纯钛与ZrO2(CaO稳定）铸型界面反应研究
目 录
1 引言 1
1.1 钛及其钛合金性质 1
1.2钛铸件的应用 2
1.3 氧化锆性质 3
1.4 氧化锆的应用与发展前景 3
1.5 熔模概况 4
1.6 界面反应研究 6
1.7 本课题要研究目的与意义 8
2 界面反应差热分析 8
2.1 试验的材料与方法 8
3 界面反应数据模拟 13
3.1 数据模拟 13
3.2 影响因素处理 15
3.3 模拟结果 17
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1 引言
1.1 钛及其钛合金性质
钛原子序数为22，原子核由22个质子和20～32个中子组成。钛的核外电子结构为1s2 2s2 2p6 3s2 3p6，其中电离势相对小是4s电子和3d电子，虽然都不超过50 eV，但3p电子的电离势都超过100 eV，所以钛原子的价电子是4s23d2，钛的最高化学价一般为正四价。
钛的熔点为1668℃，在轻金属中属于高熔点金属。钛的密度为4.51g/cm3(20℃），仅为铁的57.4％。一般钛合金Ti-6A1-4V的密度相对低一点，为4.42 g/cm3。在常温下，钛为α相，是低温密排六方结构，在885℃转变的β相为体心立方结构；990℃是Ti-6A1-4V的相变点。纯钛的电阻率，导热率和比热容与奥氏体不锈钢大不多，但由于密度小，则热容小，容易加热和冷却[1]。
钛还有较好的可塑性，纯钛的延伸率一般能到50~60%，断面的收缩率也能到达70~80%，但是钛的强度比较低，不合适作结构材料，由于有杂质存在，极大的影响了其机械 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
性能，尤其间隙杂质能显著提高钛强度，并大大降低塑性。
钛能在温度较高的情况下，可与许多元素和化合物发生反应如：氧族元素与卤素和钛生成离子键和共价键化合物；过渡元素，氮族元素和钛生成金属间化物和有限固溶体；锆、钒族、铬族等与钛生成无限固溶体[2]。
钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金。钛合金有很强的强度，数据见表1-1。
表1-1 纯钛及钛合金的力学性能
材料 热处理抗拉强度 Rm /MPa屈服强度δS/MPa 延伸率 δ/%
纯钛退火274~417＞167＞27
Ti-6Al-4V退火98092114
Ti-6Al-4V时效1166109810
除上述性能外，钛还有许多其他的特性：
1) 钛合金的高、低温性能较好 — 现在新型钛合金能能长期且稳定的在600℃的高温下环境下工作。同时，钛合金也有非常好的低温性能，在低温(-200℃)下依然有良好的塑性，并能在超低温下工作。
2) 无磁性 — 不会在强的磁场下被磁化。
3) 形状记忆特性 — Ti-Ni合金是很好的形状记忆合金。
4) 吸氢特性 — Ti及Ti-Fe合金是很好的储氢能力。
5) 超导特性 — Nb-Ti合金是很好的低温超导材料。
6) 低阻尼特性 — 在钛中声波和振动衰减很慢[3]。
1.2钛铸件的应用
从20世纪50年代初开始工业化，钛和钛合金铸件在国民经济的各个领域，特别是高技术领域得到越来越广泛的应用。下面用实例来说明其中的少数应用。
1、航空用钛
钛的密度小，但在各种使用温度下，其比热容比刚远大于。用钛合金可降低飞行器的质量，并得到优异的综合性能[4]。
钛合金用于发动机的压气机、风扇叶片、轴、盘、翼梁、襟翼、外壳、隔板、起落架等。美国F-14、F-15、F-18军机的用钛比例分别为：24，27，13%，这些数字就能很好地诠释了“太空金属”的含义。
2、化工及海洋运输用钛
钛及其合金因具良好的耐腐蚀性，是化工和其余要求耐腐蚀行业不能替代的结构材料。
钛具有高强度，良好的耐腐蚀能力，因此用来制造核潜艇的外壳、内部的管道系统。艘俄罗斯核潜艇的双层外层一般要用钛9000t，为了其有下潜深、无磁性、噪音小、航速快、维修次数少等优点。在日本深海调查深潜器的结构一般来说是全钛[5]。
3、汽车用钛
汽车用钛应用始源于20世纪50年代，但直到20世纪80年代的后半期，才真正把钛零部件应用到了车辆的批量生产中。因为钛及其合金有强度高，密度小，耐腐蚀等优良的性质从而受到汽车制造业等尖端行业的关注，钛部件也因此不断的增加。随着钛工业的发展，加工成本的降低，钛材在汽车领域应用前景很被看好见表1-2。
表1-2 国外发动机上用的大型钛合金铸件
铸件名称 发动机型号 直径mm 重量kg 合金种类
中间机匣 RB199 740 48 Ti-6Al-4V
中间机匣 GF6-80 1275 136 Ti-6Al *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
-4V
中间机匣 P.W2037 1020 107 Ti-6Al-4V
中间机匣 F100 860 54 Ti-6Al-4V
压气机匣 P.W2037 710 71 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo
压气机匣 P.W4000 854 72 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo
压气机匣 T700 280 10 Ti-6Al-4V
1.3 氧化锆性质
白色重质的无定形粉末或单斜结晶，无臭，无味，几乎不溶于水。熔点大约为2700℃，密度为5.89，其具有硬度和强度大、熔点和沸点高，常温下为绝缘体，而高温下则具有导电性等优良性质[6]。
氧化锆的化学性质是十分稳定的。不溶于水、盐酸和稀硫酸，溶于热的浓氢氟酸、硝酸和硫酸。与碱共熔可生成相应的锆酸盐。具有良好的热化学稳定性，高温导电性和较高的高温强度和韧性，也具有良好的机械、热学、电学、光学性质。
氧化锆随着加入不同剂量的稳定剂，会产出不同晶型的氧化锆，在其相变过程中由于体积和形状的改变，能够吸收能量，减少裂纹尖端应力集中，从而阻止了裂纹扩展，从而大大地提高材料的韧性，从而使氧化锆陶瓷得到了迅速的发展，主要有三种类型：部分稳定氧化锆陶瓷、四方氧化锆多晶体陶瓷、氧化锆增韧陶瓷[7]。
1.4 氧化锆的应用与发展前景
氧化锆材料具有高强度，高硬度，高韧性，极高的耐磨性及耐化学腐蚀性等等优良的物化性能，氧化锆已经在陶瓷、耐火材料、机械、电子、光学、光纤通信、钟表饰品、航空航天、生物、化学等等各种领域获得广泛的应用。以下为氧化锆在生产、生活的一些应用[8]：
1.5 熔模概况
熔模铸造是一种少切削、无切削的特种铸造方法。用这种方法生产的铸件尺寸精确和表面光滑、几何精确度高；可以节省大量的机械加工工时和设备，提高金属材料的利用率，所以在工业生产中获得日益广泛的应用[9]。
第三种方法是采用实际的浇注的办法，首先要将耐火材料做成型壳，进行铸件的浇注[15]。
1 引言 1
1.1 钛及其钛合金性质 1
1.2钛铸件的应用 2
1.3 氧化锆性质 3
1.4 氧化锆的应用与发展前景 3
1.5 熔模概况 4
1.6 界面反应研究 6
1.7 本课题要研究目的与意义 8
2 界面反应差热分析 8
2.1 试验的材料与方法 8
3 界面反应数据模拟 13
3.1 数据模拟 13
3.2 影响因素处理 15
3.3 模拟结果 17
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1 引言
1.1 钛及其钛合金性质
钛原子序数为22，原子核由22个质子和20～32个中子组成。钛的核外电子结构为1s2 2s2 2p6 3s2 3p6，其中电离势相对小是4s电子和3d电子，虽然都不超过50 eV，但3p电子的电离势都超过100 eV，所以钛原子的价电子是4s23d2，钛的最高化学价一般为正四价。
钛的熔点为1668℃，在轻金属中属于高熔点金属。钛的密度为4.51g/cm3(20℃），仅为铁的57.4％。一般钛合金Ti-6A1-4V的密度相对低一点，为4.42 g/cm3。在常温下，钛为α相，是低温密排六方结构，在885℃转变的β相为体心立方结构；990℃是Ti-6A1-4V的相变点。纯钛的电阻率，导热率和比热容与奥氏体不锈钢大不多，但由于密度小，则热容小，容易加热和冷却[1]。
钛还有较好的可塑性，纯钛的延伸率一般能到50~60%，断面的收缩率也能到达70~80%，但是钛的强度比较低，不合适作结构材料，由于有杂质存在，极大的影响了其机械 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
性能，尤其间隙杂质能显著提高钛强度，并大大降低塑性。
钛能在温度较高的情况下，可与许多元素和化合物发生反应如：氧族元素与卤素和钛生成离子键和共价键化合物；过渡元素，氮族元素和钛生成金属间化物和有限固溶体；锆、钒族、铬族等与钛生成无限固溶体[2]。
钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金。钛合金有很强的强度，数据见表1-1。
表1-1 纯钛及钛合金的力学性能
材料 热处理抗拉强度 Rm /MPa屈服强度δS/MPa 延伸率 δ/%
纯钛退火274~417＞167＞27
Ti-6Al-4V退火98092114
Ti-6Al-4V时效1166109810
除上述性能外，钛还有许多其他的特性：
1) 钛合金的高、低温性能较好 — 现在新型钛合金能能长期且稳定的在600℃的高温下环境下工作。同时，钛合金也有非常好的低温性能，在低温(-200℃)下依然有良好的塑性，并能在超低温下工作。
2) 无磁性 — 不会在强的磁场下被磁化。
3) 形状记忆特性 — Ti-Ni合金是很好的形状记忆合金。
4) 吸氢特性 — Ti及Ti-Fe合金是很好的储氢能力。
5) 超导特性 — Nb-Ti合金是很好的低温超导材料。
6) 低阻尼特性 — 在钛中声波和振动衰减很慢[3]。
1.2钛铸件的应用
从20世纪50年代初开始工业化，钛和钛合金铸件在国民经济的各个领域，特别是高技术领域得到越来越广泛的应用。下面用实例来说明其中的少数应用。
1、航空用钛
钛的密度小，但在各种使用温度下，其比热容比刚远大于。用钛合金可降低飞行器的质量，并得到优异的综合性能[4]。
钛合金用于发动机的压气机、风扇叶片、轴、盘、翼梁、襟翼、外壳、隔板、起落架等。美国F-14、F-15、F-18军机的用钛比例分别为：24，27，13%，这些数字就能很好地诠释了“太空金属”的含义。
2、化工及海洋运输用钛
钛及其合金因具良好的耐腐蚀性，是化工和其余要求耐腐蚀行业不能替代的结构材料。
钛具有高强度，良好的耐腐蚀能力，因此用来制造核潜艇的外壳、内部的管道系统。艘俄罗斯核潜艇的双层外层一般要用钛9000t，为了其有下潜深、无磁性、噪音小、航速快、维修次数少等优点。在日本深海调查深潜器的结构一般来说是全钛[5]。
3、汽车用钛
汽车用钛应用始源于20世纪50年代，但直到20世纪80年代的后半期，才真正把钛零部件应用到了车辆的批量生产中。因为钛及其合金有强度高，密度小，耐腐蚀等优良的性质从而受到汽车制造业等尖端行业的关注，钛部件也因此不断的增加。随着钛工业的发展，加工成本的降低，钛材在汽车领域应用前景很被看好见表1-2。
表1-2 国外发动机上用的大型钛合金铸件
铸件名称 发动机型号 直径mm 重量kg 合金种类
中间机匣 RB199 740 48 Ti-6Al-4V
中间机匣 GF6-80 1275 136 Ti-6Al *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
-4V
中间机匣 P.W2037 1020 107 Ti-6Al-4V
中间机匣 F100 860 54 Ti-6Al-4V
压气机匣 P.W2037 710 71 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo
压气机匣 P.W4000 854 72 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo
压气机匣 T700 280 10 Ti-6Al-4V
1.3 氧化锆性质
白色重质的无定形粉末或单斜结晶，无臭，无味，几乎不溶于水。熔点大约为2700℃，密度为5.89，其具有硬度和强度大、熔点和沸点高，常温下为绝缘体，而高温下则具有导电性等优良性质[6]。
氧化锆的化学性质是十分稳定的。不溶于水、盐酸和稀硫酸，溶于热的浓氢氟酸、硝酸和硫酸。与碱共熔可生成相应的锆酸盐。具有良好的热化学稳定性，高温导电性和较高的高温强度和韧性，也具有良好的机械、热学、电学、光学性质。
氧化锆随着加入不同剂量的稳定剂，会产出不同晶型的氧化锆，在其相变过程中由于体积和形状的改变，能够吸收能量，减少裂纹尖端应力集中，从而阻止了裂纹扩展，从而大大地提高材料的韧性，从而使氧化锆陶瓷得到了迅速的发展，主要有三种类型：部分稳定氧化锆陶瓷、四方氧化锆多晶体陶瓷、氧化锆增韧陶瓷[7]。
1.4 氧化锆的应用与发展前景
氧化锆材料具有高强度，高硬度，高韧性，极高的耐磨性及耐化学腐蚀性等等优良的物化性能，氧化锆已经在陶瓷、耐火材料、机械、电子、光学、光纤通信、钟表饰品、航空航天、生物、化学等等各种领域获得广泛的应用。以下为氧化锆在生产、生活的一些应用[8]：
1.5 熔模概况
熔模铸造是一种少切削、无切削的特种铸造方法。用这种方法生产的铸件尺寸精确和表面光滑、几何精确度高；可以节省大量的机械加工工时和设备，提高金属材料的利用率，所以在工业生产中获得日益广泛的应用[9]。
第三种方法是采用实际的浇注的办法，首先要将耐火材料做成型壳，进行铸件的浇注[15]。
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