钛铁合金在高温下的变化过程

钟 韬

（湖南工业大学，湖南 株洲 12007）

钛铁合金在高温下的变化过程

钟 韬

（湖南工业大学，湖南 株洲 12007）

作为钛资源的钛合金凸显出了无穷的市场潜力，其中最具有开发前景的就是钛铁合金。熔点电解制备钛铁合金的方法，主要特点是过程较短、耗能较低、污染很少等。本文围绕高温下钛铁合金的变化过程，具体分析了钛及钛合金用途，钛铁合金在高温下的实验反应，高温下钛铁合金反应变化过程。

钛铁合金；高温；反应变化

一﹑钛及钛合金用途

钛是一种现代化的高性能金属，拥有不少金属无法取代的作用。特别是在超音速飞机﹑导弹﹑火箭等领域中属于不可或缺的材料之一，被人称为空间金属。

钛合金比强度为27-33，相当于铝合金的1.3倍，镁合金的1.6倍，不锈钢的3倍，是当前工业金属材料中最高重比强度，因此为了加强航天航空架构重量而大量应用。同时，在高温和低温条件下都能体现出很好的力学性能，有效对高速飞行过程中，飞机机体提高表面温度而失去原来机械功能问题进行了解决。

钛合金抗压强度相当于同等强度极限合金的8倍。在常温下，虽然钛合金与铝镁合金强度类似，但是当达到150-430℃时，基本上钛合金强度不会改变，而铝镁合金强度却在迅速降低。此外，在这一温度范围内，其强度比不锈钢强度高，因此大部分时候能够取代镁合金与铝合金，在石油﹑化工﹑发电部门积极进行应用。

与不锈钢板比较，钛合金的耐腐蚀性极强，在热海水中不会产生孔腐蚀与缝隙问题。把一定的Ta﹑Pb添加之后会出现抗酸类腐蚀。

钛合金还能作为储氢材料，具有记忆和超导功能，在一些非航天领域中广泛应用。所以，作为一种具有时代特点的金属，钛以及合金不但能够作为重要的结构材料还能够成为优秀的功能材料。但是由于钛具有较高的成本，造成当前无法完全达到钛替代钢铁的目标。

二﹑钛铁合金在高温下的实验反应

在CaCl2熔盐系统中，研究对象是钛精矿阴极，分别在高温850和900℃下实行电解实验，对高温条件下钛铁合金反应变化过程进行分析。

实验反应应用的原料是钛精矿，在Ar气保护的情况下，熔融钛精矿之后凝固，制作成供实验使用的阴极。对纯CaCl2作为电解质，将石墨棒作为阳极，利用石墨坩埚反应器实行电解，分别采用850和 900℃作为电解温度。电解结束之后取出阴极，通过蒸馏水洗电解产物表面附着的熔盐，使用超声波清洗设备清洗，同时利用低温烘烤实施脱水。样品形貌过程中利用扫描电子显微镜，同时检测样品组分。

三﹑高温下钛铁合金反应变化过程

（一）钛精矿阴极的物相和形貌

凝固的钛精矿熔融之后阴极物相和原矿基本保持不变，具体组分是FeTiO3，Ar气保护很好避免了氧化钛精矿中的Fe。与此同时检测到存在的CaSiO3。

（二）850℃电解产物变化分析

温度在850℃时，分别对钛精矿阴极实行了电解实验。通过分析可知，形貌在阴极电解之后出现了显著的变化，从初期的紧密结构转变为大小是1μm颗粒的球型离散结构。电解样品在反应了0.5h之后产生了一系列中间产物为Fe﹑TiO等；电解样品在反应了10h之后产生了物相Ti和TiFe2，其中TiFe形成了并不显著的衍射峰；当结束48h反应时间之后，TiFe是主要的反应产物。

（三）900℃电解产物变化分析

同样条件下，在不同时间对高温900℃钛精矿进行电解实验。通过分析电解样品形貌可知，高温900℃和850℃时电解产物的形貌出现了显著变化，从850℃的1μm颗粒大小增加到3μm，从850℃离散球型结构形貌转变为空间网状结构，颗粒之间产生了显著的固结变化。当电解样品反应0.5h时产生的中间产物为Fe﹑TiO等，同时还存在的是TiFe和TiFe2。经过10h反应之后，TiFe为主要产物，此时还存在着一定量的TiFe2。对反应时间不断增加直到48h之后，TiFe成为电解样品中的重要物相。由于钛铁合金的产生过程是利用TiFe2和Ti之间的彼此扩散，因此出现TiFe的同时，还存在很少的TiFe2。

（四）电解产物在高温下出现的变化

通过软件对熔盐电解钛精矿过程中形成的各类反应实行热力学计算，由此可知，电解电压过程中的Fe比Ti低，Fe在电解过程中被优先进行还原。经过分析850℃电解0.5h样品结果可知出现了单质Fe，而Ti的存在形式是钙钛矿和钛的低价氧化物。还原Ti从+4﹑+3和+2，最终对Ti进行逐渐还原。在阴极表面反应范围内存在钙钛矿，精密的阴极结构对熔盐中的钙离子扩散至阴极内部进行了阻止，因此电解还原在这一阴极内部并没有出现CaTiO3。Ti和Fe在高温下产生钛铁合金属于一个自发过程，还原Ti的过程中，形成的钛铁合金电解电压要低于单质Ti。所以钛在热力学上还原优先形成的铁微粒的还原并且合金化过程，相较于金属钛还原更加容易，因此反应初期并不存在单质Ti。而产生的TiFe2比TiFe具有更低的电解电压，也形成了更加稳定的结构，所以合金化过程中会首先出现TiFe2。但是在TiFe2上Ti微粒还原且合金化过程产生的电解电压比直接产生的单质Ti拥有更高的电解电压，经过计算热力学可知，结合Ti和TiFe2产生TiFe是一个非自发过程。当Fe产生TiFe2而消耗完以后，Ti将会利用单质形式进行还原电解。伴随着不断增加的反应时间，进一步增强了扩散。

电解产物在900℃时相较于850℃的物相和结构存在着显著差异，表明在钛精矿电解制备钛铁合金过程中高温发挥了关键作用。在本次实验情况下，没有改变各种电极反应次序，因此电解肌理并没有发生变化。但是升高的温度提升了电解速率以及Fe﹑Ti和O的扩散迁移能力。电解0.5h在850℃和900℃下分别对应还原了一部分Fe以及TiFe2和TiFe，表明温度对于电解过程的提升十分有利。

结语

钛铁合金是一种具有广泛用途的重要物质，具体是针对炼铁所使用的除气剂﹑脱氧剂等，以及成为电焊跳的重要材料。本文通过分析高温下钛铁合金的变化过程，进一步提高容颜电解制备钛铁合金效益，以期获得更好的效果。

[1]杜继红，李晴宇．熔盐中电解钛铁矿制备TiFe合金[J]．稀有金属材料与工程，2010，（12）

[2]赵栋楠．高钛铁生产工艺研究[D]．武汉： 武汉科技大学，2008．

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