鈦合金材料在空氣中的反應(yīng)與溫度關(guān)系

鈦棒、鈦管等鈦合金材料在空氣中的反應(yīng)，通常情況下是和氧、氮、氫這三種非金屬元素反應(yīng)，它們的反應(yīng)過(guò)程和溫度有著密切的關(guān)聯(lián)。

鈦在空氣中和氧反應(yīng)，低于100℃時(shí)是很慢的，500℃時(shí)也只是表面被氧化。隨著溫度的升高，表面氧化膜開(kāi)始在鈦中溶解，氧開(kāi)始向金屬內(nèi)部品格擴(kuò)散，但于700℃時(shí)氧還沒(méi)有大量進(jìn)入金屬內(nèi)部晶格。超過(guò)700℃時(shí)，氧向金屬內(nèi)部的擴(kuò)散加速，在高溫下表面氧化膜失去保護(hù)作用。

鈦與氧的反應(yīng)取決于鈦存在的形態(tài)和溫度。粉末鈦在常溫下的空氣中，可因靜電、火花、摩擦等作用下發(fā)生劇烈的燃燒或爆炸。但是，致密鈦在常溫下的空氣中是很穩(wěn)定的。 致密鈦在空氣中受熱時(shí)，便開(kāi)始與氧發(fā)生反應(yīng)，最初氧進(jìn)入鈦表面晶格中，形成一層致密的氧化薄膜，這層表面氧化膜可防止氧向內(nèi)部擴(kuò)散，具有保護(hù)作用，因此鈦在500℃以下的空氣中是穩(wěn)定的。其表面氧化膜的顏色與生成溫度有關(guān)，在200℃以下為銀白色，300℃時(shí)為淡黃色，400℃時(shí)為金黃色，500℃時(shí)為藍(lán)色，600℃時(shí)為紫色，700～800℃時(shí)為紅灰色，800—900℃時(shí)為灰色。 在純氧中，鈦與氧發(fā)生激烈反應(yīng)的起始溫度比在空氣中低，約在500～600℃時(shí)鈦便在氧氣中燃燒。

常溫下鈦不與氮發(fā)生反應(yīng)，但在高溫下，鈦是能在氮?dú)庵腥紵纳贁?shù)金屬元素之一，鈦在氮?dú)庵腥紵郎囟燃s高于800度熔融鈦與氮的反應(yīng)十分激烈。鈦與氮的反應(yīng)，除了可生成鈦的氮化物(Ti3N、TiN等)外，還形成Ti—N固溶體。當(dāng)溫度在500-550度時(shí)，鈦開(kāi)始明顯地吸收氮，形成間隙固溶體；當(dāng)溫度達(dá)到600度以上時(shí)，鈦吸氮的速度增加，在Ti—N固溶體中，由于氮以氮化鈦形式進(jìn)入鈦晶格中，從而使鈦相變溫度增加，氮也是鈦的穩(wěn)定劑。于1050度下氮在中最大溶解度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為7%，于2020度下在鈦中最大溶解度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為2%，但鈦吸氮的速度比其吸氧的速度慢得多，因此鈦在空氣中主要是吸氧，吸氮?jiǎng)t是次要的。

鈦與氫反應(yīng)生成TiH、TiH2化合物和Ti-H固溶體。氫能很好地溶于鈦中，1mol鈦幾乎可吸收2mol的氫。鈦吸氫速度和吸氫量，與溫度和氫氣壓力有關(guān)。常溫下鈦吸氫量小于0.002%。當(dāng)溫度達(dá)到300度時(shí)，鈦吸氫速度增加；500～600度時(shí)達(dá)到最大值。其后隨溫度升高，鈦吸氫量反而減少，當(dāng)達(dá)到1000度時(shí)鈦吸收的氫大部分被分解。氫氣壓力增加，可使鈦吸收氫的速度加快，并增加吸氫量，相反在減少壓力倩況下便可使鈦脫氫。因此鈦與氫的反應(yīng)是可逆的。鈦與氫反應(yīng)在表面上不形成薄膜，因?yàn)闅湓芋w積小，可很快向鈦晶格深處擴(kuò)散形成間隙固溶體，氫在鈦中的溶解，可使鈦相變溫度降低，氫是Ti的穩(wěn)定劑。