钛合金流动温压成形工艺及模具

1、目录1 绪论 11.1 研究的目的和意义 11.1.1 传统工艺的应用及将要采用的方法 11.1.2 金属注射成形 (MlM>21.1.3 激光成形技术 21.1.4 温压成形技术 31.1.5 温压工艺的技术特点： 41.2 国内外发展现状 51.2.1 温压工艺的形成和发展 51.2.2 产业化发展 71.3 小结 82 钛合金性能研究 82.1 钛及钛合金定义、分类、特点及应用 82.1.1 定义 82.1.2 分类 82.1.3 应用 92.1.4 钛合金的特点 102.2 钛合金的品种和性能 102.2.1 一些常用钛合金牌号 102.2.2 钛合金的优缺点 102.2.3 钛

2、合金的组织和性能 113 工艺设计 123.1 工艺流程总体分析 123.1.1 工艺的核心技术 123.1.2 钛粉 123.1.3 润滑剂 143.1.4 温压温度和压力的选择 153.1.5 温压过程的致密化 163.1.6 模具加热装置： 183.2 其它粉末冶金工艺分析 19193.2.1 粉末冶金制品的基本生产工艺3.2.2 传统粉末冶金工艺 193.2.4 粉末锻造 213.2.5 温压工艺 213.3 工艺流程设计 233.3.1 工艺流程拟订 233.3.2 工艺说明 243.4 工艺的优点 274 模具的设计 274.1 零件总体结构分析 274.2 压力机 274.3 余

3、量和公差 294.4 型腔的确定 294.4.1 模具尺寸放大率的计算 294.4.2 确定压坯尺寸和公差 314.4.3 模具线膨胀计算 314.4.4 顶出机构设计 334.5 模具装配图极其零件设计 334.5.1 模具装配图设计 334.5.2 重要模具零件材料选择 344.5.3 下模 354.5.4 上模 365 总结 38参考文献 39致谢 411 绪论钛及钛合金因为密度低、比强度高、屈强比高、良好的塑韧性、耐腐蚀性 好等优点，在军工、民用等领域具有广阔的应用前景，其性能及制造技术水平 直接影响到这些领域的发展和水平的提高 1 。扩大钛合金市场的瓶颈是钛的提 取、熔炼、机加工很难

4、，从而导致生产成本高。钛锭的生产成本约为同重钢锭 的 3O 倍、铝锭的 6 倍，其中从矿石到镁还原制取海绵钛的成本约为制取同重铁 的20倍2。目前，每吨工业纯钛的成本约为7. 510$/kg,而航空航天用钛合金的生产成本更是高达 4O$kg。降低成本主要是降低工业纯钛生产成本和钛及钛合金的制造加工成本 3。 为了降低钛合金的成本,国外大力发展钛合金无切削、少切削的近净形工艺。1.1 研究的目的和意义1.1.1 传统工艺的应用及将要采用的方法制造钛合金部件目前主要有 3种方法：传统的锻造材料加工；铸造； 粉末冶金。用锻造进行材料加工，其材料性能优良，但浪费大，加工量大， 成本高，且难获得形状复杂

5、的产品；铸造可获得形状复杂的净形或近净形产 品，成本较低，但铸造过程中材料的成分偏析、疏松、缩孔等缺陷难以避免， 材料性能较低 4 。钛合金的粉末冶金技术则克服了这 2 种方法的缺点，同时兼 有它们的优点。因而国内外科研者在粉末冶金技术制备钛合金上开展了很多工 作。用粉末冶金方法制成的金属钛和钛合金。钛的化学活性大，易受气体和坩 埚材料等的污染，因此高质量钛粉末主要是在真空或高纯惰性气体保护下采用 离心雾化制粉工艺来生产 5 。制品的成形一般不加粘结剂，坯料必须在真空中 烧结。 20 世纪 40 年代末，首先开展了以海绵钛粉末为原料的压制烧结工艺的 研究。但该工艺生产的产品性能尚不能满足航空部

6、门的要求，主要用于制造化 工、轻工、冶金、海洋开发等部门所需的耐蚀、过滤等零件。其中获得工业生 产应用的第一种产品是钛多孔过滤材料。 60 年代中期，开始发展以旋转电极法 制取钛的预合金粉末和热等静压致密化的工艺。用此工艺生产的制品的静态力 学性能与熔炼加工制品相当，但显著地减少了切削加工，提高了材料的利用 率，开始用于航空工业中。至 70 年代末，钛粉末冶金制品在耐蚀和航空方面的 应用获得较快的发展。中国 70 年代初开始进行钛粉末冶金工艺及制品的研究， 钛金属阀门、轴套、多孔管和板、钛碳化钛耐磨材料以及钛钼耐蚀合金等均 已工业生产。 70 年代末期，开展了离心雾化制取高质量钛合金粉末及热等

7、静压 成形工艺的研究。1.1.2 金属注射成形 (MlM>金属粉末注射成形(MIM>ft术作为一种近净成形技术，可制备高质量、高 精度的复杂零件，被认为是目前最有优势的成形技术之一。用MIM法制造钛及钛合金近净形零件，可大幅降低加工费用。据估计，目前全世界钛的MIM部件的生产量为每月35t。随着制备钛粉工艺的改进和粉末成本的降低，钛合金 注射成形件的生产量呈增长趋势。日本最早采用 MIM 技术生产一种钛合金运动夹板。现在最大的钛粉末注射 成形的生产厂是日本Injex，每月生产约23t。钛的MIM产品已在高尔夫球 头、自动汽车、医疗器械、牙科植入体及表壳表带等方面获得应用。日本Hit

8、achiMetalPrecision 公司和 Casio 计算机公司制作的钛合金表壳在 1999 年 国际粉末冶金会议上获得 MIM优胜奖，此表在水深 200m仍能正常运转。1997 年日本太平洋金属有限公司采用住友 Sitix 气雾法制得的球形钛粉，平均粒径 23. 8m采用40聚丙烯+60石蜡粘结剂，经1443K烧结1. 5h得到MIM钛材 7。日本一些大学采用住友 Sitix 气雾化球形钛粉，由 MIM法制取了 Ti-6AI- 4V、Ti-12Mo、Ti-5Co 合金等。材料性能均优于同等条件下用常规粉末冶金工 艺所制得的材料性能，完全达到了相同成分的熔炼锻造材料的水平。此外，日 本一家

9、公司用注射成形法制造形状复杂的钛铁合金零件，如田径跑鞋的鞋底钉 子。该方法将钛铁合金粉末和有机粘结剂混合，以196MPa勺压力注射成形，在550C脱脂后，再在1000-1400C, 1. 33X 1OPa条件下进行真空烧结。这样制 成勺钛铁合金鞋钉与钼合金鞋钉相比，耐磨性和耐冲击性均提高。且重量减轻 45%汽车喷油嘴形状复杂，尺寸小，用注射成形技术(MIM>W制的Ti和Al金属间化合物和Ti-6A1-4V、Ti-5A1-2 . 5Sn合金喷油嘴，具有耐高温、耐磨损、 质量轻等优良性能，其尺寸精度也达到了使用要求。1.1.3 激光成形技术激光成形法是一种将高功率激光涂覆技术同先进的快速原型

10、复制法相结合 以直接制造复杂三维零部件的激光定向金属沉积加工工艺。激光成形工艺具有 高精密、高质量、非接触性、洁净无污染、无噪音、材料消耗少、参数精密控 制和高度自动化等特性，可以制造充分致密和高度完整的金属零部件而不需要 像铸造、热等静压或低熔点合金的反渗透这样一些中间工艺步骤，因此特别适 合于金属化合物等脆性合金的成形与加工。美国 AeroMet 公司开发的激光成形工艺，是把钛合金粉沉积到基体上预先 成形，再加工成精密件。该公司用激光成形技术生产的 F-22 飞机支架、 FA- 18E/ F飞机机翼连接板的翼根加强筋，以及起落连杆件3种部件可满足飞机性能的要求。他们用的材料都是 Ti-6A

11、1-4Y 合金。用铸造和锻造技术制造这些飞 机零部件的材料利用率低于 5,交货时间长达12年。利用激光成形法则可以 克服这些缺点。目前已用该技术制造出了 Ti-6A1-4V 、 Ti-5A1-2 . 5Sn、 Ti- 6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0 . 1Si 和 Ti-6A1-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo-025Si 等合金。最近，美国坩埚公司利用大功率CO 的激光设备，将气雾化法制备的Ti-47Al-2Cr-2Nb 合金粉末喂入激光束聚焦点，通过计算机三维图形控制制备了尺 寸为200X150X 32mm的r-TiAl合金板材。利用激光成形技术，板的成分与原 始粉末的成分相近，在制造过

12、程中不会失去铝和吸收氧气。产品的显微组织为 完全的片状组织，片团大小为180-600um（平均尺寸为 400um片间距约为0.5um。激光成形法制备的Ti-6A1-4V合金的力学性能、疲劳性能介于铸造与锻 造之间。选择性激光烧结技术作为激光成形技术中发展最迅速的技术之一，目前得 到了广泛的发展。它原则上适合于任何可以与激光发生相互作用的粉末材料， 尤其是金属粉末。日本大阪大学采用选择性激光烧结技术制备医用钛牙冠件， 取得了很好的效果。它是以 Nd: YAG激光器为能量源（平均功率为50W原材 料为球形钛粉。粗钛粉激光烧结件的相对密度为84%抗拉强度为70MPa而细小的球形钛粉（粒度为25um勺

13、激光烧结件，其相对密度达到 93%抗拉强度是 150MPa。1.1.4 温压成形技术 温压成形技术是近几年新发展起来的一次压制、一次烧结工艺，是制造高密度、高性能粉末冶金结构零件的一项经济可行的新技术。它是在混合物中添 加新型润滑剂，然后将粉末和模具加热至 15O C左右进行压制，最后采用传统 的烧结工艺进行烧结，是普通模压技术的发展与延伸，被国际粉末冶金界誉为 “开创铁基粉末冶金零部件应用新纪元”和“导致粉末冶金技术革命”的新成 形技术8。最近德国 Fraunhofer 研究所在温压成形技术的基础上开发了一种被称为流 动温压工艺的粉末冶金新技术。该技术以温压工艺为基础，结合金属注射成形 的优

14、点，通过加入适量的微细粉末和加大润滑剂的含量大大提高了混合粉末的 流动性、填充性和成形性。流动温压成形技术原则上可适合所有具有足够好的 烧结性能的粉末体系 9 。其主要特点是可成形几何形状复杂的零部件；产品密 度高、性能均匀；工艺简单、成本低廉。1.1.5 温压工艺的技术特点: 能以较低的成本制造出高性能的铁基粉末冶金零部件。因为与普通的模压相比较，粉末及模具仅加热到150°C左右，故可在普通粉末压机上添加加热系统就可改造为温压机，所需投入并不大。而且采用温压工艺生产的生坯强度 高，又可直接进行附加的机加工，而压制压力和脱模压力均能较低，故模具寿 命高，可大大降低成本，是一种不复杂但

15、效益高的新技术。提高零部件生坯密 度。通过温压技术的使用，能使铁基粉末冶金零部件的生坯密度达到7.257.45g/cm3，与传统工艺相比提高了 0.150.3g/cm3何。温压工艺被誉为“开创粉末冶金零件应用新纪元的一项新型制造技术”， 其关键在于以较低的成本制造出高性能的铁基 P/M 零件，为轿车用零部件在性 能与成本之间找到了一个较佳的结合点。据资料分析，虽然温压工艺比常规一 次压制烧结工艺的相对成分提高了20，但比浸铜工艺，复压复烧工艺，粉末热锻工艺分别降低 20%,30%和 80%。除此以外，温压工艺还具有自身独特技术优 点：八、1） 压坯密度和烧结密度高。采用温压工艺，通常可获得7.

16、257.60g/cm3的铁基P/M零件。在同一压制压力下，比一次压制烧结工艺的密度提高0.150.30g/cm3。相应的，获得相同密度所需的压制压力降低140MPAa左右，这为较低吨位粉末压机压制大尺寸中密度铁基 P/M 零件创造了条件，相对地增大了压 机的吨位。2）压坯强度高。在相同密度水平下，经温压的压坯，其强度是常规压制压 坯的 1.252.0 倍。这一特点为粉末冶金工艺制造形状复杂的机械零件提供了 方便，也提高了粉末冶金技术与其它零件制造竞争的能力。一方面，普通压制 烧结工艺因为其压坯强度低，在脱模过程中很容易导致形状复杂压坯的破坏， 从而无法成形。然而，温压工艺克服了这一缺点。另一方

17、面根据粉末冶金技术 和压机工作特点，垂直于压制方向的 P/M 零件侧面形状特征是不可能成形的， 如横向孔等。采用温压工艺后，因为压坯强度高，可在烧结工序之前直接对压 坯进行机加工，节约机加工工时和提高刀具的使用寿命。3） 脱模压力低。温压工艺的脱模压力比普通压制工艺降低30以上。低 的脱模压力意味着温压工艺易于压制形状复杂的铁基 P/M 零件和减少模具磨损 从而延长其使用寿命。同时，还可以降低粉末料中润滑剂的添加量，进一步提 高压坯密度。因为，润滑剂每降低 0.1 ，压坯密度将增加 0.05g/cm3。4）弹性后效小。 烧结后零件尺寸变化比普通压制要低得多， 如 DistaloyAE 基材粉末

18、经温压后的烧结收缩接近于零，易于获得高尺寸精度的铁基 P/M 零件5、当零件密度、材质相同时，采用温压工艺制得的材料极限抗拉强度比复压复烧工艺所制得的材料提高10%左右，而疲劳强度提高了1040%。特别是，零件经温压、烧结后进行适度的复压，其疲劳性能与粉末热锻件相当。这 些力学性能指标达到了轿车发动机，传动及刹车装置的使用性能的要求，可望 为连杆的制造提供一条可行的技术途径。6)压坯密度分布均匀。采用温压工艺制备齿轮类零件时齿部与根部间的密 度差比常规压制工艺低 0.1 0.2g/cm3 。1.2 国内外发展现状1.2.1 温压工艺的形成和发展粉末锻造技术 1968 年在美国出现，因为粉末锻造

19、机械零件具有材料利用率 高，力学性能好，锻件尺寸精度高和质量准确，大规模制造生产可显著降低成 本等优点。在许多国家掀起开发粉末锻造零件，材料与工业生产技术热潮 11 。八十年代末，Hoeganaes公司的 Musella等人在本公司的 ANCORBOND艺 即扩散粘结铁粉制备工艺的研究基础上开发出一种所谓温压<WarmCompaction)的新工艺，即ANCORDEN工艺，并于1990年取得了第一项采用一次压制烧结 工艺制备高密度铁基 P/M 零件的美国专利 12 。通常，模具和粉末原料均需加 热，即模具温度为150C，粉末原料温度为130C 13。经温压后，P/M零件的密 度增幅为0.

20、150.30g/cm3。 1992年，Hoeganaes公司的Rutz和Luk又获得一 项美国专利，他们的研究成果标志着温压技术迈向了实用阶段。在 1994年、1995年、1996年国际粉末冶金学术年会上发表了近 20篇有关 温压技术的论文。如瑞典和美国的Hoeganaes公司，加拿大魁北克金属粉末有限公司等都较系统地开展了有关温压技术的研究。已制备出极限拉伸强度达 1500MPa的烧结态铁基P/M零件。在温压过程中，温度的升高使粉末的流动性 大幅度下降，为实现压制过程自动化，开展了新型高分子聚合物作为润滑剂的 研究，并取得了两项专利。与此同时， Hoeganaes 公司与德国的 Linde

21、公司、美国的辛辛那提公司密 切合作，研制出温压加热装置，并得了专利。目前，瑞典Hoega naes公司，美国Hoeganaes公司和宾夕法尼亚 Pressedmetals公司，瑞士 SinterwerkeAG 公 司，加拿大魁北克金属粉末有限公司，台湾保来得公司等已建立二十多条温压 生产线，并能制造出30余种密度在7.257.60g/cm3的高密度铁基P/M零件， 如电动工具用螺旋齿轮，轿车刹车定位螺母等。 Ford 汽车公司已将重达 1.2kg 的温压流体变速涡轮毂用在发动机上，仅此一件就大幅度的提高了铁基 P/M 零 件在汽车上的应用水平。据美国粉末工业联合会执行主席 White 称，到

22、1996年 底，美国轿车中铁基 P/M和应用水平已达到13.6kg/辆。Ford公司的目标是到 2000 年轿车中 P/M 零件的应用水平将达到 22.7kg/ 辆，这在很大程度上得益于 温压工艺的出现。 Hoeganaes 公司也因在温压工艺方面的开创性成就而荣获 1996年度MPRR高荣誉奖。而粉末冶金温压工艺技术在我国起步较晚，除扬州保来得粉末冶金公司和 宁波东睦粉末冶金公司已从境外引进温压工艺生产线外，还没有系统地开展对 温压工艺的研究。 1995 年，北京科技大学和武钢合作开展了采用温压工艺制备 高密度粉末冶金磁性材料的研究，现已取得有价值的阶段性成果。中南工大粉 末冶金国家重点实验

23、室早在 1 995年就成立了温压工艺研究小组，其目标是开发 出符合国情的温压工艺及温压加热装备。正在开发的温压用粉末原料的工艺性 能与Hoeganaes公司和魁北克金属粉末有限公司的原料接近。并且国内部分公 司与研究所在钛合金温压工艺方面取得的进展也得到国家的支持与奖励 14 。流动温压工艺是德国 Fraunhofer 研究所在温压成形技术的基础上开发了一 种被称为流动温压工艺的粉末冶金新技术。该技术以温压工艺为基础，结合金 属注射成形的优点，通过加入适量的微细粉末和加大润滑剂的含量大大提高了 混合粉末的流动性、填充性和成形性。流动温压成形技术原则上可适合所有具 有足够好的烧结性能的粉末体系。

24、其主要特点是可成形几何形状复杂的零部 件；产品密度高、性能均匀；工艺简单、成本低廉。1.2.2 产业化发展1 ）强力发掘市场需求 高密度，高强度粉末冶金烧结钢零件的市场需求是温压技术产业化的源动 力。长期以来，中、低密度粉末冶金零件的市场已趋于饱和，其零件较低的强 度性能对粉末冶金烧结钢的市场声誉有一定的负面影响。特别是应用粉末冶金 产品的设计人员，往往对高强度、高密度存有疑虑。因此，市场开发人员应当 真正了解温压产品的优异性能，以具体的技术数据，及国内外生产的主要产品 如链轮、齿轮的经验，作好开发工作。任何一个企业，如果在实际上没有强力发掘市场需求的能力，在计划时代还可能生存；那么在面临加入

25、WTC后严酷的竞争形势面前，只能“坐以待 关）闭”。2）选择正确的结合部温压技术的产业化即国产化，只有充分结合我国产业的实际情况进行开 发，才能可能获得较大的进展。从国民经济的全局看，粉末冶金行业是一个小 产业，它的发展必须也只能依附于国民经济支柱产业的发展。轿车产业的发展 规划曾经给粉末冶金的发展规划带来某种刺激。现在看来，真正把降低几十公 斤零件成本而采用粉末冶金产品这件事看得很重的发动机主机厂为数并不多。 因此，高密度温压粉末零件的一大出路应当着眼于配件市场。只要高密度温压 冶金零件的质量过硬，拥有了用户，就一定会促进主机市场的开发，这就是市 场的结合部问题。其次是，温压技术与粉末冶金厂

26、家本身的结合问题。没有引进国外先进技 术的粉末冶金厂家占多数，资金的投向一定是非“待闭”企业，因而是可持续 发展或有可能持续发展的粉末冶金厂，温压技术必然会转化成生产力。3）市场经济条件下的“研究企业集合”体 国外温压技术从实验室到产业化大致用了 5 年左右的时间。与其它先进技术相 比，温压技术产业化的速度是快的。其中一条成功的经验是，该技术从一开始 就是以“研究企业集合”的面貌出现的。粉末冶金工艺人员、压机制造商、 化工、化学研究人员，组成一个集合体来突破技术的各个环节。在这方面行业 协会或学会应当发挥更大的作用。中国热模网首发 温压技术产业化的根本出路在于，真正理解和掌握温压烧结工艺系统的

27、各个 环节，在有可能持续发展的骨干粉末冶金企业的牵头和带动下，组成一个各方 均可受益的粉末、制件、压机、化工厂商和研究团体的“研究企业集合” 体，以典型的温压系列产品开拓钢铁粉末内冶金高密度、高强度零件的新市场15。1.3 小结钛合金的高成本限制了其更广泛的推广和应用，综合上述几种粉末冶金新 技术，粉末冶金技术在制备钛合金方面具有材料利用率高、能耗低、经济效益 高等优点，从而降低了成本，且是生产某些形状复杂零件的唯一方法。同时高 质量、低成本钛粉末的利用使钛粉末冶金产品获得了较好的发展，诸如钛注射成形、激光成形等粉末冶金产品已在民用工业中有了明显的增长。我们相信注 射成形、激光成形、温压成形等

28、粉末冶金技术将会更加广泛地推动钛粉末冶金 工业的发展。对钛合金流动温压工艺进行研究并将其应用于生产实践，将大大 降低钛合金成型难度和生产消耗，从而大大降低其生产成本，使钛合金得到更 广泛的应用。因此，研究钛合金的流动温压成型有着极其重要的意义。2 钛合金性能研究2.1 钛及钛合金定义、分类、特点及应用2.1.1 定义以钛为基加入其他合金元素组成的合金称作钛合金。钛合金具有密度低、 比强度高、抗腐蚀性能好、工艺性能好等优点 , 是较为理想的航天项目结构材 料。2.1.2 分类钛合金可分为结构钛合金和耐热钛合金，或a型钛合金、B型钛合金和a + B型钛合金。研究范围还包括钛合金的成形技术、粉末冶金

29、技术、快速凝固 技术、钛合金的军用和民用等。 a合金含一定量的稳定 a相的元素，平衡 状态下主要由 a 相组成。 a 合金比重小，热强性好、具有良好的焊接性和优 异的耐蚀性 , 缺点是室温强度低 , 通常用作耐热材料和耐蚀材料。 a 合金通常又 可分为全a合金TA7、近a合金（Ti-8AI-1Mo-1V和有少量化合物的 a合 金（Ti-2.5Cu。 （a + B 合金含一定量的稳定a相和B相的元素，平衡状态下合金的组 织为a相和B相。（a + B 合金有中等强度、并可热处理强化，但焊接性能 较差。（a + B 合金应用广泛，其中Ti-6AI-4V合金的产量在全部钛材中占一半 以上。 B合金含大

30、量稳定B相的元素，可将高温B相全部保留到室温。B合 金通常又可分为可热处理 B 合金亚稳定 B 合金和近亚稳定 B 合金）和热稳 定 B 合金。可热处理 B 合金在淬火状态下有优异的塑性，并能通过时效处理使抗拉强度达到130140kgf/mm2。B合金通常作高强度高韧性材料使用。钛合金按组织可分三类 .（1 钛中加入铝和锡元素 .2 钛中加入铝铬钼钒等合 金元素.3 钛中加入铝和钒等元素 . 钛合金具有强度高而密度又小 , 机械性能好 , 韧性和抗蚀性能很好 .另外:钛合金的工艺性能差 ,切削加工困难 .在热加工中 ,非 常容易吸收氢氧氮碳等杂质 . 还有抗磨性差 , 生产工艺复杂 . 钛合金

31、按用途可分为 耐热合金、高强合金、耐蚀合金 钛-钼，钛 -钯合金等）、低温合金以及特殊功 能合金 钛- 铁贮氢材料和钛 -镍记忆合金）等。2.1.3 应用钛合金是一种新型结构材料，它具有优异的综合性能，如密度小 4.5g/cm- 3），比强度和比断裂韧性高，疲劳强度和抗裂纹扩展能力好，低温韧性良好， 抗蚀性能优异，某些钛合金的最高工作温度为550oC,预期可达700oC。因此它在航空、航天、化工、造船等工业部门获得日益广泛的应用，发展迅猛。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞 机的结构件。 60 年代中期，钛及其合金已在一般工业中应用，用于制作电解工 业的电极，发电

32、站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制 装置等。钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。此外还用于生产贮氢材料和形 状记忆合金等。轻合金、钢等的vc 0.2/密度）与温度的关系，钛合金的比强高于其他轻金 属、钢和镍合金，并且这一优势可以保持到 500oC 左右，因此某些钛合金适于 制造燃气轮机部件。钛产量中约 80%用于航空和宇航工业。例如美国的B-1 轰炸机的机体结构材料中，钛合金约占21%，主要用于制造机身、机翼、蒙皮和承力构件。F-15战斗机的机体结构材料，钛合金用量达 7000kg，约占结构重量 的34%波音757客机的结构件，钛合金约占5%用量达3640kg。麦克唐纳道 格

33、拉斯vMc-Donnell-Dounlas ）公司生产的 DC10飞机，钛合金用量达 5500kg， 占结构重量的 10%以上。在化学和一般项目领域的钛用量：美国约占其产量的 15%，欧洲约占 40%。因为钛及其合金的优异抗蚀性能，良好的力学性能，以及 合格的组织相容性，使它用于制作假体装置等生物材料。2.1.4 钛合金的特点钛金属的密度较小，为 4.5g/cm3，仅为铁的60%通常与铝、镁等被称为 轻金属，其相应的钛合金、铝合金、镁合金则称为轻合金。世界上许多国家都 认识到钛合金材料的重要性，相继对钛合金材料进行研究开发，并且得到了实 际应用。钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高、易焊接

34、等特点而被广 泛用于各个领域，尤其是强度高、易焊接性能有利于高尔夫杆头的制造。2.2 钛合金的品种和性能2.2.1 一些常用钛合金牌号第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的 Ti-6AI<铝）-4V<矶）合金。 Ti-6Al-4V 合金在耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性 和生物相容性方面均达到较好水平。 Ti-6AI-4V 合金使用量已占全部钛合金的 7585%。许多其它合金可以看作是 Ti-6AI-4V 合金的改型。以钛为基加入其他元素组成的合金。钛的工业化生产是 1948年开始的。航 空工业发展的需要，使钛工业以平均每年约8的增长速度发展。目前世界钛合金加

35、工材年产量已达 4 万余吨,钛合金牌号近 30 种。使用最广泛的钛合金是 Ti-6AI-4V（TC4>,Ti-5AI-2.5Sn（TA7>和工业纯钛 <TA1 TA2和 TA3）0 目前，世界上已研制出的钛合金有数百种，最著名的合金有二十至三十种，例如，有 Ti-6AI-4V 、Ti-5AI-2.5Sn 、Ti-2AI-2.5Zr 、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni 、Ti-Pd 、Ti- 811、Ti-6242 、Ti-1023 、Ti-10-5-3 、Ti-1100 、BT9、BT20、IMI829、IMI834 等；用于球杆制造的有10-2-3,SP700,15-3-3

36、-3< 通常所说的B钛）,22-4,DAT510中国于 1956 年开始钛和钛合金研究； 60 年代中期开始钛材的工业化生产 并研制成TB2合金。2.2.2 钛合金的优缺点钛合金与其他金属材料相比 , 有下列优点 :比强度 <抗拉强度密度）高 < 见图）,抗拉强度可达100140kgf/mm2,而密度仅为钢的60%。中温强度好, 使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度，可在450500r的温度下长期工作。耐蚀性好，在大气中钛表面立即形成一层均匀致密 的氧化膜，有抵抗多种介质侵蚀的能力0通常钛在氧化性和中性介质中具有良 好的耐蚀性，在海水、湿氯气和氯化物溶液

37、中的耐蚀性能更为优异0但在还原 性介质，如盐酸等溶液中，钛的耐蚀性能较差。低温性能好，间隙元素极低的钛合金，如TA7,在-253 C下还能保持一定的塑性。弹性模量低，热导率小，无 铁磁性0钛合金的缺点是成型困难，不切削加工困难 16 02.2.3 钛合金的组织和性能钛有两种同质异晶体：882 °C以下为密排六方结构a钛，882°C以上为体心立方的B钛。合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：稳定a相、 提高相转变温度的元素为 a稳定元素，有铝、碳、氧和氮等。其中铝是钛合金 主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有 明显效果。稳定 B相、降低相

38、变温度的元素为 B稳定元素，又可分同晶型 和共析型二种。前者有钼、铌、钒等；后者有铬、锰、铜、铁、硅等。对相 变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质。氧和氮在 a 相中有较大的溶解度 , 对钛合金有显著强化效果 , 但却使塑性下降。通常规定钛中氧和氮的含量分别在 0.150.2 %和0.040.05 %以下。氢在 a相中溶解度很小,钛合金中溶解过 多的氢会产生氢化物，使合金变脆。通常钛合金中氢含量控制在0.015以下。氢在钛中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。热处理钛合金通过调整热处理工艺可以获得不同的相组成和组织。一般认 为细小等轴组织具有较好的塑性、

39、热稳定性和疲劳强度；针状组织具有较高的 持久强度、蠕变强度和断裂韧性；等轴和针状混合组织具有较好的综合性能。常用的热处理方法有退火、固溶和时效处理。退火是为了消除内应力、提高塑性和组织稳定性，以获得较好的综合性能。通常a合金和a + B）合金退火温度选在a + B）B相转变点以下120200E ;固溶和时效处理是从高温区快冷，以得到马氏体a '相和亚稳定的 B相，然后在中温区保温使这 些亚稳定相分解，得到 a 相或化合物等细小弥散的第二相质点，达到使合金强 化的目的。通常（a+B 合金的淬火在（a + B相转变点以下40100C进行，亚稳定B合金淬火在（a + B f B相转变点以上4

40、080°C进行。时效 处理温度一般为 450550C。此外，为了满足工件的特殊要求，工业上还采用 双重退火、等温退火、 B 热处理、形变热处理等金属热处理工艺。3 工艺设计3.1 工艺流程总体分析3.1.1 工艺的核心技术流动温压工艺是一门新发展起来的新技术，是粉末冶金技术的发展。该技 术以温压工艺为基础，结合金属注射成形的优点，通过加入适量的微细粉末和 加大润滑剂的含量大大提高了混合粉末的流动性、填充性和成形性。因此，流 动温压工艺与温压工艺的主要区别是流动温压工艺所加的润滑剂较多，润滑流 动效果好，成形性好。可见，解决润滑的选择与添加问题是流动温压工艺的核 心技术问题。另外，粉末

41、颗粒度大小于颗粒的外形，压制温度和压力等对材料的流动性 和成型性也起着决定性的作用，而致密程度影响着压制零件的力学性能和质量 准确性。温压是在一定的温度下进行压制的，普通模具钢会在因温度升高而产 生退火，降低硬度，因此选择合适的模具材料关系着整个模具的寿命。合适的 加热装置是控制整个加热系统的关键，合适装置不仅能很好加热并控制，同时 也降低了模具的成本。因此流动温压工艺的核心技术可以归结为以下几点：1、粉末的制备2、新型润滑剂的选择和使用3、压制温度和压力的选择4、致密化机理5、加热装置3.3 工艺流程设计3.3.1 工艺流程拟订根据工艺分析并参考其它粉末冶金成型工艺，本流动温压工艺应又以下几

42、 个流程组成。流程图如下：图3.5钛合金流动温压生产工艺流程本工艺流程和金属注射成型工艺流程相似，都是以一定比例的黏结剂和金 属合金粉末均匀混合，然后再加热使黏结剂融化，形成熔融的黏流体，在压力 机的压力下进行变形，蔓延流动填充模具型腔进行成型。到氩气保护中进行高 温脱粘，再放到真空炉中进行保护烧结，最后进行必要的后继处理。处理完后 的产品就是所需要的成品。3.3.2工艺说明首先根据 TiC4 即 Ti-6AI-4V 的主要成分 <Al: 5.5-6.75%，V： 3.5-4.5%， Fe：w 0.30%, O：w 0.20%, C:< 0.08%, N:< 0.05%, H

43、:< 0.015%,其它 0.4%），将027%（质量分数 > 的HDHT1粉和气雾化T1粉混合 ，而后按 10%质量分数加入A1 - V粉混匀组成混合粉,或直接采用预合金化的T1 -6 A1 -4 V粉。将这些粉与5%8%质量分数的粘结剂混练，混练均匀后加入到模 具型腔中进行加热，待温度达到150度左右时保温3-5min后进行压制。成形后成形坯先在溶剂中萃出脱粘，而后在真空中，于Ar气流中与 713C下热脱除剩 余的粘结剂。再在1523K下真空烧结3h。随HDHT1粉加入量由 0增至 27%相对密度由96.7增至97.5%,氧含量由0.23%增至0.32%,抗张强度由950MPa

44、增至lOOOMPa ,屈服强度由800MPa增至850MPa ,伸长率最高达12%以上。由预合金粉制得的Ti -6 A1 -4 V的相对密度接近96%氧含量0.34%。 因为密度较低,氧含量偏高,抗张强度约960MPa ,伸长率约11%熔炼锻造的 Ti -6 A1 -4 V的强度是990MPa，伸长率为14%,这说明,元素混合粉制取的 Ti -6 A1 -4 V已达到熔炼锻造材的性能水平。将烧结温度提高到1573K时,由元素混合粉制取的Ti -6 A1 -4 V的抗拉强度高达1300MPa。4模具的设计4.1零件总体结构分析零件为一薄壁零件，含有肋和辐板，其外形和尺寸如图1:零件尺寸不大，壁薄

45、，中间还有加强筋。采用粉末温压可以解决零件无切除的情况在制造 加强筋。跟等温锻造相比，制造工艺简单，成型快，制造出的零件在力学性能 和使用性能上都相差不大，合适利用温压工艺进行压制。零件底面成梯形，面 积最大，应选为模具的分型面，将加强筋放在下模压制，可以将压制的零件留 在下模，再通过顶出机构将零件顶出模腔。catioi屋译 封面曲腹板零件上水冷板当外文函澤封 代不模001 遇下檯板 閨下模套 色下樓匡庚下水冷板01 罔压坯尺寸 凹播要MHinWifJMSH.HrHLu. T«MU 九T來細晡Wk网刑磁tHZMMtg由ttu増1帆“HsnukiHnHuus"一 ilnMwH

46、三三三三三三二三三二运=l_iR_s本团队全部是在读机械类研究生，熟练掌握专业知识，希通各类机械设计？服- 务质量优秀。可全程辅导毕业设计，知识可贵，带给你的不只是一份设计，更 是一种能力。联系方式：QQ712070844请看QC资料。5总结本课题在温压、等温锻造、注射成型等传统工艺的基础上研究发展了钛合 金的流动温压工艺。本工艺集成了其它传统工艺的优点，是对钛合金粉末成型 的一种创新性研究，使得钛合金成型技术有了进一步的研究和发展。流动温压 技术兼有温压技术和金属注射成形技术的优点，既克服了传统粉末冶金技术在成 形方面的不足，又避免了注射成形技术的高成本。因为微细粉末的加入和较多的 润滑剂含量而使混合粉末在温压时转变成一种具有良好流动性和充填能力的黏 流体,从而可以直接成形零件的复杂几何形状如侧凹、螺纹孔等而不需要其后的 二次机加工，具有很大的应用潜力。本流动温压工艺具有如下一些优点：1）模具设计简单。钛合金粉末流动温压工艺