鈦鐵合金在高溫下的變化過(guò)程

鐘 韜

（湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 12007）

鈦鐵合金在高溫下的變化過(guò)程

鐘 韜

（湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 12007）

作為鈦資源的鈦合金凸顯出了無(wú)窮的市場(chǎng)潛力，其中最具有開(kāi)發(fā)前景的就是鈦鐵合金。熔點(diǎn)電解制備鈦鐵合金的方法，主要特點(diǎn)是過(guò)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(guò)程，具體分析了鈦及鈦合金用途，鈦鐵合金在高溫下的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)，高溫下鈦鐵合金反應(yīng)變化過(guò)程。

鈦鐵合金；高溫；反應(yīng)變化

一﹑鈦及鈦合金用途

鈦是一種現(xiàn)代化的高性能金屬，擁有不少金屬無(wú)法取代的作用。特別是在超音速飛機(jī)﹑導(dǎo)彈﹑火箭等領(lǐng)域中屬于不可或缺的材料之一，被人稱(chēng)為空間金屬。

鈦合金比強(qiáng)度為27-33，相當(dāng)于鋁合金的1.3倍，鎂合金的1.6倍，不銹鋼的3倍，是當(dāng)前工業(yè)金屬材料中最高重比強(qiáng)度，因此為了加強(qiáng)航天航空架構(gòu)重量而大量應(yīng)用。同時(shí)，在高溫和低溫條件下都能體現(xiàn)出很好的力學(xué)性能，有效對(duì)高速飛行過(guò)程中，飛機(jī)機(jī)體提高表面溫度而失去原來(lái)機(jī)械功能問(wèn)題進(jìn)行了解決。

鈦合金抗壓強(qiáng)度相當(dāng)于同等強(qiáng)度極限合金的8倍。在常溫下，雖然鈦合金與鋁鎂合金強(qiáng)度類(lèi)似，但是當(dāng)達(dá)到150-430℃時(shí)，基本上鈦合金強(qiáng)度不會(huì)改變，而鋁鎂合金強(qiáng)度卻在迅速降低。此外，在這一溫度范圍內(nèi)，其強(qiáng)度比不銹鋼強(qiáng)度高，因此大部分時(shí)候能夠取代鎂合金與鋁合金，在石油﹑化工﹑發(fā)電部門(mén)積極進(jìn)行應(yīng)用。

與不銹鋼板比較，鈦合金的耐腐蝕性極強(qiáng)，在熱海水中不會(huì)產(chǎn)生孔腐蝕與縫隙問(wèn)題。把一定的Ta﹑Pb添加之后會(huì)出現(xiàn)抗酸類(lèi)腐蝕。

鈦合金還能作為儲(chǔ)氫材料，具有記憶和超導(dǎo)功能，在一些非航天領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。所以，作為一種具有時(shí)代特點(diǎn)的金屬，鈦以及合金不但能夠作為重要的結(jié)構(gòu)材料還能夠成為優(yōu)秀的功能材料。但是由于鈦具有較高的成本，造成當(dāng)前無(wú)法完全達(dá)到鈦替代鋼鐵的目標(biāo)。

二﹑鈦鐵合金在高溫下的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)

在CaCl2熔鹽系統(tǒng)中，研究對(duì)象是鈦精礦陰極，分別在高溫850和900℃下實(shí)行電解實(shí)驗(yàn)，對(duì)高溫條件下鈦鐵合金反應(yīng)變化過(guò)程進(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)反應(yīng)應(yīng)用的原料是鈦精礦，在Ar氣保護(hù)的情況下，熔融鈦精礦之后凝固，制作成供實(shí)驗(yàn)使用的陰極。對(duì)純CaCl2作為電解質(zhì)，將石墨棒作為陽(yáng)極，利用石墨坩堝反應(yīng)器實(shí)行電解，分別采用850和 900℃作為電解溫度。電解結(jié)束之后取出陰極，通過(guò)蒸餾水洗電解產(chǎn)物表面附著的熔鹽，使用超聲波清洗設(shè)備清洗，同時(shí)利用低溫烘烤實(shí)施脫水。樣品形貌過(guò)程中利用掃描電子顯微鏡，同時(shí)檢測(cè)樣品組分。

三﹑高溫下鈦鐵合金反應(yīng)變化過(guò)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(hù)很好避免了氧化鈦精礦中的Fe。與此同時(shí)檢測(cè)到存在的CaSiO3。

（二）850℃電解產(chǎn)物變化分析

溫度在850℃時(shí)，分別對(duì)鈦精礦陰極實(shí)行了電解實(shí)驗(yàn)。通過(guò)分析可知，形貌在陰極電解之后出現(xiàn)了顯著的變化，從初期的緊密結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮∈?μm顆粒的球型離散結(jié)構(gòu)。電解樣品在反應(yīng)了0.5h之后產(chǎn)生了一系列中間產(chǎn)物為Fe﹑TiO等；電解樣品在反應(yīng)了10h之后產(chǎn)生了物相Ti和TiFe2，其中TiFe形成了并不顯著的衍射峰；當(dāng)結(jié)束48h反應(yīng)時(shí)間之后，TiFe是主要的反應(yīng)產(chǎn)物。

（三）900℃電解產(chǎn)物變化分析

同樣條件下，在不同時(shí)間對(duì)高溫900℃鈦精礦進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)。通過(guò)分析電解樣品形貌可知，高溫900℃和850℃時(shí)電解產(chǎn)物的形貌出現(xiàn)了顯著變化，從850℃的1μm顆粒大小增加到3μm，從850℃離散球型結(jié)構(gòu)形貌轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，顆粒之間產(chǎn)生了顯著的固結(jié)變化。當(dāng)電解樣品反應(yīng)0.5h時(shí)產(chǎn)生的中間產(chǎn)物為Fe﹑TiO等，同時(shí)還存在的是TiFe和TiFe2。經(jīng)過(guò)10h反應(yīng)之后，TiFe為主要產(chǎn)物，此時(shí)還存在著一定量的TiFe2。對(duì)反應(yīng)時(shí)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(chǎn)生過(guò)程是利用TiFe2和Ti之間的彼此擴(kuò)散，因此出現(xiàn)TiFe的同時(shí)，還存在很少的TiFe2。

（四）電解產(chǎn)物在高溫下出現(xiàn)的變化

通過(guò)軟件對(duì)熔鹽電解鈦精礦過(guò)程中形成的各類(lèi)反應(yīng)實(shí)行熱力學(xué)計(jì)算，由此可知，電解電壓過(guò)程中的Fe比Ti低，F(xiàn)e在電解過(guò)程中被優(yōu)先進(jìn)行還原。經(jīng)過(guò)分析850℃電解0.5h樣品結(jié)果可知出現(xiàn)了單質(zhì)Fe，而Ti的存在形式是鈣鈦礦和鈦的低價(jià)氧化物。還原Ti從+4﹑+3和+2，最終對(duì)Ti進(jìn)行逐漸還原。在陰極表面反應(yīng)范圍內(nèi)存在鈣鈦礦，精密的陰極結(jié)構(gòu)對(duì)熔鹽中的鈣離子擴(kuò)散至陰極內(nèi)部進(jìn)行了阻止，因此電解還原在這一陰極內(nèi)部并沒(méi)有出現(xiàn)CaTiO3。Ti和Fe在高溫下產(chǎn)生鈦鐵合金屬于一個(gè)自發(fā)過(guò)程，還原Ti的過(guò)程中，形成的鈦鐵合金電解電壓要低于單質(zhì)Ti。所以鈦在熱力學(xué)上還原優(yōu)先形成的鐵微粒的還原并且合金化過(guò)程，相較于金屬鈦還原更加容易，因此反應(yīng)初期并不存在單質(zhì)Ti。而產(chǎn)生的TiFe2比TiFe具有更低的電解電壓，也形成了更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，所以合金化過(guò)程中會(huì)首先出現(xiàn)TiFe2。但是在TiFe2上Ti微粒還原且合金化過(guò)程產(chǎn)生的電解電壓比直接產(chǎn)生的單質(zhì)Ti擁有更高的電解電壓，經(jīng)過(guò)計(jì)算熱力學(xué)可知，結(jié)合Ti和TiFe2產(chǎn)生TiFe是一個(gè)非自發(fā)過(guò)程。當(dāng)Fe產(chǎn)生TiFe2而消耗完以后，Ti將會(huì)利用單質(zhì)形式進(jìn)行還原電解。伴隨著不斷增加的反應(yīng)時(shí)間，進(jìn)一步增強(qiáng)了擴(kuò)散。

電解產(chǎn)物在900℃時(shí)相較于850℃的物相和結(jié)構(gòu)存在著顯著差異，表明在鈦精礦電解制備鈦鐵合金過(guò)程中高溫發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在本次實(shí)驗(yàn)情況下，沒(méi)有改變各種電極反應(yīng)次序，因此電解肌理并沒(méi)有發(fā)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(kuò)散遷移能力。電解0.5h在850℃和900℃下分別對(duì)應(yīng)還原了一部分Fe以及TiFe2和TiFe，表明溫度對(duì)于電解過(guò)程的提升十分有利。

結(jié)語(yǔ)

鈦鐵合金是一種具有廣泛用途的重要物質(zhì)，具體是針對(duì)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(guò)分析高溫下鈦鐵合金的變化過(guò)程，進(jìn)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(chǎn)工藝研究[D]．武漢： 武漢科技大學(xué)，2008．

TG146

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