钛合金的物理化学性质探究

1.纯钛的物理化学性质

钛的原子序数为22，主要物理性质：密度为4.54g／cm³，熔点为1668℃，线胀系数为8.5×10－6K－1，热导率为14.63W／（m·K），弹性模量为113GPa。

钛的导热性差，摩擦系数大（μ＝0.42），切削加工时易粘刀，刀具温升快，因而切削加工性能较差，应使用特定刀具切削。另外，钛的耐磨性能也较差，具有较高的缺口敏感性，对加工及使用均不利。

纯钛在882.5℃时发生同素异构转变α-Ti↔β-Ti，所以将882.5℃称为纯钛的β转变温度或β相变点。在882.5℃以下为α钛，具有密排六方晶格结构，a＝0.2950nm，c＝0.4683nm；自882.5℃直到熔点温度称为β钛，具有体心立方结构，β-Ti的点阵常数a＝0.3282nm（20℃）或a＝0.3306nm（900℃）。

纯钛在众多的介质中有很强的耐蚀性，尤其是在中性及氧化性介质中的耐蚀性很强。钛在海水中的耐蚀性优于不锈钢及铜合金，在碱溶液及大多数有机酸中也耐蚀。纯钛一般只发生均匀腐蚀，不发生局部和晶界腐蚀现象，其抗腐蚀疲劳性能也较好。

钛在550℃以下空气中能形成致密的氧化膜，并具有较高的稳定性。但温度高于550℃后，空气中的氧能迅速穿过氧化膜向内扩散使基体氧化，这是目前钛及钛合金不能在更高温度下使用的主要原因之一。

2.钛合金的物理、化学性质

（1）钛合金的物理性质 同铝合金、镁合金相似，随着合金成分、加工工艺和热处理工艺等的不同，钛合金的物理性质也各不相同。表1-16列出了我国常用钛合金的物理性质。

表1-16 我国常用钛合金的物理性质(www.xing528.com)

（续

（2）钛合金的化学性质 钛的标准极电位为－1.63V，是热力学上很活泼的金属钛合金优良的耐蚀性源于钛合金表面致密稳定的氧化物保护膜，由于钛与氧有很强的亲和力，钛合金一旦置于空气或潮湿环境之中就瞬间产生了氧化膜，并且在大气或水溶液中这一膜层若有所损坏，也会得到即时修复。在大气或水溶液中，钛表面能迅速形成很稳定的钝化膜，使其平衡电位远远地偏向正值。并且钛的钝化膜具有非常好的愈合性它在水溶液中的再钝化作用可在不到0.1s内完成。

钛合金表面的膜层，其性质、组成、厚度取决于环境因素。在大多数的水环境下氧化物一般为TiO₂、Ti2O₂、TiO。高温氧化趋向于形成具有较高抗化学能力、高度结晶的红金石（TiO₂）；反之低温下会产生多孔的红金石和锐钛矿或两者的混合物。虽然这些化合物薄膜不足10nm厚，肉眼不可见，但这一薄膜仍只被少数化学物腐蚀，并且这一氧化物薄膜对抵抗氢的渗透十分有效。从Pourbax图上可看出TiO₂有较大的热力学稳定区，并且在阴极强还原区可预见钛的氢化物出现。因此，在弱还原性环境中钛合金的使用较为成功，在强还原酸中特别是高温时钛合金会受到较大的腐蚀，并且钝化膜不易自然恢复。从表1-17可以看出，在通常情况下，钛对中性、氧化性、弱还原性的介质具有较好的耐蚀性；而对于强还原性和无水强氧化性的介质则不耐腐蚀。除了上述一些介质因素外，尚有以下几种局部腐蚀形式：点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、焊区腐蚀、氢吸收、自燃、应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Cracking，简称SCC）。

表1-17 钛在介质中的腐蚀倾向