鈦合金鍛造技術(shù)

1、鈦與鈦合金鍛造技術(shù)鈦與鈦合金鍛造技術(shù)2008-09-09技術(shù)培訓(xùn)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2008-09-09鈦元素的發(fā)現(xiàn)2008-09-09鈦元素與鈦資源概述英國William Gregor 發(fā)現(xiàn)鈦元素的存在，將其命名為“mechanite”德國Martin Heinri ch Klaproth,成功地從礦石（金紅

2、石）中分解出氧化鈦，將其更名為“Titans”盧森堡Wilhelm Justin Kroll（被稱為鈦工業(yè)之父），用Ticl4和Na制取了大量的鈦（Kroll工藝）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22號(hào)號(hào)IV B 族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地殼質(zhì)量的地殼質(zhì)量的4，總儲(chǔ)量，總儲(chǔ)量3434億噸億噸化學(xué)性質(zhì)活潑，無鈦的單質(zhì)，主要是氧化物化學(xué)性質(zhì)活潑，無鈦的單質(zhì)，主要是氧化物金紅石金紅石鈦鐵礦鈦鐵礦鈦資源的分布2008-02-18鈦元素與鈦資源概述2008-02-18鈦合金的生產(chǎn)流程鈦礦石海綿鈦鈦合金

3、鑄錠變形鈦合金鑄造鈦合金葉片葉片盤件盤件蒙皮蒙皮葉片葉片機(jī)匣機(jī)匣蒙皮蒙皮成品312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綿鈦的生產(chǎn)工藝2008-02-181鈦礦鈦礦（金紅石）（金紅石）四氯化鈦四氯化鈦(TiCl4 )海綿鈦海綿鈦Kroll：鎂還原：鎂還原Hunter：鈉還原：鈉還原氯化氯化海綿鈦根據(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VAR鈦錠的2008-09-092 飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)使用的飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)使用的鈦合金一般要經(jīng)過鈦合金一般要經(jīng)過2 23 3次熔煉。（增加熔煉次次熔煉。（增加熔煉次數(shù)可使成分均勻化）數(shù)可使成分均勻化）

4、冷壁銅坩堝熔煉技術(shù)冷壁銅坩堝熔煉技術(shù)冷爐床熔煉技術(shù)冷爐床熔煉技術(shù)熔煉缺陷及鈦合金的生產(chǎn)流程惰性氣體保護(hù)下的電渣重熔爐惰性氣體保護(hù)下的電渣重熔爐ESR硬度降低，偏析區(qū)為等軸組織，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、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。高高穩(wěn)定元素偏析，因局部穩(wěn)定元素偏析，因局部穩(wěn)定穩(wěn)定元素偏高而形成元素偏高而形成斑點(diǎn)。斑點(diǎn)。斑點(diǎn)斑點(diǎn)間隙元素偏析間隙元素偏析低低Al、V偏

5、析偏析 也叫軟偏析也叫軟偏析高高Al偏析偏析鈦合金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。自由鍛、擠壓、平鍛、快鍛、精鍛區(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)流程常用開坯設(shè)備2008-09-09鈦的基本特征(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)

6、 彈性模量較低。(6) 無磁性。鈦元素的基本特征鈦元素的基本特征同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變TitaniumAlloysTiAlAlloysSuperalloysRefractoryMetals and IntermetallicsMg AlSingle CrystalSuperalloysSpecific Strength(MPa/(Mg/m3)50100150200250 Temperature (C)20070012001700CMC2008-09-09鈦的基本特征鈦合金的基本特征鈦合金的基本特征高的比強(qiáng)度高的比強(qiáng)度（對(duì)飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)尤其重要）（對(duì)飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)尤其重要）優(yōu)異的耐蝕性能優(yōu)

7、異的耐蝕性能使用溫度范圍大使用溫度范圍大低阻尼特性低阻尼特性鈦合金相圖2008-02-18鈦的合金化原理中性型中性型穩(wěn)定化型穩(wěn)定化型穩(wěn)定化型穩(wěn)定化型同晶型同晶型共析型共析型Zr Hf SnAl Ga GeO N CMo V Nb TaFe Mn Cr CoNi Cu Si H 2008-09-09鈦的合金化原理完整的完整的Ti-Al合金相圖合金相圖2008-09-09鈦的合金化原理鈦的主要合金元素1、穩(wěn)定元素：提高轉(zhuǎn)變溫度，擴(kuò)大相區(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

8、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。O N C: 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鈦的合金化原理鈦的主要合金元素2、穩(wěn)定元素：降低轉(zhuǎn)變溫度，擴(kuò)大相區(qū)。 固溶強(qiáng)化，提高淬透性和熱處理強(qiáng)化效果。V Mo：同晶元素，靠近Ti，晶格類型與-Ti相同。Nb Ta 與相無限互溶，在相中有限溶解。 提高強(qiáng)度，保持較高塑性，無共析或包析反應(yīng)Fe Mn： 共析元素，強(qiáng)化效果明顯。Cr Co 在和相中均有限溶解，在中溶解度更大Ni Cu 均存在共析反應(yīng)，影響組織穩(wěn)定和蠕變性能。Si H 注意H的雙重作用。2008-09-09鈦的合

9、金化原理鈦的主要合金元素3、 中性元素：對(duì)轉(zhuǎn)變溫度無顯著影響。 在和中均有較大溶解度，固溶強(qiáng)化。Zr Hf： Ti的同族元素，提高強(qiáng)度和熱強(qiáng)性， 強(qiáng)化效果低于Al，但對(duì)塑性的影響小。Sn Mg：主要固溶強(qiáng)化相，也可視為 穩(wěn)定元素。Ce La：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4種基本類型等軸組織等軸組織等軸初生等軸初生相和相和轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變組織均勻分布。兩相區(qū)組織均勻分布。兩相區(qū)中部加熱中部加熱/ /變形所獲得變形所獲得的。強(qiáng)度、塑性、疲勞的。強(qiáng)度、塑性、疲勞性能突出。性能突出?；旌辖M織混合組織轉(zhuǎn)變組織基體上分布轉(zhuǎn)變組織基體上分布有少量有少量等軸初生等軸

10、初生相。相。兩相區(qū)上部加熱兩相區(qū)上部加熱/ /變形變形獲得的。兼顧強(qiáng)度、塑獲得的。兼顧強(qiáng)度、塑性、韌性、疲勞、蠕變性、韌性、疲勞、蠕變2008-09-09鈦合金的典型組織4種基本類型網(wǎng)籃組織網(wǎng)籃組織原始原始晶粒內(nèi)晶粒內(nèi)分布分布著發(fā)著發(fā)達(dá)的片層達(dá)的片層。晶界已晶界已被破碎，無明顯晶界被破碎，無明顯晶界。 相區(qū)加熱相區(qū)加熱/ /變形變形，兩，兩相區(qū)完成變形相區(qū)完成變形。魏氏組織魏氏組織晶界完整，晶內(nèi)存在晶界完整，晶內(nèi)存在發(fā)達(dá)的片層發(fā)達(dá)的片層。晶界。晶界明顯。明顯。加熱加熱和和變形變形均在均在相區(qū)完成相區(qū)完成。斷裂韌性斷裂韌性和蠕變性能和蠕變性能突出。突出。2008-09-09顯微組織對(duì)鈦合金性能的

11、影響細(xì)小粗大性能性能片層狀等軸狀彈性模量彈性模量+/-（織構(gòu)）+ +- -強(qiáng)度強(qiáng)度- -+ + +- -塑性塑性- -+ +- -+ +斷裂韌性斷裂韌性+ +- -+ +- -疲勞裂紋萌生疲勞裂紋萌生- -+ +- -+ +疲勞裂紋擴(kuò)展疲勞裂紋擴(kuò)展+ +- - -+ +蠕變強(qiáng)度蠕變強(qiáng)度+ +- -+ +- -超塑性超塑性- -+ + +- -氧化性能氧化性能+ +- -注： 無影響，+ 性能提高，- 性能降低 鈦合金的顯微組織以和相的尺寸（細(xì)小、粗大）及排列方式（片層 狀、等軸狀）來描述。鈦合金的典型組織2008-09-09鈦合金的分類2008-09-09、 +、 鈦合金的性能差異鈦合金的性能

12、差異性能性能+ +密度密度+ + +- -強(qiáng)度強(qiáng)度- -+ +塑性塑性-/+-/+ +/-+/-斷裂韌性斷裂韌性+ +-/+-/+/-+/-蠕變強(qiáng)度蠕變強(qiáng)度+ +/-+/- -性能性能+ +腐蝕性能腐蝕性能+ +/-+/-氧化性能氧化性能+/-+/- -可焊性可焊性+ +/-+/- -冷成形性冷成形性- -/+-/+注：+ 好，+ 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2008-09-09鈦合金鍛造基礎(chǔ)鈦合金組織與變形溫度、變形程度的關(guān)系鈦合金組織與變形溫度、變形程度的關(guān)系 區(qū)變形區(qū)變形+ 區(qū)變形區(qū)變形 + 區(qū)變

13、形區(qū)變形2008-09-09鈦合金鍛造基礎(chǔ)2008-09-09鈦合金鍛造基礎(chǔ)鈦合金的不同鍛造工藝鈦合金的不同鍛造工藝T TT T相變相變5 51010，準(zhǔn)，準(zhǔn)鍛，網(wǎng)籃組織鍛，網(wǎng)籃組織T TT T相變相變10101515，近，近鍛，三態(tài)組織鍛，三態(tài)組織 （10102020等軸等軸、50506060片層片層構(gòu)成的網(wǎng)籃組織和轉(zhuǎn)構(gòu)成的網(wǎng)籃組織和轉(zhuǎn)變變基體基體 ）T TT T相變相變，鍛，網(wǎng)籃鍛，網(wǎng)籃 魏氏組織魏氏組織T TT T相變相變30305050，兩相鍛（常規(guī)鍛造），等軸，兩相鍛（常規(guī)鍛造），等軸組織組織 2008-09-09鈦合金鍛造基礎(chǔ)去除表層厚度（mm）棒材直徑（mm）23550鍛棒擠壓棒

14、材車床上切割車床上切割砂輪切割砂輪切割圓盤鋸切割圓盤鋸切割圓盤鋸片厚度圓盤鋸片厚度28mm，適宜切割較大棒料，進(jìn)刀量小，適宜切割較大棒料，進(jìn)刀量小，能獲得較潔凈的端面能獲得較潔凈的端面陽極切割陽極切割切口寬度不超過切口寬度不超過3mm，切耗少、生產(chǎn)率低，切耗少、生產(chǎn)率低錘上或水壓機(jī)切割錘上或水壓機(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適于切割直徑小于60mm的棒材，切割效率高，但砂的棒材，切割效率高，但砂片壽命較短片壽命較短車切速度mm/min進(jìn)刀量mm/周鈦合金車切25000300000.20.3扒皮去層1500020000無層Ra=0.632.

15、50.080.1Ra=1.2550.10.2Ra=2.5100.30.4注：Ra：表面粗糙度。車削加工時(shí)必須使用潤滑冷卻液，供給11.5mPa壓力2008-09-09鈦合金鍛造基礎(chǔ)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）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鈦合金加熱的兩個(gè)特點(diǎn)：兩個(gè)特點(diǎn)：1）鈦低溫導(dǎo)熱率低，采用表面加

16、熱方法時(shí)，加熱時(shí)間相當(dāng)長）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2008-09-09鈦合金鍛造基礎(chǔ)潤滑在整個(gè)變形過程中能夠形成牢固而連續(xù)的保護(hù)膜在加熱和變形過車工中能夠保護(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，能在較長時(shí)間保持潤滑性能玻璃粉編號(hào)氧化物含量SiO2Al2O2B2O2Na2OCaOMgO15761-1718182045-26131156-34053555-4551413216-5341.735177.54.865458.527

17、.55-玻璃No.玻璃潤滑劑在下述溫度下的黏度80090010001050110011364005234784-18521067950500306507-13273437350226903156-7084-10000010000740045005-301512-6-10008050-注：玻璃潤滑劑是由玻璃粉、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滑劑的基本要求涂潤滑劑的方法涂潤滑劑的方法將坯料浸入懸浮液內(nèi)浸涂將坯料浸入懸浮液內(nèi)浸涂用刷子刷到坯料表面用刷子刷到坯料表面用噴霧器噴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)鍛造設(shè)備類型與應(yīng)變速率的關(guān)系平均應(yīng)變速率平均應(yīng)變

18、速率/s-1鍛造設(shè)備鍛造設(shè)備10-4 10-210-2 11 3010 200慢速液壓慢速液壓液壓液壓機(jī)械壓力機(jī)械壓力（快速）（快速）鍛錘鍛錘2008-09-09鈦合金鍛造基礎(chǔ)變形量控制變形量：變形量：鈦合金的臨界變形鈦合金的臨界變形2 212%12%，實(shí)際控制應(yīng)，實(shí)際控制應(yīng)在在151520%20%以上以上; ; 變形變形303040%,40%,可細(xì)化可細(xì)化組織；組織；606070%70%以上可將粗針狀組織細(xì)以上可將粗針狀組織細(xì)化轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罱M織化轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罱M織與熱效應(yīng)綜合考慮與熱效應(yīng)綜合考慮2008-09-09鈦合金鍛造基礎(chǔ)清理氧化皮的清除 殼層的清除噴砂噴砂可清除0.130.76mm厚的銹皮，噴砂設(shè)備：裝有磨料的滾筒、噴丸或噴砂裝置酸洗酸洗清除殼層熔鹽除銹熔鹽除銹熔鹽除銹熔鹽除銹1號(hào)溶液號(hào)溶液清洗清洗中和酸洗中和酸洗2號(hào)溶液號(hào)溶液清洗清洗酸洗酸洗3號(hào)溶液號(hào)溶液清洗清洗干燥干燥清除氧化皮，并隨之酸洗去除殼層 表 溶液成分及有關(guān)參數(shù)2050252542