鈦合金鍛造技術(shù)

鈦與鈦合金鍛造技術(shù)2008-09-09技術(shù)培訓(xùn)

《專題》

一、鈦與鈦合金熱加工技術(shù)基礎(chǔ)

二、航空航天常用鈦合金及其鍛造技術(shù)

三、鈦合金鍛件的常見缺陷與對(duì)策2008-09-09

專題一的主要內(nèi)容

1.鈦元素及鈦資源概述

2.鈦合金的生產(chǎn)流程

3.鈦的基本特性

4.鈦的合金化原理

5.鈦合金的典型組織及分類

6.鈦合金鍛造技術(shù)基礎(chǔ)

7.鈦合金常用術(shù)語(yǔ)2008-09-09鈦元素的發(fā)現(xiàn)2008-09-09鈦元素與鈦資源概述1英國(guó)WilliamGregor

發(fā)現(xiàn)鈦元素的存在，將其命名為“mechanite”1791年1795年德國(guó)MartinHeinri

ch

Klaproth,成功地從礦石（金紅石）中分解出氧化鈦，將其更名為“Titans”1932年盧森堡WilhelmJustinKroll（被稱為鈦工業(yè)之父），用Ticl4和Na制取了大量的鈦（Kroll工藝）1948年杜邦公司首先開始商業(yè)化生產(chǎn)金屬鈦鈦元素在周期表中的位置2008-09-09鈦元素與鈦資源概述122號(hào)IVB族鈦元素在自然界中的賦存狀態(tài)2008-09-09鈦元素與鈦資源概述1地殼質(zhì)量的4‰，總儲(chǔ)量34億噸化學(xué)性質(zhì)活潑，無(wú)鈦的單質(zhì)，主要是氧化物金紅石鈦鐵礦鈦資源的分布2008-02-18鈦元素與鈦資源概述12008-02-18鈦合金的生產(chǎn)流程2鈦礦石海綿鈦鈦合金鑄錠變形鈦合金鑄造鈦合金葉片盤件蒙皮……葉片機(jī)匣蒙皮……成品312大棒材小棒材板材管材型材半成品海綿鈦的生產(chǎn)工藝2008-02-181鈦礦（金紅石）四氯化鈦(TiCl4)海綿鈦Kroll：鎂還原Hunter：鈉還原氯化●海綿鈦根據(jù)雜質(zhì)含量的不同，可分為0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)等不同等級(jí)。0級(jí)海綿鈦雜質(zhì)含量最低。鈦合金的生產(chǎn)流程2VAR鈦錠的2008-09-092飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)使用的鈦合金一般要經(jīng)過(guò)2～3次熔煉。（增加熔煉次數(shù)可使成分均勻化）冷壁銅坩堝熔煉技術(shù)冷爐床熔煉技術(shù)熔煉缺陷及鈦合金的生產(chǎn)流程2惰性氣體保護(hù)下的電渣重熔爐ESR硬度降低，偏析區(qū)為等軸組織，α相增多。鍛件表面或剖面形成亮條，一般單件報(bào)廢。指氧、氮、碳等間隙元素的富集區(qū)，嚴(yán)重時(shí)形成化合物，硬度高,危害大，也叫硬偏析、α偏析。一旦發(fā)現(xiàn)，整爐報(bào)廢鈦錠的2008-09-092熔煉缺陷及鈦合金的生產(chǎn)流程2由于配料和焊電極時(shí)帶入鎢、鉬等難熔金屬，冶煉時(shí)未被熔化造成?？捎贸暬驕u流檢驗(yàn)控制。高密度夾雜偏析類冶金缺陷高β穩(wěn)定元素偏析，因局部β穩(wěn)定元素偏高而形成β斑點(diǎn)。β斑點(diǎn)間隙元素偏析低Al、V偏析也叫軟偏析高Al偏析鈦合金TC4中的高間隙缺陷

200X正常區(qū)Hv300缺陷區(qū)Hv493

由于α穩(wěn)定元素Al較多而形成的偏析。也形成亮條，硬度偏高。單件報(bào)廢。2008-09-09鈦合金的生產(chǎn)流程2鑄錠開坯3將粗大的鑄態(tài)組織改變?yōu)樽冃螒B(tài)組織，為后續(xù)加工進(jìn)行組織準(zhǔn)備。目的：方法：自由鍛、擠壓、平鍛、快鍛、精鍛原則：β區(qū)加熱，足夠變形量，變形先小后大，防止裂紋和局部變形。2008-09-09鈦合金的生產(chǎn)流程2常用開坯設(shè)備2008-09-09鈦的基本特征3(1)密度(純鈦密度介于鋁和鐵之間。(2)導(dǎo)熱性差，導(dǎo)熱率僅為鐵的1/6，鋁的1/15。(3)摩擦系數(shù)較大。(4)熱膨脹系數(shù)較低。(5)彈性模量較低。(6)無(wú)磁性。鈦元素的基本特征同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變TitaniumAlloysTiAlAlloysSuperalloysRefractoryMetalsandIntermetallicsMgAlSingleCrystalSuperalloysSpecificStrength(MPa/(Mg/m3))50100150200250

Temperature(oC)20070012001700CMC2008-09-09鈦的基本特征3鈦合金的基本特征高的比強(qiáng)度（對(duì)飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)尤其重要）優(yōu)異的耐蝕性能使用溫度范圍大低阻尼特性鈦合金相圖2008-02-18鈦的合金化原理4中性型α穩(wěn)定化型β穩(wěn)定化型β同晶型β共析型Zr

Hf

SnAl

Ga

GeONCMoVNbTaFeMnCrCoNiCuSiH2008-09-09鈦的合金化原理4完整的

Ti-Al合金相圖2008-09-09鈦的合金化原理4鈦的主要合金元素1、α穩(wěn)定元素：提高β轉(zhuǎn)變溫度，擴(kuò)大α相區(qū)。

距Ti較遠(yuǎn)，化學(xué)性質(zhì)差別大。

包析反應(yīng)，提高熱穩(wěn)定性Al：應(yīng)用最廣泛，強(qiáng)效。降低熔點(diǎn)，提高β轉(zhuǎn)變溫度。

原子置換方式增加網(wǎng)格畸變，室溫和高溫均強(qiáng)化。

相當(dāng)于鋼中碳的作用，提高熱穩(wěn)定性和焊接性。Ga

Ge：稀貴元素，應(yīng)用少，作用正在研究中。

ONC:間隙元素，強(qiáng)度提高，塑性下降。脆性威脅，

嚴(yán)格控制含量。2008-09-09鈦的合金化原理4鈦的主要合金元素2、β穩(wěn)定元素：降低β轉(zhuǎn)變溫度，擴(kuò)大β相區(qū)。

固溶強(qiáng)化，提高淬透性和熱處理強(qiáng)化效果。VMo：β同晶元素，靠近Ti，晶格類型與β-Ti相同。

NbTa與β相無(wú)限互溶，在α相中有限溶解。

提高強(qiáng)度，保持較高塑性，無(wú)共析或包析反應(yīng)FeMn：β共析元素，強(qiáng)化效果明顯。

CrCo在α和β相中均有限溶解，在β中溶解度更大

NiCu均存在共析反應(yīng)，影響組織穩(wěn)定和蠕變性能。

SiH注意H的雙重作用。2008-09-09鈦的合金化原理4鈦的主要合金元素3、中性元素：對(duì)β轉(zhuǎn)變溫度無(wú)顯著影響。

在α和β中均有較大溶解度，固溶強(qiáng)化。Zr

Hf：Ti的同族元素，提高α強(qiáng)度和熱強(qiáng)性，

強(qiáng)化效果低于Al，但對(duì)塑性的影響小。SnMg：主要固溶強(qiáng)化α相，也可視為α穩(wěn)定元素。CeLa：稀土元素，提高高溫拉伸和熱穩(wěn)定性。

研究熱點(diǎn)2008-09-09鈦合金的典型組織54種基本類型等軸組織等軸初生α相和β轉(zhuǎn)變組織均勻分布。兩相區(qū)中部加熱/變形所獲得的。強(qiáng)度、塑性、疲勞性能突出?；旌辖M織β轉(zhuǎn)變組織基體上分布有少量等軸初生α相。兩相區(qū)上部加熱/變形獲得的。兼顧強(qiáng)度、塑性、韌性、疲勞、蠕變2008-09-09鈦合金的典型組織54種基本類型網(wǎng)籃組織原始β晶粒內(nèi)分布著發(fā)達(dá)的片層α。β晶界已被破碎，無(wú)明顯晶界α。β相區(qū)加熱/變形，兩相區(qū)完成變形。魏氏組織β晶界完整，晶內(nèi)存在發(fā)達(dá)的片層α。晶界α明顯。加熱和變形均在β相區(qū)完成。斷裂韌性和蠕變性能突出。2008-09-09顯微組織對(duì)鈦合金性能的影響細(xì)小粗大性能片層狀等軸狀○○彈性模量○+/-（織構(gòu)）+-強(qiáng)度-++-塑性-+-+斷裂韌性+-+-疲勞裂紋萌生-+-+疲勞裂紋擴(kuò)展+--+蠕變強(qiáng)度+-+-超塑性-++-氧化性能+-注：○

無(wú)影響，+性能提高，-性能降低鈦合金的顯微組織以α和β相的尺寸（細(xì)小、粗大）及排列方式（片層狀、等軸狀）來(lái)描述。鈦合金的典型組織52008-09-09鈦合金的分類62008-09-09α、α

+β、β鈦合金的性能差異性能αβα+β密度++-強(qiáng)度-+++塑性-/+++/-斷裂韌性+-/++/-蠕變強(qiáng)度++/--性能αβα+β腐蝕性能++++/-氧化性能+++/--可焊性++/--冷成形性----/+注：++好，+較好，--差，-較差鈦合金的性能主要取決于兩相的排列方式、體積分?jǐn)?shù)以及各自的性能。鈦合金類型對(duì)性能的影響鈦合金的分類62008-09-09鈦合金鍛造基礎(chǔ)7鈦合金組織與變形溫度、變形程度的關(guān)系β

區(qū)變形α+β

區(qū)變形β

→α+β

區(qū)變形2008-09-09鈦合金鍛造基礎(chǔ)72008-09-09鈦合金鍛造基礎(chǔ)7鈦合金的不同鍛造工藝T＝T相變＋5～10℃，準(zhǔn)β鍛，網(wǎng)籃組織T＝T相變－10～15℃，近β鍛，三態(tài)組織（10～20％等軸α、50～60％片層α構(gòu)成的網(wǎng)籃組織和轉(zhuǎn)變?chǔ)禄w）T＞T相變，β鍛，網(wǎng)籃\魏氏組織T＝T相變－30～50℃，兩相鍛（常規(guī)鍛造），等軸組織

2008-09-09鈦合金鍛造基礎(chǔ)7下料去除表層厚度（mm）棒材直徑（mm）23550鍛棒擠壓棒材車床上切割砂輪切割圓盤鋸切割圓盤鋸片厚度2~8mm，適宜切割較大棒料，進(jìn)刀量小，能獲得較潔凈的端面陽(yáng)極切割切口寬度不超過(guò)3mm，切耗少、生產(chǎn)率低錘上或水壓機(jī)切割需將棒料預(yù)熱，工業(yè)純鈦可冷態(tài)剪切適于切割直徑小于60mm的棒材，切割效率高，但砂片壽命較短車切速度mm/min進(jìn)刀量mm/周鈦合金車切25000~300000.2~0.3扒皮去α層15000~20000無(wú)α層Ra=0.63~2.50.08~0.1Ra=1.25~50.1~0.2Ra=2.5~100.3~0.4注：Ra：表面粗糙度。車削加工時(shí)必須使用潤(rùn)滑冷卻液，供給1~1.5mPa壓力2008-09-09鈦合金鍛造基礎(chǔ)7加熱2）提高加熱溫度時(shí)，鈦合金會(huì)與空氣發(fā)生強(qiáng)烈反映，在還原性氣氛的油爐中加熱時(shí)，吸氫強(qiáng)烈采用分段加熱，縮短坯料高溫停留時(shí)間電爐加熱（或微氧化性氣氛下火焰加熱），爐底加墊不銹鋼鋼板鈦合金加熱的兩個(gè)特點(diǎn)：1）鈦低溫導(dǎo)熱率低，采用表面加熱方法時(shí)，加熱時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)2008-09-09鈦合金鍛造基礎(chǔ)7潤(rùn)滑在整個(gè)變形過(guò)程中能夠形成牢固而連續(xù)的保護(hù)膜在加熱和變形過(guò)車工中能夠保護(hù)毛坯，防止氧化和氣體污染具有良好的隔熱性能，使毛坯從爐子轉(zhuǎn)移到模具以及在變形過(guò)程中減少能量損失不與毛坯和模具的表面發(fā)生化學(xué)作用容易涂到毛坯表面，并便于使該工序機(jī)械化容易從鍛件表面清除，能在較長(zhǎng)時(shí)間保持潤(rùn)滑性能玻璃粉編號(hào)氧化物含量SiO2Al2O2B2O2Na2OCaOMgO157~61-17~1818~204~5-26131156-34053555-4551413216-5341.735177.54.865458.527.55-玻璃No.玻璃潤(rùn)滑劑在下述溫度下的黏度800℃900℃1000℃1050℃1100℃11364005234784-18521067950500306507-13273437350226903156-7084-10000010000740045005-301512-6-10008050-注：玻璃潤(rùn)滑劑是由玻璃粉、穩(wěn)定劑、固結(jié)劑以及水構(gòu)成的懸浮液模鍛鈦合金用潤(rùn)滑劑的基本要求涂潤(rùn)滑劑的方法將坯料浸入懸浮液內(nèi)浸涂用刷子刷到坯料表面用噴霧器噴到坯料表面2008-09-09鈦合金鍛造基礎(chǔ)7鍛造設(shè)備類型與應(yīng)變速率的關(guān)系平均應(yīng)變速率/s-1鍛造設(shè)備10-4~10-210-2~11~3010~200慢速液壓液壓機(jī)械壓力（快速）鍛錘2008-09-09鈦合金鍛造基礎(chǔ)7變形量控制變形量：鈦合金的臨界變形2—12%，實(shí)際控制應(yīng)在15—20%以上;變形30—40%,可細(xì)化組織；