了解钛的热性能

钛及其合金因其高强度、低重量、优异的耐腐蚀性以及在高温和低温下通常稳定的性能而广泛用于航空航天、汽车、国防、运动器材和医疗保健的结构应用。然而，钛的独特热性能使其不适用于某些应用，而在其他应用中表现出色。

钛在极端温度下的行为与大多数金属略有不同，因此在这种环境中使用钛之前，了解钛的热特性非常重要。例如，虽然钛在高温下仍然很坚固，但它不容易散热，这会导致金属热量积聚。然而，一些钛合金在低温下也能表现得非常出色。

在这篇文章中，我们将探讨钛在高温和低温下的热性能，以及它们如何影响其在常见应用中的性能。

高温下的钛热性能

钛由于其高熔点和高循环疲劳强度，在极端温度环境中表现良好。它在飞机发动机、海军舰艇、航天器、导弹和发电厂管道等应用中是首选，因为它具有出色的耐腐蚀性，由暴露在高温下时发生的保护性氧化过程引起。这种温度氧化在纯氧气氛中会降低。

下面，我们将更深入地了解商用纯钛及钛合金的热性能。

商业纯钛

商业纯钛具有高强度重量比，是用于在高温下运行的部件的绝佳选择，因为它的熔点约为 3,034°F，密度约为 4.5 g/cm3。但是，它的应用有时会受到限制，因为如果钛暴露在高温下与其他金属摩擦的情况下，它会着火并造成严重损坏。

商业纯钛是耐腐蚀的，当暴露在高温下时会形成一层保护性氧化物涂层。当它与水或地球上任何地方的环境温度发生反应时，这可能是积极的。然而，钛在高温下也会与氧和碳发生反应，这给制备钛金属、晶体或粉末带来了挑战。如果钛粉在存在氧气的情况下加热，它可能会在 3D 打印和粉末烧结冶金等工艺中成为爆炸危险。这些特性在管道中表现出色，但不适用于喷气发动机和火箭发动机。

由于其高强度和抗蠕变性，商业纯钛可以在高达约 572°F 的温度下保持稳定。与铝等其他金属相比，钛的导热性和导电性较低，容易产生过多的热量。

钛不溶于水，它的氢溶解度随着温度的升高而进一步降低，使其成为磁约束聚变反应堆的良好候选者。钛还经常用于骨科和牙科植入物，但在大多数应用中，通常会在钛中添加其他金属以制造更坚固、更坚韧的合金。

钛合金

纯钛通常与其他金属混合制成合金，即使在高温下也能提供更高的抗拉强度和韧性。这些合金分为三个不同的类别——α、β和α+β。下面对每个钛合金类别进行简要说明。

• 阿尔法合金 含有铝和锡等金属，在高达 1,100°F 的温度下具有出色的抗蠕变性。正因为如此，α合金通常是高温应用的首选。但是，它们具有中低强度，无法通过热处理提高。
• Beta 合金 含钼、钒、铌等元素，具有优良的淬透性，易于热处理提高强度。这些合金具有高断裂韧性和高度可锻性。但是，β 合金无法承受与 α 合金一样高的温度。
• Alpha+beta 合金 也可热处理并提供中高强度。这些合金还可以在比商业纯钛等级更高的温度下工作，并且具有高达 500-800°F 的抗蠕变性。

一些复杂度较高的钛合金在高达 932°F 左右的温度下表现出高强度。钛合金的热导率通常也低于商业纯钛。

钛在低温下的热性能

钛及其合金也不同于其他金属，因为它们中的一些可以在低温下非常好地保持其强度和延展性。特别是，α 合金适用于低温应用，因为没有 β 合金特有的韧性到脆性转变。由于这种韧性到脆性的转变，通常不考虑在低温环境中使用 β 合金。然而，既包含α相晶体结构又包含β相晶体结构的α-β合金在低温环境中也具有高强度特性。特别是，Ti-6Al-4V α+β 合金可在高达 800°F 左右的低温下使用，并用于许多机身和发动机部件。

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