1、密度小、強(qiáng)度高、比強(qiáng)度大
鈦的密度是4.51g/cm3,為鋼的57%,只是鋼的一半多一點(diǎn),不到鋁的兩倍,強(qiáng)度比鋁大三倍。鈦合金的比強(qiáng)度是常用工業(yè)合金中最大的,鈦合金的比強(qiáng)度是不銹鋼的3.5倍,是鋁合金的1.3倍,是鎂合金的1.7倍,所以是宇航工業(yè)必不可少的結(jié)構(gòu)材料。
鈦與其它金屬密度和比強(qiáng)度的比較見表1-1。
表1-1鈦與其他金屬密度和比強(qiáng)度的比較
金屬 鈦(合金) 鐵 鋁(合金) 鎂(合金) 高強(qiáng)度鋼
密度/(g·cm-3) 比強(qiáng)度 4.5 (29) 7.87 -- 2.7 (21) 1.74 (16) -- 23
2、耐腐蝕性能優(yōu)異
鈦的鈍性取決于氧化膜的存在,它在氧化性介質(zhì)中的耐蝕性比在還原性介質(zhì)中要好的多,在還原性介質(zhì)中能發(fā)生高速率腐蝕。鈦在一些腐蝕性介質(zhì)中不被腐蝕,如海水、濕氯氣、亞氯酸鹽及次氯酸鹽溶液、硝酸、鉻酸、金屬氯化物、硫化物以及有機(jī)酸等??墒?,在與鈦反應(yīng)產(chǎn)生氫的介質(zhì)(例如鹽酸和硫酸)中,鈦通常具有較大的腐蝕率。但如果在酸中加入少量的氧化劑會(huì)使鈦形成一層鈍化膜。所以在硫酸-硝酸或鹽酸-硝酸的混合液里,甚至在含游離氯的鹽酸中,鈦都是耐腐蝕的。鈦的保護(hù)性氧化膜經(jīng)常是當(dāng)金屬碰到水時(shí)形成的,即使少量的水或以水蒸氣存在也能形成。如果把鈦暴露于完全沒有水的強(qiáng)氧化性環(huán)境里,就能發(fā)生快速氧化并產(chǎn)生劇烈的、常常出現(xiàn)自燃反應(yīng)。鈦與含過量氧化氮的發(fā)煙硝酸以及鈦與干氯氣的反應(yīng)就發(fā)生過這類行為。然而要預(yù)防發(fā)生這類狀態(tài)下的反應(yīng),必須要有一定量的水分。
3、耐熱性能好
通常鋁在150℃,不銹鋼在310℃即失去了原有較高的力學(xué)性能,而鈦合金在500℃左右仍保持良好的力學(xué)性能。當(dāng)飛機(jī)速度達(dá)到音速的2.7倍時(shí),飛機(jī)機(jī)構(gòu)表面溫度達(dá)到230℃,鋁合金和鎂合金已不能使用,而鈦合金則能滿足要求。鈦的耐熱性能好,它適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的渦輪盤和葉片以及飛機(jī)后機(jī)身的蒙皮。
4、低溫性能好
某些鈦合金(如Ti-5Al-2.5SnELI)的強(qiáng)度隨溫度的降低而提高,但塑性降低的不多,在低溫下仍有較好的延性及韌性,適宜在超低溫下使用。可以用于液氫、液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上,或在載人飛船上做超低溫容器和貯箱等。
5、無磁
鈦無磁性,它用于潛艇殼體,不會(huì)引起水雷的爆炸。
6、導(dǎo)熱系數(shù)小
鈦與其它金屬的熱導(dǎo)率比較見下表:
金屬 Ti Al Fe Cu
熱導(dǎo)率/W·(m·K) 17 212 85 255
鈦的熱導(dǎo)率小,僅為鋼的1/5,鋁的1/13,銅的1/25。導(dǎo)熱性不好是鈦的一個(gè)缺點(diǎn),但在某些場(chǎng)合下可以利用鈦的這一特征。
7、彈性模量小
金屬 Ti Al Fe
彈性模量/GPa 108 72 196
鈦的彈性模量約為鐵的55%,作為結(jié)構(gòu)材料使用時(shí),彈性模量低是個(gè)缺點(diǎn)。
8、抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度接近
Ti-6Al-4V鈦合金抗拉強(qiáng)度為960Mpa,屈服強(qiáng)度為892MPa,兩者之間差只有58Mpa。
鈦與其它金屬在抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度之間的比較見下表:
強(qiáng)度 鈦合金(Ti-6Al-4V) 18-8不銹鋼 鋁合金
抗拉強(qiáng)度 960 608 470
屈服強(qiáng)度 892 255 294
9、鈦在高溫下容易被氧化
鈦同氫、氧的結(jié)合力強(qiáng),要注意防止氧化和吸氫。鈦材焊接要在氬氣保護(hù)下進(jìn)行,防止污染。鈦管與薄板要在真空下熱處理,鈦鍛件在熱處理時(shí)要控制微氧化性氣氛。
10、抗阻尼性能低
用鈦及其他金屬材料(銅、鋼)制成形狀和大小完全一樣的鐘,用同等的力把每個(gè)鐘敲一下就會(huì)發(fā)現(xiàn),用鈦?zhàn)龅溺娬鹗幤饋砺曇舫掷m(xù)的時(shí)間長(zhǎng),即通過敲擊給予鐘的能量不容易消失。
鈦及鈦合金加工材的特殊功能:
11、形狀記憶功能
Ti-50%Ni(原子分?jǐn)?shù))合金,在一定的溫度條件下,它有能夠恢復(fù)它的原來形狀的本領(lǐng),故稱它為鈦形狀記憶合金。
12、超導(dǎo)功能
NbTi合金,當(dāng)溫度下降到接近絕對(duì)零度時(shí),NbTi合金制成的導(dǎo)線,會(huì)失去電阻,可以使任意大的電流通過,導(dǎo)線不會(huì)發(fā)熱,沒有能耗,故NbTi合金被稱為超導(dǎo)材料。
13、吸氫功能
Ti-50%Fe(原子分?jǐn)?shù))合金,具有大量吸收氫氣的本領(lǐng)。利用Ti-Fe合金的這一特征,可把氫安全地貯存起來,即貯存氫不一定使用鋼制高壓氣瓶。在一定條件下還可以讓貯氫Ti-Fe合金把氫放出來,故它被稱為貯氫材料。