1. Введение
Равновесная температура плавления чистого титан (Из) в 1 атмосфера 1668.0 °С (≈ 1941.15 К, 3034.4 °Ф).
Это единственное число является важным ориентиром, но для проектирования и производства это только отправная точка: титан демонстрирует аллотропное превращение α→β при ≈ 882 °С;
сплавы и примеси создают диапазоны солидус/ликвидус, а не одну точку; а чрезвычайная химическая активность титана при повышенных температурах вынуждает производителей плавить его и обращаться с ним в вакууме или инертной среде..
В этой статье объясняется температура плавления с термодинамической точки зрения., показывает, как легирование и загрязнение изменяют поведение плавления/затвердевания., предоставляет практические оценки энергии плавки и описывает промышленные технологии плавки и средства контроля процесса, необходимые для производства экологически чистой продукции., изделия из высокопрочного титана и титановых сплавов.
2. Физическая температура плавления чистого титана
| Количество | Ценить |
| Температура плавления (Ти тоже, 1 банкомат) | 1668.0 °С |
| Температура плавления (Кельвин) | 1941.15 К (1668.0 + 273.15) |
| Температура плавления (Фаренгейт) | 3034.4 °Ф (1668.0 × 9/5 + 32) |
| Аллотропная трансформация (а → б) | ~882 °С (≈ 1155 К) - важное изменение в твердом состоянии ниже точки плавления |
3. Термодинамика и кинетика плавления
- Термодинамическое определение: плавление – это фазовый переход первого рода, при котором свободные энергии Гиббса твердой и жидкой фаз равны.
Для чистого элемента при фиксированном давлении это резко определенная температура. (точка плавления). - Скрытое тепло: энергия поглощается в виде скрытой теплоты плавления, разрушая кристаллический порядок.; температура не повышается во время фазового перехода до завершения плавления.
- Кинетика и переохлаждение: во время затвердевания жидкость может оставаться ниже равновесного плавления (жидкость) температура — переохлаждение - что изменяет скорость нуклеации и микроструктуру (размер зерна, морфология).
На практике, скорость охлаждения, Места зарождения и состав сплава определяют путь затвердевания и конечную микроструктуру.. - Гетерогенное и гомогенное зародышеобразование: реальные системы затвердевают путем гетерогенного зарождения (по примесям, плесень на стенах, или инокулянты), поэтому чистота процесса и конструкция пресс-формы влияют на эффективное поведение при затвердевании.
4. Аллотропия и фазовое поведение, связанное с плавлением
- а ↔ β-преобразование: титан имеет две кристаллические структуры в твердом состоянии: шестиугольный плотноупакованный (α-Ti) стабильный при низкой температуре и объемноцентрированный кубический (β-Ti) стабильно выше β-переход (~882 °C для чистого Ti).
Это аллотропное изменение намного ниже точки плавления, но влияет на механическое поведение и эволюцию микроструктуры во время нагрева и охлаждения.. - Подразумеваемое: существование α- и β-фаз означает, что многие титановые сплавы предназначены для использования α-фаз., а+б, или поля β-фазы для требуемой силы, прочность и реакция на обработку.
β-трансус контролирует окна ковки/термообработки и влияет на поведение сплава по мере приближения к плавлению во время таких процессов, как сварка или переплавка..
5. Как легируют, примеси и давление влияют на плавление/затвердевание
- Сплавы: большинство технических деталей из титана представляют собой сплавы (Ти-6Ал-4В, Ти-6Ал-2Сн-4Цр-2Мо, и т. д.). Эти сплавы показывают Твердое вещество → жидкость температурные интервалы; некоторые легирующие добавки повышают или понижают ликвидус и расширяют диапазон замерзания..
Более широкий диапазон замораживания увеличивает восприимчивость к дефектам усадки и затрудняет подачу во время затвердевания.. Всегда используйте данные солидуса/ликвидуса для конкретного сплава для заданных значений процесса.. - Межстраничные объявления & бродячие элементы: кислород, азот и водород не являются простыми «изменителями температуры плавления», но они сильно влияют на механические свойства. (кислород и азот повышают прочность, но делают хрупкими).
Следы загрязнений (Фе, Ал, В, С, и т. д.) влияют на фазообразование и поведение плавления. Небольшие количества легкоплавких примесей могут создавать локальные аномалии плавления.. - Давление: повышенное давление немного повышает температуру плавления (Отношение Клапейрона). Промышленная плавка титана осуществляется при атмосферном давлении или в вакууме/инертном газе.;
приложенное давление при затвердевании (например, при литье под давлением) существенно не изменяют основную температуру плавления, но могут влиять на образование дефектов.
6. Диапазоны плавления обычных титановых сплавов
Ниже представлен чистый, инженерно-ориентированная таблица, показывающая типичное плавление (Твердое вещество → жидкость) диапазоны для обычно используемых титановых сплавов.
Ценности примерные типичные диапазоны используется для планирования процесса и сравнения сплавов — всегда проверяйте с сертификатом анализа поставщика сплава или с термическим анализом (ДСК / кривая охлаждения) для точных настроек плавления/обработки конкретной партии.
| Сплав (общее имя / оценка) | Диапазон плавления (°С) | Диапазон плавления (°Ф) | Диапазон плавления (К) | Типичные примечания |
| Чистый титан (Из) | 1668.0 | 3034.4 | 1941.15 | Элементарная ссылка (одноточечное плавление). |
| Ти-6Ал-4В (Оценка 5) | 1604 – 1660 | 2919.2 – 3020.0 | 1877.15 – 1933.15 | Наиболее широко используемый сплав α+β.; общий солидус → ликвидус, используемый для обработки. |
| Ти-6Ал-4В ЭЛИ (Оценка 23) | 1604 – 1660 | 2919.2 – 3020.0 | 1877.15 – 1933.15 | Вариант ELI с более жестким контролем межстраничных объявлений; аналогичный диапазон плавления. |
| Ти-3Ал-2,5В (Оценка 9) | 1590 – 1640 | 2894.0 – 2984.0 | 1863.15 – 1913.15 | α+β-сплав с несколько более низким ликвидусом, чем Ti-6Al-4V.. |
| Ти-5Ал-2,5Сн (Оценка 6) | 1585 – 1600 | 2885.0 – 2912.0 | 1858.15 – 1873.15 | Околоальфа-сплав; часто упоминается с узким интервалом плавления. |
Ти-6Ал-2Сн-4Цр-2Мо (Оф-6-2-4-2 / Ти-6242) |
1680 – 1705 | 3056.0 – 3101.0 | 1953.15 – 1978.15 | Жаропрочный сплав α+β, используемый в аэрокосмической отрасли.; более высокий ликвидус, чем у Ti-6Al-4V. |
| Ти-6Ал-2Сн-4Цр-6Мо (β-стабилизированный вариант) | 1690 – 1720 | 3074.0 – 3128.0 | 1963.15 – 1993.15 | Сильный β-стабилизированный химический состав — ожидайте более высокого окна плавления. |
| Ти-15В-3Кр-3Ал-3Сн (Ти-15-3) | 1575 – 1640 | 2867.0 – 2984.0 | 1848.15 – 1913.15 | Семейство β-титана — нижний солидус в некоторых составах; используется там, где необходима высокая прочность. |
| Ти-10В-2Фе-3Ал (Ти-10-2-3) | 1530 – 1600 | 2786.0 – 2912.0 | 1803.15 – 1873.15 | Сплав β-типа с относительно низким солидусом для определенных составов.. |
| Ти-8Ал-1Мо-1В (Ти-811) | 1580 – 1645 | 2876.0 – 2993.0 | 1853.15 – 1918.15 | Сплав α+β, используемый в конструкционных целях; диапазон плавления может варьироваться в зависимости от химического состава. |
7. Промышленные методы плавки и переплавки титана.
Поскольку титан химически активен при повышенных температурах., его плавка и переплавка требуют специальных технологий и атмосферы, чтобы избежать загрязнения и охрупчивания..
Общие промышленные методы
- Вакуумная дуга переворачивает (НАШ): переплавка плавящегося электрода в вакууме; широко используется для химического улучшения и удаления включений в высококачественных слитках..
- Электронный луч (ЭБ) плавление: выполняется в высоком вакууме; обеспечивает чрезвычайно чистый расплав и используется для слитков высокой чистоты и производства сырья для аддитивного производства..
- Плазменная дуговая плавка / Плазменный очаг: плазменные системы в вакууме или контролируемой атмосфере используются для производства и восстановления сплавов..
- Индукционная плавка черепа (ИСМ, череп плавится): использует индуцированный ток для плавления металла внутри медной катушки с водяным охлаждением; тонкий твердый «череп» металла образует и защищает расплав от загрязнения тигля, что полезно для химически активных металлов, включая титан..
- Холодный очаг плавления / плавящийся электрод EB или VAR для титановой губки и лома: позволяет удалять включения высокой плотности и контролировать посторонние элементы.
- Производство порошков (газовое распыление) для АМ: для порошковой металлургии и аддитивного производства, переплавка и газовое распыление выполняются в инертной атмосфере для получения сферических, порошки с низким содержанием кислорода.
- Инвестиционное литье: Требуются керамические формы. (устойчив к 2000℃+) и расплавленный титан при 1700–1750 ℃.. Высокая температура плавления увеличивает стоимость формы и время цикла., ограничение кастинга небольшими, сложные компоненты.
Почему вакуум/инертная атмосфера?
- Титан быстро реагирует с кислородом., азот и водород при повышенных температурах; эти реакции образуют фазы, стабилизированные кислородом/азотом. (хрупкий), охрупчивание, и сильное загрязнение.
Таяние в вакуум или аргон высокой чистоты предотвращает эти реакции и сохраняет механические свойства.
8. Проблемы обработки и их устранение
Реактивность и загрязнение
- Окисление и нитридирование: при температуре плавления титан образует толстую, Адгезивные оксиды и нитриды; эти соединения снижают пластичность и увеличивают количество включений..
смягчение последствий: плавить в вакууме/инертном газе; использовать гарнисажную плавку или защитные флюсы в специализированных процессах. - Поглощение водорода: вызывает пористость и охрупчивание (образование гидрида). смягчение последствий: сухие шихтовые материалы, вакуумная плавка, и контроль атмосферы в печи.
- Бродяжные элементы (Фе, Cu, Ал, и т. д.): неконтролируемый лом может содержать элементы, образующие хрупкие интерметаллиды или изменяющие диапазон плавления — используйте строгий контроль лома и аналитические проверки. (ОЭС).
Вопросы безопасности
- Пламя расплавленного титана: расплавленный титан бурно реагирует с кислородом и может гореть; контакт с водой может привести к взрывным реакциям пара.
Для обращения требуется специальная подготовка и строгие процедуры., разлив и реагирование на чрезвычайные ситуации. - Взрывы пыли: титановый порошок пирофорен; обращение с металлическими порошками требует взрывозащищенного оборудования, заземление, и специальные СИЗ.
- Опасности дыма: высокотемпературная обработка может выделять опасные пары (пары оксидов и легирующих элементов); использовать вытяжку дыма и мониторинг газа.
9. Измерение и контроль качества плавления и затвердевания
- Термический анализ (ДСК/ДТА): дифференциальная сканирующая калориметрия и анализ термической остановки позволяют точно измерять солидус и ликвидус сплавов и поддерживать контроль заданных температур плавления и литья..
- Пирометрия & термопары: используйте соответствующие датчики; внести поправку на излучательную способность и поверхностные оксиды при использовании пирометров. Термопары должны быть защищены (огнеупорные рукава) и калиброванный.
- Химический анализ: ОЭС (оптическая эмиссионная спектрометрия) и анализаторы LECO/O/N/H необходимы для отслеживания кислорода., содержание азота и водорода и общий химический состав.
- Неразрушающий контроль: рентген, ультразвуковая и металлография для проверки включений, пористость и сегрегация.
Для критических компонентов, микроструктурные и механические испытания соответствуют стандартам (АСТМ, АМС, ИСО). - Протоколирование процессов: рекордный уровень вакуума в печи, профили температуры плавления, потребляемая мощность и чистота аргона для обеспечения прослеживаемости и повторяемости.
10. Сравнительный анализ с другими металлами и сплавами
Данные представляют собой репрезентативные промышленные значения, подходящие для технического сравнения и выбора процесса..
| Материал | Типичная точка плавления / Диапазон (°С) | Точка плавления / Диапазон (°Ф) | Точка плавления / Диапазон (К) | Ключевые характеристики и промышленное значение |
| Чистый Титан (Из) | 1668 | 3034 | 1941 | Высокая температура плавления в сочетании с низкой плотностью.; отличное соотношение прочности и веса; требует вакуума или инертной атмосферы из-за высокой реакционной способности при повышенных температурах. |
| Титановые сплавы (например, Ти-6Ал-4В) | 1600–1660 | 2910–3020 | 1873–1933 г. | Немного более низкий диапазон плавления, чем у чистого Ti.; превосходная жаропрочность и коррозионная стойкость; широко используется в аэрокосмической и медицинской областях.. |
| Углеродистая сталь | 1370–1540 | 2500–2800 | 1643–1813 г. | Более низкая температура плавления; хорошая литейность и свариваемость; тяжелее и менее устойчив к коррозии, чем титан. |
| Нержавеющая сталь (304 / 316) | 1375–1450 | 2507–2642 | 1648–1723 | Умеренный диапазон плавления; отличная устойчивость к коррозии; значительно более высокая плотность увеличивает вес конструкции. |
Алюминий (чистый) |
660 | 1220 | 933 | Очень низкая температура плавления; отличная литейность и теплопроводность; непригоден для высокотемпературных структурных применений. |
| Алюминиевые сплавы (например, АЦП12) | 560–610 | 1040–1130 | 833–883 | Узкий диапазон плавления идеален для литья под давлением.; низкая стоимость энергии; ограниченная жаропрочность. |
| Медь | 1085 | 1985 | 1358 | Высокая температура плавления среди цветных металлов.; отличная электро- и теплопроводность; тяжелый и дорогой для больших конструкций. |
| На основе никеля суперсплавы | 1300–1450 | 2370–2640 | 1573–1723 | Разработан для экстремальных температур; превосходная стойкость к ползучести и окислению; сложная и дорогая обработка. |
| Магниевые сплавы | 595–650 | 1100–1200 | 868–923 | Чрезвычайно низкая плотность; низкая температура плавления; риски возгорания во время плавки требуют строгого контроля процесса. |
11. Практические последствия для дизайна, переработка и переработка
- Дизайн: Температура плавления позволяет использовать титан в высокотемпературных конструкционных применениях., но при проектировании необходимо учитывать затраты и ограничения на присоединение. (сварка против механического крепления).
- Обработка: таяние, кастинг, Сварка и аддитивное производство требуют контролируемой атмосферы и тщательного контроля материалов..
Для литых деталей, при необходимости используется вакуумное литье по выплавляемым моделям или центробежное литье в инертной атмосфере.. - Переработка: переработка титанового лома практична, но требует разделения и переработки (НАШ, ЭБ) для удаления посторонних элементов и контроля уровня кислорода/азота.
12. Заключение
Температура плавления титана (1668.0 °С (≈ 1941.15 К, 3034.4 °Ф) для чистого титана) Это фундаментальное свойство, коренящееся в его атомной структуре и прочных металлических связях., формирование его роли как высокопроизводительного конструкционного материала.
Чистота, легирующие элементы, и давление изменяют его поведение при плавлении, позволяющая разрабатывать титановые сплавы, адаптированные для различных применений — от биосовместимых медицинских имплантатов до высокотемпературных компонентов аэрокосмической отрасли..
Хотя высокая температура плавления титана создает проблемы при обработке (требующие специализированных технологий плавки и сварки), это также позволяет работать в средах, где легкие металлы (алюминий, магний) неудача.
Точное измерение температуры плавления (через ДСК, лазерная вспышка, или методы электрического сопротивления) и четкое понимание влияющих факторов имеют решающее значение для оптимизации обработки титана., обеспечение целостности материала, и максимизация производительности.
Часто задаваемые вопросы
Значительно ли меняет легирование температуру плавления титана??
Да. Титановые сплавы шоу твердые/жидкие диапазоны а не единая точка плавления.
Некоторые сплавы плавятся немного ниже или выше элемента в зависимости от состава.. Используйте данные для конкретного сплава для обработки.
Магнитен ли титан??
Нет. Чистый титан и обычные титановые сплавы не являются ферромагнитными.; они слабо парамагнитны (очень низкая положительная магнитная восприимчивость), поэтому они лишь незначительно притягиваются к магнитному полю.
Ржавеет ли титан?
Нет — титан не «ржавеет» в смысле оксида железа.. Титан устойчив к коррозии, поскольку быстро образует тонкую, приверженец, самовосстанавливающийся оксид титана (Тио) пассивная пленка, защищающая металл от дальнейшего окисления.
Почему титан необходимо плавить в вакууме или инертном газе?
Потому что расплавленный титан бурно реагирует с кислородом., азот и водород. Эти реакции образуют хрупкие соединения и включения, ухудшающие механические свойства..
Какие методы плавки предпочтительны для авиационно-космического титана?
Аэрокосмический титан высокой чистоты обычно производится НАШ (вакуумно-дуговой переплав) или ЭБ (электронный луч) таяние для контроля химического состава и включений.
Для сырья для аддитивного производства, Плавление ЭБ и распыление газа в контролируемой атмосфере являются обычным явлением..
Сколько энергии нужно, чтобы расплавить титан?
Грубая теоретическая оценка (идеальный, никаких потерь) является ≈1,15 МДж на кг нагревать 1 кг от 25 °C до жидкости при 1668 °С (используя cp ≈ 520 Дж·кг⁻¹·K⁻¹ и скрытая теплота ≈ 297 кДж·кг⁻¹).
Реальное потребление энергии выше из-за потерь и неэффективности оборудования..
