纯钛不同温度热氧化处理组织与耐蚀性研究 HUA system office room 【HUA16H-TTMS2A-HUAS8Q8-HUAH1688】学号：05430205江苏工业学院毕业论文（2009届）题目纯钛不同温度热氧化处理组织与耐蚀性研究学生倪静学院材料科学与工程学院专业班级金材052校内指导教师胡静专业技术职务教授二○○九年六月纯钛不同温度热氧化处理组织与耐蚀性研究摘要：钛及钛合金由于其高的比强度、优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性，广泛应用于航空航天、化工、航海、医疗器械、国防领域。
但钛及钛合金在一些介质中较差的耐腐蚀性限制了它的应用。
热氧化处理是一种简单、环保的工艺，可强化钛合金的表面，改善钛在一些介质中的耐腐蚀性能。
本研究选取了TA2为研究对象，将TA2置于箱式电阻炉中进行温度为500℃、600℃、650℃、700℃、750℃和850℃，时间为210min热氧化。
利用光学显微镜（OM）对不同温度热氧化试样表层和截面的组织分析；用扫描电子显微镜（SEM）对不同温度热氧化试样的表层和截面、腐蚀前后进行组织形貌进行分析；利用EDS分析了微区成分和截面元素分布情况；采用X射线（XRD）对不同温度热氧化试样的表层进行物相分析；利用维氏硬度计对不同温度热氧化试样的表层进行显微硬度分析。
最后研究了TA2经不同温度热氧化后在36-38%的HCl和30%的H2O2中的耐腐蚀性。
研究结果表明，600℃以上热氧化在表面形成了TiO2氧化膜，整个氧化渗层由表层TiO2氧化膜和氧扩散层构成，热氧化温度越高，表面形成的TiO2氧化膜越厚，表面硬度越高。
热氧化后试样表面硬度随温度升高而提高；耐腐蚀性在一定温度范围内，随温度升高而提高，本研究中，210min、700℃生成的氧化膜的耐腐蚀性最好。
关键词：纯钛；热氧化；氧化层；显微硬度；耐腐蚀性The effect of thermal oxidation at different temperature on the microstructure and corrosion-resistance for CP-TiAbstract: Titanium and its alloys have a wide range of applications inthe fields of aerospace，chemical industry，marine，biomedical devices and defense because of their combination of properties in terms of high strength to weight ratio, exceptional resistance to corrosion and excellent biocompatibility. However, the poor tribological properties and undesirable corrosion-resistance in certain mediums of titanium alloys are still a limit for their use in some applications. Thermal oxidation (TO) treatment is an easy and environmental friendly technique that can be used to harden the surface of titanium alloys， and hence improve the poor tribological properties of these materials.TA2 samples were subjected to TO treatment at 500℃、600℃、650℃、700℃、750℃、850℃ for 210min. The effects of different TO temperature onmicrostructure、hardness、corrosion resistance in 36-38% HCl、30% H2O2ofTA2 were systematically studied. OM， SEM&EDS， XRD etc were employed forthe microstructure, morphology and phases analysis; The hardness was measured by Vickerhardness tester. As reference, all the tests above were carried out on untreated TA2 as both counterparts.The results showed that the hardness of TA2 surface increases accompanied by significant improvement in wear resistance. The higher the TO temperature is，the thicker the oxidized film is. The oxidized film consists of titanium dioxide layer and oxygen diffusion zone beneath it. The best corrosion resistance was obtained after 210min700℃ TO treatment.Key words: CP-Ti；Thermal oxidation；Oxidation layer；Micro-hardness；Corrosion-resistance目录摘要 (I)ABSTRACT (II)目录 (III)1绪论 (1)1.1钛的基本性质 (1)1.1.1 物理性质 (1)1.1.2 力学性能 (2)1.1.3 化学性能 (2)1.1.3.1 与氧的作用 (3)1.1.3.2 与氮的作用 (3)1.1.3.3 钛的耐腐介质的性能 (3)1.2钛的组织与结构特征 (4)1.3钛合金分类 (4)1.3.1 α﹣钛合金 (4)1.3.2 α+β合金 (5)1.3.3 β﹣钛合金和近β钛合金（lean β type alloy） (5)1.4工业纯钛简介 (5)1.5钛及钛合金的应用 (6)1.6钛及钛合金的缺陷 (7)1.7钛合金氧化处理的研究进展 (7)1.7.1 热氧化处理 (7)1.7.2 微弧氧化 (8)1.7.3 渗氧强化 (8)1.7.4 阳极氧化 (9)1.8课题研究的目的、内容 (9)1.8.1 课题研究的目的 (9)1.8.2 课题研究的内容 (9)2实验过程 (10)2.1试验方案 (10)2.2实验材料 (10)2.3实验方法 (10)2.3.1 制备试样与预处理 (10)2.3.2 TA2样品热氧化和氧化动力学分析 (11)2.3.2.1 TA2样品热氧化 (11)2.3.2.2 氧化动力学分析 (11)2.3.2.3 金属氧化的基础 (11)2.3.2.4 金属的氧化速度的表示方法 (12)2.3.3 金相试样的制备 (12)2.3.4 扫描电子显微镜（SEM）观察、EDS观察 (13)2.3.5 X射线衍射分析 (13)2.4性能测试 (13)2.4.1 显微硬度测量分析 (13)2.4.2 耐腐蚀性能测试 (14)3 结果和讨论 (15)3.1热氧化实验结果与分析 (15)3.2原始样与热氧化试样的金相及扫描电子显微（SEM&EDS）观察 (16)3.2.1 原始样与热氧化试样的金相 (16)3.2.2 热氧化试样截面的SEM分析 (18)3.2.3 热氧化试样截面的EDS分析 (19)3.3X射线衍射分析 (21)3.4显微硬度测试分析 (22)3.5腐蚀性能分析 (23)3.5.1 金属腐蚀速度的表示法 (23)3.5.2 钛在盐酸中的腐蚀 (23)3.5.3 钛在H2O2中的腐蚀 (25)4结论 (27)参考文献 (28)致谢 (29)1绪论1.1 钛的基本性质钛的矿物在自然界中分布很广，钛在地壳中的含量约为0.64%，在金属中仅次于铝、铁和镁。
处于分散状态，主要形成矿物钛铁矿Fe-TiO3、金红石TiO2及钒钛铁矿等，约占地壳重的0.6%，在金属世界里排行第7，含钛的矿物多达70多种，在海水中含量是1μg/L，在海底结核中也含有大量的钛。
含TiO2的钛矿石，见表1-1，金红石结构见图1-1[1]。
表1-1 含TiO2的钛矿石矿石名称化学成分w(TiO2)%晶体形状金红石TiO2100-95正方晶板钛矿石TiO2100-95斜方晶锐钛矿石TiO2100-95正方晶金红石（TiO2）晶体结构如图1-1所示，金属离子处于由TiO6组成的八面体的空隙空洞中，在边和棱角处每个氧原子属于三个近邻八面体所共有氧的配位数3，当它的八面体稍微变形，它们彼此间位置和形状改变，有沟道平行于c轴，它们成为原子或间隙离子已扩散的通道[2]。
晶体结构图1-1 金红石TiO21.1.1 物理性质纯净的钛是银白色金属，具有银灰色光泽。
钛属难熔金属，原子金属序数为22，原子质量为47.90，位于周期表ⅣB族。
钛有两种同素异构体，α-Ti在882℃以下稳定，为密排六方晶格（hcp）结构，是一种银白色的金属[3]；β-Ti在882℃与熔点1678℃之间稳定存在，具有体心立方晶格(bcc)结构。
在882℃发生α←→β转变。
α-Ti的点阵常数（20℃）为a=0.32 82nm，c=0.4683nm，c/a=1.587；β-Ti的点阵常数为a=0.3282nm(20℃)或a=0.3306 nm(900℃)。
钛的密度为4.51g/cm3，相当于钢的57%，属轻金属。
钛的熔点较高，导电性差，热导率和线膨胀系数均较低，钛的热导率只有铁的1/4，是铜的1/7。
钛无磁性，在很强的磁场下也不会磁化，用钛制造人造骨和关节植入人体内不会受雷雨天气的影响。
当温度低于0.49K时，钛呈现超导电性，经合金化后，超导温度可提高到9 -10K[4]。
1.1.2 力学性能具有hcp的晶体其滑移方向一般为<1120>，而滑移面除{0001}之外还与其轴比（c/a）有关，当c/a<1.633时，则{0001}不再是唯一的原子密排面，滑移可发生于{1011}或{1010}等晶面[5]。