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鈦的氧化過程及如何提高抗氧化能力

來源:鈦棒,鈦板,鈦管,鈦絲,鈦設備,鈦合金,鈦材 發布時間:2015-9-21 13:51:46

在高溫下的急劇氧化,在鈦表面形成鈦硅化合物及鈦鋁化合物,可防止鈦在700℃以上溫度下的氧化。這種表面處理對鈦的高溫氧化非常有效,也許鈦表面涂覆這類化合物,對鈦瓷結合有利,仍須進一步研究。從抗氧化的角度,鈦合金的使用溫度不宜超過500℃,一般采用測定帶氧化膜試樣和不帶氧化膜試樣斷面收縮率的差值,作為氧化程度的指標,氧化是限制鈦材料高溫使用的主要原因之一。鈦材料與氧化合成氧化物的過程。鈦材料在常溫空氣中是穩定的,但在空氣中或氧化氣氛中加熱,很容易發生氧化。氧化程度取決于鈦材料自身特性和環境中氧的濃度,加熱時間與加熱溫度等。高溫下,鈦材料迅速氧化,導致合金變脆,力學性能惡化。

在研究鈦陽極薄膜的相組成時確定,氧化薄膜普通是倫琴(X射線)非晶質薄膜,當形成這薄膜時具有低的電位擊穿電平^按照某些作者的意見,在一定電壓條件下形成薄膜過程中發現的陽極薄膜擊穿總是作隨著晶體的形成。 在陽極氧化薄膜表面的鈦具有很髙的耐氧化程度。在二氧化鈦(Ti02)的下面發現了低分子量鈦的氧化物,當提髙氧化物的形成電位時厚度增加,并旦薄膜中的低分子量的鈦氧化物部分減少。鈦的氧化物形成電位區內,在鈦表面發現了成分Ti50B到的鈦氧化物,這種范圍的鈦氧化物隨著陽極電位的增加而轉變成二氧化鈦Ti02(八面石)這樣以來,根據陽極電位增加的程度鈦的氧化薄膜成分發生變化,氧化程度從零轉變成很髙。

因為火花溫度對于八面石到金紅石的多態性轉變足夠用,還沒有闡明為什么鍍層中能觀察到氧化物的準穩定變型(變種)。甚至由于等離子噴涂氧化鋁的結果,雖然被噴涂氧化物溫度很髙,但是仍然得到低溫變型的。這就是在采用等離子噴涂及微弧氧化的情況下,可以找到形成鍍層過程中的確定的相同之處。看來,其中的-個主要原因可能是在微弧氧化時一小部分氧化層發生熔融,而且在微弧移動時這個迗域的熔融物發生劇烈地冷卻。進行短期放電有助于在鍍層里形成無品形相。由于承擔擊穿的陽極微小段的電解質中冷卻速度快的結果,發生薄膜材料的淬火,而沒有達到熱力學平衡,沒有完全呈結晶相的形成。對這種薄膜進行倫琴非晶質形的研究發現,在非晶質形矩陣屮存在著變型(八面石)的多晶組織,在硫酸或磷酸中形成的薄膜是由晶質形相TiO2組成,該相是在電壓提髙條件結晶的相。利用結晶圖承法研究闡明了在低密度電流條件下板鈦礦怎樣形成結晶產品。曾確定,陽極簿膜TiO2處于銳鈦礦(八面石)的變型狀態。在形成電壓條件下,利用薄膜火花電壓漸近法發現變型鈦氧化物的夾雜物金紅石。當繼續提髙薄膜電壓時,就完全轉變成金紅石了。

提高鈦材料抗氧化能力,可通過涂層和開發更加抗氧化合金的途徑來實現。涂層可采用表面加工技術,在鈦材料表面涂上具有保護性的金屬層(如鋁、鉑、金等)或金屬與氧化物混合物層(如Al+SiO2),以提高鈦材料的抗氧化性能。采用鉑離子鍍層,Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo在590℃長期不氧化。用鎢、鉑分別作鍍層的底層,則其抗氧化溫度可提高到700℃。調整鈦合金成分,也能提高鈦材料的抗氧化能力。選擇合金元素的皮林一貝德沃斯比應大于1,吉代自由能低于鈦,符合豪費(Hauffe)定律。提高抗氧化能力的合金元素有:鈮、鋁、鉬、鎢、錫、硅等。添加這些合金元素而獲得良好抗氧化能力的鈦合金,如Ti-5A1,Ti-5Al-2.5Sn,Ti-4Al-3Mo-1V,Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-O.5Mo-O.7Nb-O.35Si-0.06C等。Ti3A1,Ti-Al,Ti-Al-Nb等金屬間化合物的抗氧化能力更高,Ti3A1的抗氧化溫度可達750℃以上,TiAl可達900℃以上,Ti-A1-Nb的抗氧化能力比TiAl更高。

溫度高于800℃,氧化膜分解,氧原子將通過氧化膜進入金屬晶格,發生脆化。鈦的氧化動力學一般情況下,低溫時遵循拋物線規律,高溫時遵循直線規律。鈦形成的氧化膜的分子體積,大于生成氧化膜所消耗的金屬原子體積,所以,形成的氧化膜能蓋住金屬整個表面。在500℃時,鈦材料表面形成的氧化膜具有保護作用,能防氧的滲透,阻止鈦材料繼續氧化。溫度繼續升高,氧化膜失去保護作用,發生激烈氧化,氧透過氧化膜向金屬內部擴散,形成明顯的滲氣層。

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