鈦合金鍛件的適用領(lǐng)域與鍛造技術(shù)

1、Vol. 27, No. 1, 2008鈦合金鍛件的適用領(lǐng)域與鍛造技術(shù)在各種鈦合金制品的應(yīng)用中 , 鍛件多被用于氣 輪機(jī)壓縮機(jī)盤以及醫(yī)用人工骨等要求高強(qiáng)高韌高可 靠性的場合。因此 , 對鍛件不僅要求尺寸精度高 , 而且要求材料具有優(yōu)良 的 特 性 和 高 的 穩(wěn) 定 性 。 為 此 , 在鈦 鍛 件 的 制 造 過 程 中 要 充 分 發(fā) 揮 鈦 合 金 特 性 , 以獲得高質(zhì)量的鍛件。鈦合金屬難鍛材 , 易產(chǎn) 生裂紋。所以鈦合金鍛件生產(chǎn)中最重要的就是對鍛 造溫度和塑性變形進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤?鈦合金鍛件的應(yīng)用領(lǐng)域(1 宇航領(lǐng)域 世界上 50%的鈦材都用于宇航 領(lǐng)域。軍用飛機(jī)的機(jī)體 30%使用鈦合

2、金 , 民用飛機(jī) 中鈦的用量也在逐漸增加。據(jù)報(bào)道 , 波音 787飛機(jī) 的用鈦量已經(jīng)達(dá)到 15%以上。機(jī)體用鈦合金的代表 是 Ti-6Al-4V 合金 , 可靠性最高。近 型高強(qiáng)高韌 鈦合金 Ti-10V-2Fe-3Al 已應(yīng)用于波音 777飛機(jī)的 起 落 架 部 件 中 , A380已 經(jīng) 在 探 討 使 用 Ti-10V-2Fe-3Al 合金大型鍛件作為主起落架的傳動裝置。 若能實(shí)用 , 這將是長達(dá) 7m 的最大的鈦合金鍛件。 在 飛 機(jī) 發(fā) 動 機(jī) 中 , 鈦 合 金 也 是 不 可 或 缺 的 材 料 , 主 要 用 于 使 用 溫 度 在 853K 以 下 的 風(fēng) 扇 和 壓 縮 機(jī)

3、 零件。典型的使用部位有風(fēng)扇葉片、外殼、盤件 , 壓氣機(jī)葉 片 、 盤 件 、 短 軸 、 外 殼 等 。 使 用 的 鈦 合 金 有 Ti-6Al-4V , Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo , Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo (Ti-17 , Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si 等。在航天領(lǐng)域 , 鈦合金鍛件 被用于火箭及衛(wèi)星推進(jìn)發(fā)動機(jī)的燃料箱、姿控發(fā)動 機(jī)外殼、 液 體 燃 料 渦 輪 泵 的 葉 片 和 吸 入 泵 的 入 口 段。這些 部 位 大 多 使 用 低 溫 韌 性 極 佳 的 低 間 隙 元 素型 Ti-5Al-2.

4、5Sn ELI 合金。(2 發(fā) 電 用 汽 輪 機(jī) 葉 片 火 力 發(fā) 電 的 蒸 汽 輪 機(jī)增加葉片長度是提高發(fā)電效率的一個有效措施 , 但葉片加 長 會 增 大 轉(zhuǎn) 子 的 負(fù) 荷 。 使 用 鈦 合 金 鍛 件 作葉片就 可 以 減 輕 負(fù) 荷 , 在 高 速 旋 轉(zhuǎn) 的 汽 輪 機(jī) 末 段 使 用 1m 長的 Ti-6Al-4V 合金葉片 , 在 1991年 就已經(jīng)實(shí)用化。 2鈦合金的鍛造技術(shù)在鈦合金的熱加工中 , 加熱溫度至關(guān)重要。溫 度越低變形抗力越大 , 且易產(chǎn)生裂紋等缺陷。同時 對變形速度也有很大的依賴性 , 這些都是鍛造中應(yīng) 該特別注意的地方。鈦合金精密熱模加工過程 中 ,

5、使鍛模的 溫 度 加 熱 到 與 鍛 件 相 當(dāng) 或 更 高 , 可 以 抑 制鍛造中 鍛 件 溫 度 的 降 低 。 由 于 該 方 法 變 形 能 力 高 , 用較 少 的 加 熱 次 數(shù) 就 可 以 鍛 造 出 更 薄 壁 的 精 密 鍛 件 。 但 這 種 方 法 要 使 用 價 格 昂 貴 的 Ni 基 或 Mo 基 高 溫 合 金 , 且 生 產(chǎn) 效 率 較 低 , 所 以 在 經(jīng) 濟(jì) 性上面臨較大問題。(1 發(fā)動機(jī)盤件的鍛造技術(shù) 飛機(jī)發(fā)動機(jī)用盤 件 , 要求高的疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性。在 700K 左右 中溫區(qū)域使用 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 合金鍛件。傳 統(tǒng)的加工方法是

6、在 -區(qū)鍛造 , 其組織為 相和 等軸 晶粒及細(xì)小的針狀 兩相組織 , 斷裂韌性值 較低。為改善這一點(diǎn) , 開發(fā)了在 區(qū)加熱的 鍛造 法。 鍛造法是在 相變溫度之上加熱鍛造 , 會產(chǎn) 生再結(jié)晶 , 所以鍛造溫度和加工變形對材料特性有 很大影響 , 不 允 許 鍛 造 中 進(jìn) 行 再 次 加 熱 而 停 止 變 形。因此 , 鍛造中必須嚴(yán)格控制鍛造溫度和變形 量。對于 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 合金 , 加工溫度在 10731323K 范圍內(nèi) , 且要有足夠的加工變形量。 其 鍛 件 組 織 全 部 為 針 狀 , 斷 裂 韌 性 值 由 原 先 的 30MPa m 1/2提高到 5

7、0MPa m 1/2。(2 渦輪機(jī)葉片鍛造技術(shù) 渦輪機(jī)葉片很薄 , 在鍛造過程中溫降很快 , 一般都用壓下速度快且單 次加工能量大的螺旋壓力機(jī)進(jìn)行鍛造。錘鍛時 , 因 葉片形狀 扭 轉(zhuǎn) 產(chǎn) 生 打 擊 橫 向 力 , 故 模 具 要 精 確 設(shè) 計(jì)?，F(xiàn)在正在開發(fā)有效利用上下打擊能量進(jìn)行葉片 表面成形的工藝 , 先進(jìn)行平面鍛造 , 再彎曲成形 , 最后再精鍛成形。(3 環(huán) 件 制 造 技 術(shù) 發(fā) 動 機(jī) 風(fēng) 扇 外 殼 及 壓 縮 機(jī)殼等都使用了大型的 Ti-6Al-4V 合金軋制環(huán)件。 對于材料 費(fèi) 用 相 對 較 高 的 鈦 合 金 制 品 , 降 低 材 料國 外 工 藝 技 術(shù) 集 錦

8、422008年 27卷第 1期 稀有金屬快報(bào)高強(qiáng)度低模量馬氏體型 Ti-V-Sn 系合金, +鈦 合 金 的 彈 性 模 量 在 100120GPa 之 間 , 鈦 合 金 的 彈 性 模 量 較 低 , 可 以 達(dá) 到 40 50GPa , 主要用作生物醫(yī)用植入材料。目前開發(fā)的 低 模 量 鈦 合 金 有 Ti-Nb-Ta-Zr 系 亞 穩(wěn) 鈦 合 金 , Ti-Nb-Ta-Zr , Ti-Nb-Ta-Mo , Ti-Nb-Ta-Sn 四元 鈦合金和 Ti-Nb-Sn 系亞穩(wěn) 鈦合金。低模量鈦合 金均含有大量的 穩(wěn)定元素 Nb , 價格較貴 , 不適 合非生物醫(yī)用。 Ti-V-Sn 系合金中

9、 V 含量較低的馬 氏體型鈦合金具有較低的彈性模量 , 冷軋后彈性模 量進(jìn)一步降低 , 當(dāng)強(qiáng)度水平達(dá)到一定程度時 , 有望 代替高強(qiáng)度低模量亞穩(wěn) 鈦合金。本研究選用的 Ti-V-Sn 系合金的成分為 Ti-(8 12 V-(2, 4, 6 Sn 和 Ti-20V-(2.4, 4.7, 6 Sn 。在 保證 Ti , V 比例不變的基礎(chǔ)上加 入 Sn 。 將 電 弧 熔 煉 的 小 型 錠 從 8.9mm 冷 軋 到 7mm , 然后在 1423K 均勻化處理 24h , 再在 1223K 固溶 2h , 冰水冷 卻 , 然后冷軋到 1mm , 變形量為 86%。為 了 考 察 熱 處 理 對

10、性 能 的 影 響 , 將冷軋板在 1223K 固 溶 0.5h , 冰 水 冷 卻 。 將 Ti-8V-4Sn 和 Ti-20V-4.7Sn 合金的冷軋板在 523K , 1.5h 和 573K , 1.5h 條件 下時效。 Sn 含量增加 Ti-12V-(06 Sn 合金固溶態(tài) 的相組成從 相向 相過渡 , 有少量正交 馬氏 體相形成 , 相受到抑制。在 Ti-(812 V-(06 Sn 合金中 , 除了 Ti-10V-(06 Sn 合金由 + 相組成 外 , 其它均為 單相組織。 Ti-(812 V-(06 Sn 合 金固溶態(tài)組織為針狀馬氏體 , 厚度為 200500nm , 內(nèi)部可以觀

11、察 到 型 孿 晶 。 該 馬 氏 體 型 合 金 經(jīng) 過 86%變 形 量 的 冷 軋 , 相 組 成 沒 有 發(fā) 生 變 化 。 Ti-8V-4Sn 合 金 在 20%變 形 量 的 條 件 下 , 仍 然 可 以看到馬氏體片層和馬氏體轉(zhuǎn)變誘發(fā)的 型孿 晶。在 50%的變形條件下大量的馬氏體被破碎。在 86%的變形條件下馬氏體片層消失 , 為類似于位錯 胞的細(xì)小結(jié)構(gòu) , 平均尺寸大約為 60nm 。 Ti-8V-4Sn 合金的冷軋態(tài)織構(gòu)為 hcp 晶 胞 底 面 與 橫 向 成 40° 50°角 , 方向與軋向大致平行。隨著 Sn 含量 的增加 , Ti-20V-Sn

12、系合金的彈性模量降低 , 這是 由于 Sn 含量的增加抑制了無熱 相的形成。馬氏 體 Ti-8V 合金中加入 Sn , 彈性模量也降低 , 這與 相單胞體積的增大有關(guān)。在 Sn 含量一定時 , 冷 軋態(tài)楊氏 模 量 比 固 溶 態(tài) 低 , 織 構(gòu) 的 形 成 有 利 于 彈 性模量的進(jìn)一步降低。 Ti-V-Sn 合金時效處理后 , 抗拉強(qiáng)度 和 彈 性 模 量 增 加 , 延 伸 率 降 低 。 時 效 對 Ti-8V-4Sn 馬 氏 體 合 金 性 能 的 影 響 較 小 , 對 Ti-20V-4.7Sn 亞 穩(wěn) 鈦 合 金 的 影 響 較 大 , 這 與 相 的形成有關(guān)。 573K 時效

13、, Ti-8V-4Sn 和 Ti-20V-4.7Sn 合 金 彈 性 模 量 增 加 , 后 者 增 加 幅 度 較 大 。 冷 軋 態(tài) Ti-8V 合 金 為 脆 性 斷 裂 , 抗 拉 強(qiáng) 度 達(dá) 到 1000MPa 時 , 延伸率為零。加入 4%的 Sn , 延伸 率得到改善 , 可以達(dá)到 6%。 Ti-8V-4Sn 合金斷口 呈典型的 杯 錐 狀 , 微 觀 形 貌 為 等 軸 的 韌 窩 , 具 有 更好的塑性。本 研 究 的 馬 氏 體 鈦 合 金 的 彈 性 模 量 與 亞 穩(wěn) 鈦 合 金 相 當(dāng) , 強(qiáng)度和塑性與近 和 +鈦合金相 當(dāng)。冷軋態(tài) Ti-8V-4Sn 合金的彈性模量為 62GPa , 抗拉強(qiáng)度為 1040MPa , 延伸率為 6%。冷軋態(tài) Ti-12V-6Sn 合金的彈性模量、抗拉強(qiáng)度、延伸率分別 為 57GPa , 1024MPa , 10%。 與 鈦 合 金 相 比 , 馬氏體鈦合金的優(yōu)點(diǎn)在于不含有大量價格昂貴的 穩(wěn)定元素 Nb , 在工業(yè)中應(yīng)用具有優(yōu)勢。于蘭蘭摘自 Materials and Engineering 的投入