钛合金锻造技术

钛与钛合金锻造技术2008-09-09技术培训

《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1英国WilliamGregor

发现钛元素的存在，将其命名为“mechanite”1791年1795年德国MartinHeinri

ch

Klaproth,成功地从矿石（金红石）中分解出氧化钛，将其更名为“Titans”1932年卢森堡WilhelmJustinKroll（被称为钛工业之父），用Ticl4和Na制取了大量的钛（Kroll工艺）1948年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122号IVB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1地壳质量的4‰，总储量34亿吨化学性质活泼，无钛的单质，主要是氧化物金红石钛铁矿钛资源的分布2008-02-18钛元素与钛资源概述12008-02-18钛合金的生产流程2钛矿石海绵钛钛合金铸锭变形钛合金铸造钛合金叶片盘件蒙皮……叶片机匣蒙皮……成品312大棒材小棒材板材管材型材半成品海绵钛的生产工艺2008-02-181钛矿（金红石）四氯化钛(TiCl4)海绵钛Kroll：镁还原Hunter：钠还原氯化●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2VAR钛锭的2008-09-092飞机和发动机使用的钛合金一般要经过2～3次熔炼。（增加熔炼次数可使成分均匀化）冷壁铜坩埚熔炼技术冷炉床熔炼技术熔炼缺陷及钛合金的生产流程2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，α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、α偏析。一旦发现，整炉报废钛锭的2008-09-092熔炼缺陷及钛合金的生产流程2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。高密度夹杂偏析类冶金缺陷高β稳定元素偏析，因局部β稳定元素偏高而形成β斑点。β斑点间隙元素偏析低Al、V偏析也叫软偏析高Al偏析钛合金TC4中的高间隙缺陷

200X正常区Hv300缺陷区Hv493

由于α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2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。目的：方法：自由锻、挤压、平锻、快锻、精锻原则：β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2常用开坯设备2008-09-09钛的基本特征3(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。钛元素的基本特征同素异构转变TitaniumAlloysTiAlAlloysSuperalloysRefractoryMetalsandIntermetallicsMgAlSingleCrystalSuperalloysSpecificStrength(MPa/(Mg/m3))50100150200250

Temperature(ºC)20070012001700CMC2008-09-09钛的基本特征3钛合金的基本特征高的比强度（对飞机及航空发动机尤其重要）优异的耐蚀性能使用温度范围大低阻尼特性钛合金相图2008-02-18钛的合金化原理4中性型α稳定化型β稳定化型β同晶型β共析型Zr

Hf

SnAl

Ga

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

Ti-Al合金相图2008-09-09钛的合金化原理4钛的主要合金元素1、α稳定元素：提高β转变温度，扩大α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β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。

ONC: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4钛的主要合金元素2、β稳定元素：降低β转变温度，扩大β相区。

固溶强化，提高淬透性和热处理强化效果。VMo：β同晶元素，靠近Ti，晶格类型与β-Ti相同。

NbTa与β相无限互溶，在α相中有限溶解。

提高强度，保持较高塑性，无共析或包析反应FeMn：β共析元素，强化效果明显。

CrCo在α和β相中均有限溶解，在β中溶解度更大

NiCu均存在共析反应，影响组织稳定和蠕变性能。

SiH注意H的双重作用。2008-09-09钛的合金化原理4钛的主要合金元素3、中性元素：对β转变温度无显著影响。

在α和β中均有较大溶解度，固溶强化。Zr

Hf：Ti的同族元素，提高α强度和热强性，

强化效果低于Al，但对塑性的影响小。SnMg：主要固溶强化α相，也可视为α稳定元素。CeLa：稀土元素，提高高温拉伸和热稳定性。

研究热点2008-09-09钛合金的典型组织54种基本类型等轴组织等轴初生α相和β转变组织均匀分布。两相区中部加热/变形所获得的。强度、塑性、疲劳性能突出。混合组织β转变组织基体上分布有少量等轴初生α相。两相区上部加热/变形获得的。兼顾强度、塑性、韧性、疲劳、蠕变2008-09-09钛合金的典型组织54种基本类型网篮组织原始β晶粒内分布着发达的片层α。β晶界已被破碎，无明显晶界α。β相区加热/变形，两相区完成变形。魏氏组织β晶界完整，晶内存在发达的片层α。晶界α明显。加热和变形均在β相区完成。断裂韧性和蠕变性能突出。2008-09-09显微组织对钛合金性能的影响细小粗大性能片层状等轴状○○弹性模量○+/-（织构）+-强度-++-塑性-+-+断裂韧性+-+-疲劳裂纹萌生-+-+疲劳裂纹扩展+--+蠕变强度+-+-超塑性-++-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α和β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52008-09-09钛合金的分类62008-09-09α、α

+β、β钛合金的性能差异性能αβα+β密度++-强度-+++塑性-/+++/-断裂韧性+-/++/-蠕变强度++/--性能αβα+β腐蚀性能++++/-氧化性能+++/--可焊性++/--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62008-09-09钛合金锻造基础7钛合金组织与变形温度、变形程度的关系β

区变形α+β

区变形β

→α+β

区变形2008-09-09钛合金锻造基础72008-09-09钛合金锻造基础7钛合金的不同锻造工艺T＝T相变＋5～10℃，准β锻，网篮组织T＝T相变－10～15℃，近β锻，三态组织（10～20％等轴α、50～60％片层α构成的网篮组织和转变β基体）T＞T相变，β锻，网篮\魏氏组织T＝T相变－30～50℃，两相锻（常规锻造），等轴组织

2008-09-09钛合金锻造基础7下料去除表层厚度（mm）棒材直径（mm）23550锻棒挤压棒材车床上切割砂轮切割圆盘锯切割圆盘锯片厚度2~8mm，适宜切割较大棒料，进刀量小，能获得较洁净的端面阳极切割切口宽度不超过3mm，切耗少、生产率低锤上或水压机切割需将棒料预热，工业纯钛可冷态剪切适于切割直径小于60mm的棒材，切割效率高，但砂片寿命较短车切速度mm/min进刀量mm/周钛合金车切25000~300000.2~0.3扒皮去α层15000~20000无α层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。车削加工时必须使用润滑冷却液，供给1~1.5mPa压力2008-09-09钛合金锻造基础7加热2）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钛合金加热的两个特点：1）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7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SiO2Al2O2B2O2Na2OCaOMgO157~61-17~1818~204~5-26131156-34053555-4551413216-5341.735177.54.865458.527.55-玻璃No.玻璃润滑剂在下述温度下的黏度800℃900℃1000℃1050℃1100℃11364005234784-18521067950500306507-13273437350226903156-7084-10000010000740045005-301512-6-10008050-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将坯料浸入悬浮液内浸涂用刷子刷到坯料表面用喷雾器喷到坯料表面2008-09-09钛合金锻造基础7锻造设备类型与应变速率的关系平均应变速率/s-1锻造设备10-4~10-210-2~11~3010~200慢速液压液压机械压力（快速）锻锤2008-09-09钛合金锻造基础7变形量控制变形量：钛合金的临界变形2—12%，实际控制应在15—20%以上;变形30—40%,可细化组织；