变色缺陷海绵钛的形成机理研究

喻正文，吴鲁淑，何杰军，覃 铭

（1.遵义钛业股份有限公司，贵州 遵义 563004；2.广西大学材料科学与工程学院，广西 南宁 530004；3.百色学院物理与电信工程系，广西 百色 533000）

研究与开发

变色缺陷海绵钛的形成机理研究

喻正文1，吴鲁淑2，何杰军3，覃 铭3

（1.遵义钛业股份有限公司，贵州 遵义 563004；2.广西大学材料科学与工程学院，广西 南宁 530004；3.百色学院物理与电信工程系，广西 百色 533000）

针对镁还原法生产的海绵钛中的变色缺陷产品，通过成分分析和XRD衍射分析，确定物相组成，并对其产生的原因进行了分析。

XRD衍射分析；变色缺陷；镁还原法；海绵钛

钛及钛合金具有优良的耐高温、耐低温性能和耐腐蚀性能，比强度高，广泛应用在航空航天、海洋工程、化工、电力、超导材料、医疗和体育休闲等领域［1］。作为国内最大的海绵钛全流程生产企业，遵义钛业股份有限公司已有40余年的海绵钛生产历史，积累了丰富的经验，其产品不仅畅销国内，而且远销国外。特别是新的海绵钛产品质量标准实施以来，遵义钛业海绵钛产品质量大幅提升。尽管在产品质量上取得了一定的成绩，但受到生产技术和装备水平等因素的影响，产品质量还存在一定的缺陷，特别是在产品的外观上，还存在一小部分黄铜色的产品，该部分产品严重影响了产品的整体质量。为了避免缺陷产品的产生，本文通过对遵义钛业股份有限公司变色缺陷海绵钛的化学成分进行XRD衍射分析，确定其物相组成，探讨缺陷产品产生的机理。

1 实验及分析过程

实验所用的设备为理学X射线衍射仪，其衍射角度为20°～120°，根据变色缺陷产品的化学成分，利用 Jade 5.0［2］分析软件，定性地分析了该产品的物相组成。

1.1 优质海绵钛产品的化学成分表和XRD衍射分析

试验所用海绵钛产品为所生产的0级品，其化学成分如表1所示。

表1 杂质元素化学成分

从表1可以看出，海绵钛产品中杂质元素的含量较低，且很好地控制了产品中Fe、O和Cl的含量。该样品的XRD衍射图谱如图1所示。

1.2 变色缺陷产品的化学成分表和XRD衍射图谱

表2为变色缺陷产品的杂质元素含量成分表。由表2所示的杂质元素含量可知，该样品中杂质元素Fe、O和N的含量明显高于0级品杂质元素的含量标准，其XRD衍射图谱如图2所示。

表2 杂质元素化学成分

图2 变色缺陷海绵钛的XRD衍射图谱

由图2所示XRD衍射图谱可以很清晰地看出，该样品主要由TiN、Ti2N组成，其次还含有少量的TiN0.30。与图2相比，该部分产品已经严重氮化，得到的产物均为钛的氮化物。

1.3 TiN和Ti2N的形成机理

在Ti-N二元体系［3］中，Ti和N形成一系列的固溶体。根据莫畏［4］等人的研究，其中较为重要的固溶体为TiN和Ti2N。其中，在800～1400℃下钛直接与N2发生反应，生成TiN。其反应方程式为：

同时，由于Ti和N形成固溶体，其在TiN0.37～TiN1.2组成范围内稳定存在，且随着物质组成成分的不同，颜色可为亮黄色至黄铜色。这与试验结果相吻合，故该样品主要是由TiN组成。

至于 Ti2N，A.E.Palty 等人［5］通过试验，证明了该物质能够在1050℃温度下稳定存在。但根据文献［5～7］，大约 2／3 钛的氮化物只能在特定的范围内稳定存在。L.A.McClaine等人在1100℃温度下，将Ti2N转化为TiN。因此，该样品中主要由TiN和Ti2N组成。

至于TiN0.30，主要是在钛与氮气反应的过程中，由于氮含量较低，在整个反应过程中，所生成的TiN和Ti2N与海绵钛基体发生歧化反应，生成了少量的TiN0.30。由于该物质所生成的量是由TiN和Ti2N所决定，故其在衍射图谱中衍射峰的强度均比TiN和Ti2N弱，这与试验所得的XRD衍射图谱所反应的强度一致。

综上所述，根据试验所得的衍射图谱，外观呈黄铜色的变质海绵钛产品，其物相组成为TiN、Ti2N 和 TiN0.30。

2 结论

通过化学成分分析和XRD衍射分析，定性地确定了变色缺陷海绵钛产品主要由TiN、Ti2N和TiN0.30组成，也即是，造成缺陷海绵钛的原因是在生产过程中部分钛形成了氮化物。

［1］ 张履国.海绵钛还原过程热平衡分析 ［J］.钛工业进展， 2008， 28（4）： 38-41.

［2］ Jade 5.0，XRD Pattern Processing Materials Data Inc.1999.

［3］ J.L.Murray， Binary Alloy Phase Diagrams，ASM International， Materials Park， OH， 1987.

［4］ 莫畏，等.钛冶金 ［M］.北京：冶金工业出版社，1998.

［5］ A.E.Palty，H.Margolin，and J.P.Nielsen，Trans.ASM，46（1954）312-328.

［6］ M.P.Arbuzov， S.Ya.Golub， and B.V.Khaenko， Izv.Akad.Nauk SSSR， Neorg.Mater.，13 （10）（1977）1779-1789 （in Russian）； TR： Inorg.Mater.， 13（10）（1977） 1434-1437.

［7］ L.A.McClaine and C.P.Coppel， U.S.Air Force Systems Command，Res.Technol.Div.， Tech.Rep.AFML-TR-65-299 （1965）.

Research on Forming Principium of Color-defective Titanium Sponge

YU Zheng-wen1， WU Lu-shu2， HE Jie-jun3， QIN Ming3
（1.Zunyi Titanium Co.， Ltd.， Zunyi 563004，China； 2.College of Materials Science and Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China；3.Department of Physics and Communication Engineering，Baise University，Baise 533000，China）

The color-defective titanium sponges were produced by Kroll method， and its phase compositions had been investigated by means of chemical composition and X-ray powder diffraction analysis.The Colordefective cause was analyzed.

X-ray diffraction analysis； color-defective； Kroll method； titanium sponge

O 614.41+1

A

1671-9905（2011）04-0001-02

广西教育厅科研项目资助（No.200911MS226）

何杰军（1982-），男，贵州纳雍人，百色学院教师，主要研究方向为材料相图、相结构及性能，E-mail：hejiejungz＠126.com

2011-01-12