加容易，因此反應初期并不存在單質Ti。而產生的TiFe2比TiFe具有更低的電解電壓，也形成了更加穩定的結構，所以合金化過程中會首先出現TiFe2。但是在TiFe2上Ti微粒還原且合金化過程產生的電解電壓比直接產生的單質Ti擁有更高的電解電壓，經過計算熱力學可知，結合Ti和TiFe2產生TiFe是一個非自發過程。當Fe產生TiFe2而消耗完以后，Ti將會利用單質形式進行還原電解。伴隨著不斷增加的反應時間，進一步增強了擴散。

電解產物在900℃時相較于850℃的物相和結構存在著顯著差異，表明在鈦精礦電解制備鈦鐵合金過程中高溫發揮了關鍵作用。在本次實驗情況下，沒有改變各種電極反應次序，因此電解肌理并沒有發生變化。但是升高的溫度提升了電解速率以及Fe﹑Ti和O的擴散遷移能力。電解0.5h在850℃和900℃下分別對應還原了一部分Fe以及TiFe2和TiFe，表明溫度對于電解過程的提升十分有利。

結語

鈦鐵合金是一種具有廣泛用途的重要物質，具體是針對煉鐵所使用的除氣劑﹑脫氧劑等，以及成為電焊跳的重要材料。本文通過分析高溫下鈦鐵合金的變化過程，進一步提高容顏電解制備鈦鐵合金效益，以期獲得更好的效果。

[1]杜繼紅，李晴宇．熔鹽中電解鈦鐵礦制備TiFe合金[J]．稀有金屬材料與工程，2010，（12）

[2]趙棟楠．高鈦鐵生產工藝研究[D]．武漢： 武漢科技大學，2008．

TG146

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