钛合金锻造技术

1、 专 题 一、 钛与钛合金热加工技术基础 二、 航空航天常用钛合金及其锻造技术 三、 钛合金锻件的常见缺陷与对策 2008-09-09 专题一的主要内容 1. 钛元素及钛资源概述 2. 钛合金的生产流程 3. 钛的基本特性 4. 钛的合金化原理 5. 钛合金的典型组织及分类 6. 钛合金锻造技术基础 7. 钛合金常用术语 2008-09-09 钛元素的发现 2008-09-09 钛元素与钛资源概述 英国William Gregor 发现钛元素的存在，将其命名为 “mechanite” 德国Martin Heinri ch Klaproth,成功地从矿石 （金红石）中分解出氧化钛，将其更名为“T

2、itans” 卢森堡Wilhelm Justin Kroll（被称为钛 工业之父），用Ticl4和Na制取了大量的 钛（Kroll工艺） 杜邦公司首先开始商业化生产金 属钛 钛元素在周期表中的位置 2008-09-09 钛元素与钛资源概述 22号号 IV B 族族 钛元素在自然界中的赋存状态 2008-09-09 钛元素与钛资源概述 地壳质量的地壳质量的4，总储量，总储量3434亿吨亿吨 化学性质活泼，无钛的单质，主要是氧化物化学性质活泼，无钛的单质，主要是氧化物 金红石金红石 钛铁矿钛铁矿 钛资源的分布 2008-02-18 钛元素与钛资源概述 2008-02-18 钛合金的生产流程 钛矿石

3、 海绵钛 钛合金 铸锭 变形钛 合金 铸造钛 合金 叶片叶片 盘件盘件 蒙皮蒙皮 叶片叶片 机匣机匣 蒙皮蒙皮 成品 3 1 2 大棒材大棒材 小棒材小棒材 板材板材 管材管材 型材型材 半成品 海绵钛的生产工艺 2008-02-18 1 钛矿钛矿 （金红石）（金红石） 四氯化钛四氯化钛(TiCl4 )海绵钛海绵钛 Kroll：镁还原：镁还原 Hunter：钠还原：钠还原 氯化氯化 海绵钛根据杂质 含量的不同，可分 为0级、1级、2级等 不同等级。0级海绵 钛杂质含量最低。 钛合金的生产流程 VAR 钛锭的 2008-09-09 2 飞机和发动机使用的飞机和发动机使用的 钛合金一般要经过钛合金

4、一般要经过2 23 3 次熔炼。（增加熔炼次次熔炼。（增加熔炼次 数可使成分均匀化）数可使成分均匀化） 冷壁铜坩埚熔炼技术冷壁铜坩埚熔炼技术 冷炉床熔炼技术冷炉床熔炼技术 熔炼缺陷及 钛合金的生产流程 惰性气体保护下的电渣重熔炉惰性气体保护下的电渣重熔炉 ESR 硬度降低，偏析区为等轴组织，相增多。锻件 表面或剖面形成亮条，一般单件报废。 指氧、氮、碳等间隙元素的富集区，严重时形 成化合物，硬度高,危害大，也叫硬偏析、偏 析。一旦发现，整炉报废 钛锭的 2008-09-09 2熔炼缺陷及 钛合金的生产流程 由于配料和焊电极时带入钨、钼等难熔金属，冶炼时未 被熔化造成。可用超声或涡流检验控制。

5、高高稳定元素偏析，因局部稳定元素偏析，因局部稳定稳定 元素偏高而形成元素偏高而形成斑点。斑点。 斑点斑点 间隙元素偏析间隙元素偏析 低低Al、V偏析偏析 也叫软偏析也叫软偏析 高高Al偏析偏析 钛合金TC4中的高间隙缺陷 200X 正常区 Hv300 缺陷区 Hv493 由于稳定元素Al较多而形成的偏析。 也形成亮条，硬度偏高。单件报废。 2008-09-09 钛合金的生产流程 铸锭开坯 3 将粗大的铸态组织改变为变形态组织，为后续加工进行 组织准备。 自由锻、挤压、平锻、快锻、精锻 区加热，足够变形量，变形先小后大， 防止裂纹和局部变形。 2008-09-09 钛合金的生产流程 常用开坯设备

6、 2008-09-09 钛的基本特征 (1) 密度(纯钛密度介于铝 和铁之间。 (2) 导热性差，导热率仅 为铁的1/6，铝的1/15。 (3) 摩擦系数较大。 (4) 热膨胀系数较低。 (5) 弹性模量较低。 (6) 无磁性。 钛元素的基本特征钛元素的基本特征 同素异构转变同素异构转变 Titanium Alloys TiAl Alloys Superalloys Refractory Metals and Intermetallics Mg Al Single Crystal Superalloys Specific Strength (MPa/(Mg/m3) 50 100 150 200

7、 250 Temperature (C) 20070012001700 CMC 2008-09-09 钛的基本特征 钛合金的基本特征钛合金的基本特征 高的比强度高的比强度 （对飞机及航空发动机尤其重要）（对飞机及航空发动机尤其重要） 优异的耐蚀性能优异的耐蚀性能 使用温度范围大使用温度范围大 低阻尼特性低阻尼特性 钛合金相图 2008-02-18 钛的合金化原理 中性型中性型稳定化型稳定化型稳定化型稳定化型 同晶型同晶型共析型共析型 Zr Hf SnAl Ga Ge O N C Mo V Nb TaFe Mn Cr Co Ni Cu Si H 2008-09-09 钛的合金化原理 完整的完整的

8、 Ti-Al合金相图合金相图 2008-09-09 钛的合金化原理 钛的主要合金元素 1、稳定元素：提高转变温度，扩大相区。 距Ti较远，化学性质差别大。 包析反应，提高热稳定性 Al：应用最广泛，强效。降低熔点，提高转变温度。 原子置换方式增加网格畸变，室温和高温均强化。 相当于钢中碳的作用，提高热稳定性和焊接性。 Ga Ge：稀贵元素，应用少，作用正在研究中。 O N C: 间隙元素，强度提高，塑性下降。脆性威胁， 严格控制含量。 2008-09-09 钛的合金化原理 钛的主要合金元素 2、稳定元素：降低转变温度，扩大相区。 固溶强化，提高淬透性和热处理强化效果。 V Mo：同晶元素，靠近

9、Ti，晶格类型与-Ti相同。 Nb Ta 与相无限互溶，在相中有限溶解。 提高强度，保持较高塑性，无共析或包析反应 Fe Mn： 共析元素，强化效果明显。 Cr Co 在和相中均有限溶解，在中溶解度更大 Ni Cu 均存在共析反应，影响组织稳定和蠕变性能。 Si H 注意H的双重作用。 2008-09-09 钛的合金化原理 钛的主要合金元素 3、 中性元素：对转变温度无显著影响。 在和中均有较大溶解度，固溶强化。 Zr Hf： Ti的同族元素，提高强度和热强性， 强化效果低于Al，但对塑性的影响小。 Sn Mg：主要固溶强化相，也可视为 稳定元素。 Ce La：稀土元素，提高高温拉伸和热稳定性

10、。 研究热点 2008-09-09 钛合金的典型组织 4种基本类型 等轴组织等轴组织 等轴初生等轴初生相和相和转变转变 组织均匀分布。两相区组织均匀分布。两相区 中部加热中部加热/ /变形所获得变形所获得 的。强度、塑性、疲劳的。强度、塑性、疲劳 性能突出。性能突出。 混合组织混合组织 转变组织基体上分布转变组织基体上分布 有少量有少量等轴初生等轴初生相。相。 两相区上部加热两相区上部加热/ /变形变形 获得的。兼顾强度、塑获得的。兼顾强度、塑 性、韧性、疲劳、蠕变性、韧性、疲劳、蠕变 2008-09-09 钛合金的典型组织 4种基本类型 网篮组织网篮组织 原始原始晶粒内分布着发晶粒内分布着发

11、 达的片层达的片层。晶界已晶界已 被破碎，无明显晶界被破碎，无明显晶界。 相区加热相区加热/ /变形，两变形，两 相区完成变形。相区完成变形。 魏氏组织魏氏组织 晶界完整，晶内存在晶界完整，晶内存在 发达的片层发达的片层。晶界。晶界 明显。加热和明显。加热和变形均在变形均在 相区完成。断裂韧性相区完成。断裂韧性 和蠕变性能突出。和蠕变性能突出。 2008-09-09 显微组织对钛合金性能的影响 细小粗大性能性能片层状等轴状 弹性模量弹性模量+/-（织构） + +- - 强度强度 - -+ + + +- - 塑性塑性 - -+ + - -+ + 断裂韧性断裂韧性 + +- - + +- - 疲劳

12、裂纹萌生疲劳裂纹萌生 - -+ + - -+ + 疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展 + +- - - -+ + 蠕变强度蠕变强度 + +- - + +- - 超塑性超塑性 - -+ + + +- - 氧化性能氧化性能 + +- - 注： 无影响，+ 性能提高，- 性能降低 钛合金的显微组织以和相的尺寸（细小、粗大）及排列方式（片层 状、等轴状）来描述。 钛合金的典型组织 2008-09-09 钛合金的分类 2008-09-09 、 +、 钛合金的性能差异钛合金的性能差异 性能性能+ + 密度密度+ + +- - 强度强度- -+ + 塑性塑性-/+-/+ +/-+/- 断裂韧性断裂韧性+ +-/+-/

13、+/-+/- 蠕变强度蠕变强度+ +/-+/- - 性能性能+ + 腐蚀性能腐蚀性能+ +/-+/- 氧化性能氧化性能+/-+/- - 可焊性可焊性+ +/-+/- - 冷成形性冷成形性- -/+-/+ 注：+ 好，+ 较好，- 差，- 较差 钛合金的性能主要取决于两相的排列方式、体积分数以及各自的性能。 钛合金类型对性能的影响 钛合金的分类 2008-09-09 钛合金锻造基础 钛合金组织与变形温度、变形程度的关系钛合金组织与变形温度、变形程度的关系 区变形区变形 + 区变形区变形 + 区变形区变形 2008-09-09 钛合金锻造基础 2008-09-09 钛合金锻造基础 钛合金的不同锻造

14、工艺钛合金的不同锻造工艺 T TT T相变 相变 5 51010，准，准锻，网篮组织锻，网篮组织 T TT T相变 相变 10101515，近，近锻，三态组织锻，三态组织 （10102020 等轴等轴、50506060片层片层构成的网篮组织和转构成的网篮组织和转 变变基体基体 ） T TT T相变 相变， ，锻，网篮锻，网篮 魏氏组织魏氏组织 T TT T相变 相变 30305050，两相锻（常规锻造），等轴，两相锻（常规锻造），等轴 组织组织 2008-09-09 钛合金锻造基础 去除表层厚度（mm） 棒材直径（mm） 2 3 5 50 锻棒 挤压棒材 车床上切割车床上切割 砂轮切割砂轮切割

15、 圆盘锯切割圆盘锯切割 圆盘锯片厚度圆盘锯片厚度28mm，适宜切割较大棒料，进刀量小，适宜切割较大棒料，进刀量小， 能获得较洁净的端面能获得较洁净的端面 阳极切割阳极切割 切口宽度不超过切口宽度不超过3mm，切耗少、生产率低，切耗少、生产率低 锤上或水压机切割锤上或水压机切割需将棒料预热，工业纯钛可冷态剪切需将棒料预热，工业纯钛可冷态剪切 适于切割直径小于适于切割直径小于60mm的棒材，切割效率高，但砂的棒材，切割效率高，但砂 片寿命较短片寿命较短 车切速度mm/min进刀量mm/周 钛合金车切25000300000.20.3 扒皮去层1500020000 无层Ra=0.632.50.080.

16、1 Ra=1.2550.10.2 Ra=2.5100.30.4 注：Ra：表面粗糙度。车削加工时必须使用润滑冷却液，供给11.5mPa压力 2008-09-09 钛合金锻造基础 2）提高加热温度时，钛合金会与空气发生强烈反映，在）提高加热温度时，钛合金会与空气发生强烈反映，在 还原性气氛的油炉中加热时，吸氢强烈还原性气氛的油炉中加热时，吸氢强烈 采用分段加热，缩短坯料高温停留时间采用分段加热，缩短坯料高温停留时间 电炉加热（或微氧化性气氛下火焰加热），炉底加垫不锈钢钢板电炉加热（或微氧化性气氛下火焰加热），炉底加垫不锈钢钢板 钛合金加热的钛合金加热的两个特点：两个特点： 1）钛低温导热率低，采

17、用表面加热方法时，加热时间相当长）钛低温导热率低，采用表面加热方法时，加热时间相当长 2008-09-09 钛合金锻造基础 润滑 在整个变形过程中能够形成牢 固而连续的保护膜 在加热和变形过车工中能够保 护毛坯，防止氧化和气体污染 具有良好的隔热性能，使毛坯 从炉子转移到模具以及在变形 过程中减少能量损失 不与毛坯和模具的表面发生化 学作用 容易涂到毛坯表面，并便于使 该工序机械化 容易从锻件表面清除，能在较 长时间保持润滑性能 玻璃粉编 号 氧化物含量 SiO2Al2O2B2O2Na2OCaOMgO 15761-1718182045- 26131156- 34053555- 45514132

18、16- 5341.735177.54.8 65458.527.55- 玻璃No. 玻璃润滑剂在下述温度下的黏度 800900100010501100 11364005234784-185 2 106795 0 500306507-1327 3437350226903156-708 4-1000001000074004500 5-301512- 6-10008050- 注：玻璃润滑剂是由玻璃粉、稳定剂、固结剂以及水构成的悬浮液 模锻钛合金用润滑剂的基本要求 涂润滑剂的方法涂润滑剂的方法 将坯料浸入悬浮液内浸涂将坯料浸入悬浮液内浸涂 用刷子刷到坯料表面用刷子刷到坯料表面 用喷雾器喷到坯料表面用喷雾

19、器喷到坯料表面 2008-09-09 钛合金锻造基础 锻造设备类型与应变速率的关系 平均应变速率平均应变速率/s-1 锻造设备锻造设备 10-4 10-2 10-2 1 1 30 10 200 慢速液压慢速液压 液压液压 机械压力机械压力 （快速）（快速） 锻锤锻锤 2008-09-09 钛合金锻造基础 变形量控制 变形量：变形量： 钛合金的临界变形钛合金的临界变形2 212%12%，实际控制应，实际控制应 在在151520%20%以上以上; ; 变形变形303040%,40%,可细化可细化 组织；组织；606070%70%以上可将粗针状组织细以上可将粗针状组织细 化转变为球状组织化转变为球状

20、组织 与热效应综合考虑与热效应综合考虑 2008-09-09 钛合金锻造基础 清理 氧化皮的清除 壳层的清除 喷砂喷砂 可清除0.130.76mm厚的锈皮，喷砂设备：装有磨料的 滚筒、喷丸或喷砂装置 酸洗酸洗 清除壳层 熔盐除锈熔盐除锈 熔盐除锈熔盐除锈 1号溶液号溶液 清洗清洗 中和酸洗中和酸洗 2号溶液号溶液 清洗清洗 酸洗酸洗 3号溶液号溶液 清洗清洗干燥干燥 清除氧化皮，并随之酸洗去除壳层 表 溶液成分及有关参数 2050 25 25 425510 室 温 5060 60% 90%N2OH，其 余N2NO3和 Na2CO3 5% 15%HNO3溶于 水 15% 20%HNO3， 1%7

21、%HF， 其余为水 除锈 中和 酸洗 1 2 3 时间/min操作温度/溶液成分溶液类型溶液号 2008-09-09 钛合金锻造基础 缺陷 内部缺陷 表面缺陷 表面裂纹 未充满 折叠和桔皮 内部裂纹、空洞 粗大且不均匀的组织 过热 绝热剪切带 亮条 2008-09-09 钛合金的常用术语 初生初生相相 次生次生相相 晶界晶界相相 转变转变组织组织 晶粒晶粒 2008-09-09 钛合金的常用术语 原始原始晶粒晶粒集束集束 2008-09-09 钛合金的常用术语 其他术语参见其他术语参见GB8755-1988 谢谢 谢谢 ！ 钛元素在周期表中的位置 2008-09-09 钛元素与钛资源概述 22

22、号号 IV B 族族 钛资源的分布 2008-02-18 钛元素与钛资源概述 VAR 钛锭的 2008-09-09 2 飞机和发动机使用的飞机和发动机使用的 钛合金一般要经过钛合金一般要经过2 23 3 次熔炼。（增加熔炼次次熔炼。（增加熔炼次 数可使成分均匀化）数可使成分均匀化） 冷壁铜坩埚熔炼技术冷壁铜坩埚熔炼技术 冷炉床熔炼技术冷炉床熔炼技术 熔炼缺陷及 钛合金的生产流程 惰性气体保护下的电渣重熔炉惰性气体保护下的电渣重熔炉 ESR Titanium Alloys TiAl Alloys Superalloys Refractory Metals and Intermetallics Mg Al Single Crystal Superalloys Specific Strength (MPa/(Mg/m3) 50 100 150 200 250 Temperature (C) 200700120