工业纯钛的热氧化研究

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1、工业纯钛的热氧化行为研究工业纯钛的强度不高，塑性好，易于加工成形。通常作为重要的耐蚀结构材料，广泛应用于化工设备、滨海发电装置、海水淡化装置和舰艇的零部件。常温下，工业纯钛能在空气中自发形成极薄的致密氧化膜，厚度约为0．5—7nm。目前针对热加工生产温度范围内工业纯钛氧化行为的研究却鲜有报道，从而因热加工氧化导致的产品缺陷无从得知。工业纯钛在热加工温度范围内形成的氧化膜异于一般的钢铁材料，氧化膜的存在会严重影响产品的质量。因此，有必要对工业纯钛在热加工温度范围内的氧化行为进行研究，掌握其氧化规律和氧化膜的特征，以消除由于氧化而产生的热加

2、工缺陷。探讨其在热加工温度范围内的氧化行为，并且分析氧化膜结构特征。实验流程1、样品制备：冷轧处理退火处理将退火后的材料锯成尺寸为15mm×10mm×6mm的小块，研磨、抛光、表面清洗。（准备样品共60个）2、实验流程：对样品编号、称重热氧化氧化后称重SEM形貌检测XRD检测物相分析用EDS测氧化层厚度一、钛的研究历史及应用自海绵钛工业化以来，历经40（近60年）年的今天，钛在工业上的广泛应用，推动钛工业的迅速发展，世界海绵钛的生产能力1990年以达13万吨，并曾以每年约5%的速度增长。预计21世纪，钛的生产能力将陆续超过铅、锌、铜，成

3、为名副其实的第三金属。钛的应用钛的应用航天及航海领域（由于它的高抗拉强度－密度比、优良的抗腐蚀性、抗疲乏性、抗裂痕性及能够在没有蠕变的情况下抵受适度高温，钛合金被用于航空器、装甲敷板、海军舰只、航天器与导弹。）工业领域（化工及石油化工领域需要用到焊钛制的管道及加工设备（换热器、槽、加工用容器、阀），主要原因是钛的抗腐蚀性。）钛的应用消费品及建材领域（钛金属被用于汽车，尤其是赛车（汽车或摩托），在这领域减低重量，但同时不失强度及刚度是极其重要的。一般来说，钛金属对普罗大众的消费市场来说太昂贵了，很难会有销路，所以它的主要市场是高档产品，尤

4、其是竞赛用／高性能市场。）医学领域（由于它的生物相容性（无毒及不被人体排斥），钛在医学上有广泛应用，当中包括外科用具及植入物，钛被制成图像导引手术用的外科器具，还有轮椅、丁形拐杖及其他需要高强度低重量的产品。）二、钛的物理化学性质物理性质在金属元素中，钛的比强度很高。它是一种高强度但低质量的金属，而且具有相当好的延展性（尤其是在无氧的环境下）。钛的表面呈银白色金属光泽。它的熔点相对地高（超过1649℃），所以是良好的耐火金属材料。它具有顺磁性，其电导率及热导率皆甚低。钛是一种双型的同素异形体，在882摄氏度时，就会从六边形的α型转变成体

5、心立方（晶格）的β型。在到达临界温度前，α型的比热会随着升温而暴增，但到达后会下降，然后在β型下不论温度地保持基本恒定。化学性质钛位于元素周期表中第四周期第IV副，钛原子序数是22，原子核由22个质子和20~32个中子组成。通常在化合物中最高显+4价，有时也呈+3、+2等价，有些低价钛化合物不稳定。钛的化学性质相当活泼，可与很多种元素反应或形成固溶体。另外，钛有很强的吸气性，它与氧、氮气、氢气等气体作用的能力很强，且除了与氢作用外，这种吸气作用是不可逆的。三、金属高温氧化高温氧化是金属化学腐蚀的一种特殊形式。金属氧化首先从金属表面吸附氧

6、分子开始,即氧分子分解为氧原子被金属表面所吸附,并在金属晶格内扩散、吸附或溶解。而当金属和氧的亲和力较大,且当氧在晶格内溶解度达到饱和时,则在金属表面上进行氧化物的成核与长大。金属高温氧化金属表面一旦形成了氧化膜,其氧化过程的继续进行将取决于以下两个因素:(1)界面反应速度。这包括金属/氧化物界面及氧化物/气体界面上的反应速度。(2)参加反应的物质通过氧化膜的扩散速度。它包括浓度梯度化学位引起的扩散,也包括电位梯度电位差引起的迁移扩散。金属热氧化热力学规律氧化过程中，金属与氧发生反应的速度相对于动力学生长速度往往要快得多，体系多处于热力

7、学平衡状态。由于氧化反应大都发生在恒温恒压下，因此涉及体系的热力学参量最重要的有三个：温度（T）、压力（p）和吉布斯（Gibbs）自由能（G）。考虑一种金属与氧的反应，反应式为：当时,<0，反应向生成方向进行；当时，=0，反应处于平衡状态；当时，>0，反应向分解方向进行。金属热氧化动力学规律不同的金属或同一金属在不同温度下，其遵循的氧化规律不同。氧化规律是将氧化增重或氧化膜厚度随时间的变化用数学式表达的一种形式。而氧化速度则是单位时间内氧化增重或氧化膜厚度的变化。总结众多的金属和合金的氧化规律，发现他们基本地可以分为如下5类：直线规律氧

8、化增重与时间成正比抛物线规律氧化增重或氧化膜厚度的平方与时间成正比立方规律氧化增重或氧化膜厚度的平方与时间成正比对数规律当金属在低温（一般低于300~400℃）氧化时或在氧化初始阶段，这是氧化膜甚薄（小于5