航空发动机钛合金板材热成形加工技术

航空发动机钛合金板材热成形加工技术
陈淳陆辰张东升
（西安航空发动机（集团）有限公司冲压焊接厂，陕西）
钛及钛合金板作为结构材料有很多优点，它具有强度大，比强度高，能耐多种介质的腐蚀的性能，钛的密度不到铁的60%，仅为4.5g/cm3。

钛合金抗拉强度却与高强钢相近，σb 可达1470MPa，即比强度（强度/密度）大。

比强度是评价航空及航天工业用材料的一个重要指标。

目前钛合金被广泛应用于航空发动机制造领域中。

航空发动机用钛合金主要驱动如下：①减重（替代钢和镍基超合金）；②使用温度（可替代铝合金、钢和镍基超合金）；③抗蚀性（可替代铝合金和低合金钢）。

但钛及钛合金也存在不足。

由于其拉伸强度和屈服强度比较接近，即屈服极限对强度极限的比值大，延伸率低，因而塑性变形区范围窄，稍有塑性变形便达到强度极限，发生破坏。

此外钛的弹性模量小，回弹性大，钛板冷成形时硬化比较严重，摩擦系数大，与其它金属的亲和力强，成形中容易粘模、滑伤，其特点给冷成形带来了极大困难。

1、钛合金材料成形性能分析
纯钛的塑性高，但强度低，因而限制了它在工业上的应用。

为了获得要求的性能，在钛中添加不同的合金元素，得到各种不同牌号的钛合金。

工业纯钛TA1、TA2、TA3的钛的弹性模量小，回弹性大，对压力加工特别是冷冲成形很不利。

多以钛板制造350℃以下工作零件，如飞机蒙皮和隔热板等。

钛合金TB1（Ti-3AI-8MO-11Cr）等β合金，可以强化到非常高的强度水平。

这类合金的缺点是对杂元素敏感性高，组织不够稳定，不宜在高温下使用，另外，其冶金工艺也较一般合金复杂。

良好，可以强化到较高的强度水平，约占和航空工业中使用的钛合金石70%以上。

2、热成形加工工艺
为了改善材料的成形性能，一般在加工过程中要退火，以消除冷作硬化和应力。

常常采用加热成形工艺以减少回弹，提高贴模效果。

因为在一定的高温下状态下（≥550℃），屈强
比及都减少了，延伸率显著增加，可进行钛合金板成形。

2．1电阻加热成形
电阻加热就是利用钛及其合金板本身具有高电阻的特性，采用低电压大电流在钛板上直接通电。

具体是在钛合金板两端，各焊接上一段不同于钛合金的金属工艺材料板片，然后在两端工艺板上接通电源，由于金属工艺板片与钛合金导电率不同而产生的电阻使钛板在几十秒内加热到成形温度，然后立即在常规的冲床等设备上用模具冲压成形。

2．1．1电阻加热成形不需要复杂特殊成形设备，工艺装备制造简单，制造周期短，可在常规的冲床、液压机或落锤等设备上用模具进行压制成形，需要增加的设备较简单，只要配备一台低电压装置作为加热源和一套夹持工件两端以便接通
电电源的夹头即可。

2．1．2电阻加热成形一般主要工序如下：下料→焊接工艺板片→电阻加热预成形→除去工艺板片→电炉加热校形→热处理→机械加工→酸洗→裂检→终检。

2．1．3电阻加热成形主要需解决如下问题：
A）设计性能可靠的电极夹头。

为使钛板均匀加热，电极夹头须与钛板接触良好、压力均匀且操作方便迅速。

在生产中我们采用的机械坚固式铜制夹头使用效果不错。

B）毛坯要求。

所用毛坯的几何形状有一定要求，矩形、特别是窄条形毛料比较适用，对于不规则断面有缺口或中间开口以及曲线外形，由于电流流经毛坯各断面上的电流密度不同，加热温度不均匀，可能会带来局部过热问题，应避免使用。

C）合适的模具间隙。

模具间隙设计不当会使毛坯生产开裂，间隙最好稍微大于钛板厚度。

此外，模具表面粗糙度也很重要，一般不低于0.8。

D）工艺参数的确定。

需要试验确定合适的电压、电流及加热时间等工艺参数。

E）加热温度的测定。

恰当的成形温度是保证零件质量的关键，但要在快速升温的条件下迅速测定温度和控制温度却很不容易。

采用红外线测温仪测温准确，反映灵敏，现场使用效果较好。

也可采用比色法。

钛合金加热到不同温度，在空气中冷却后，就保留不同着色，制造了各种温度的标准温度比色试片，检验加热温度。

此方法简捷可靠实用，但测温不太精确。

F）钛板的保护和润滑。

钛合金在高温下易氧化、吸氢，并受铅锌模污染，变形区易划伤，容易在通电加热中会因操作不慎发生短路而烧伤零件。

因此需要涂综合性能较好的润滑剂。

成形前将润滑剂涂在钛板两面，干燥后即可使用。

在加热时润滑剂随着材料的变形而流动，有效地保护钛板免于氧化的污染，并有良好的高温润滑作用和绝缘性，提高了零件的表面质量。

2.1.4适用范围及缺点。

对于一些成形型面简单，要求不严的零件比较适用，尤其适用于试制和小批量生产，也可用于部分热校形件的预成形等。

其缺点是：成形件贴模精度差，回弹大，质量不易保证，如用低熔点铅锌模在高温下模具易烧熔，模具寿命低。

2．2高温蠕变成形
高温蠕变成形工艺，即是利用钛及其合金板在高温下应力松弛条件下的蠕变过程，达到消除回弹的目的。

通常是将钛板放入加热的模具内，采用热成形机将钛板紧压在模具型面上而成形，经过一段时间保压保温，利用金属在高温下具有应力松弛和蠕变的特性，使材料中一部分弹性变形在应力作用下逐步蠕变为塑性变形，使其弹性力逐渐降低，以达到减少回弹，从而提高了成形精度要求。

高温蠕变成形是目前消除钛板回弹最有效的工艺方法。

3 热成形加工步骤
因钛板的塑性变形范围很窄，所需冷成形力大，易开裂，回弹严重，上述因素给钛板冷成形带来困难。

一般来说，冷成形只用于成形形状简单和变形不复杂的零件。

外形变化剧烈，但具有明显母线的槽形或角形零件，可用预成形方法改善金属的流动，为最终成形创造条件。

例如：在闸压床、滚弯机、液压机上冷成形，然后在热成形机上热校形。

热成形前的预成形可分为冷预成形和热预成形两种形式。

3．1一般热成形（电阻加热成形、高温蠕变成形）加工步骤如下：
第一步，清理并涂润滑剂。

用干净布蘸航空洗涤汽油将毛坯表面擦试干净。

在毛坯表面均匀涂上一层润滑剂（不允许有其它任何杂质依附在材料表面），凉干一小进后待成形。

润滑剂一般是用喷枪或使用线刷将溶液均匀地喷涂在毛坯表面。

第二步，清理模具。

将模具工作部分清理干净，无任何杂质，以避免零件表面划痕等缺陷。

第三步，安装、加热模具。

电阻加热成形时将模具装到普通冲床上。

高温蠕变成形时将模具装到热成形机上，在加热炉内预热模具。

第四步，压制零件。

电阻加热成形零件：应根据零件实际情况确定加热参数，如电压、电流、时间等，采用模具快速压制零件：将热成形机温度升至加热温度，把毛坯放在模具上，在一定温度范围内预热一段时间，毛坯热透后合模加压，保压保温使毛坯压贴在模具中即可。

第四步，冷却和洗涤。

刚成形后零件的温度较高，因冷却时温差大而引起残余应力易造成零件变形。

为此，可将零件挂在专门的冷却架上或移至石棉垫上冷却，若零件无法竖立放置，允许零件弧度向上平置。

待零件完全冷却后，用清水洗去零件表面的润滑剂和其它污物。

成形过程完毕。

4 热成形加工注意要点及要求
4．1由于钛的屈服强度高，弹性模量小，缺口敏感性高，纵横性能不均匀，成形容易产生回弹、变形和起皱，给成形加工带来了较大的困难。

这样就需要把温度、时间、压力及润滑均匀程度结合起来，影响热成形效果的主要因素是温度和时间，而温度是决定性因素。

4．2当钛或钛合金在加工过程中由于与铝合金、铜合金、铅合金和锌合金等低熔点容易污染金属接触或摩擦而被玷污，被玷污的部分由于热处理加热、焊接或是在发动机工作时受热的情况下，铝、铜、铅等污染金属的分子获得能量而进入钛材本体，形成新的异相材料，这种异相材料的组织往往是一种熔点低于本体材料的所谓低熔点合金，当材料受热至一定程度时，由于低熔点合金的存在使钛材零件在未达到零件设计的使用条件或寿命要求时就损坏或失效，故在零件加工过程中一定要注意钛合金防污染问题。

4．3在加工零件时，应将钛合金毛坯或零件与铝合金、铜合金材料分开加工和放置。

不得用铜合金，铝合金等金属制作夹具、模具、垫板等工装，对于工装中不得不采用铜合金和铝合金的，其与钛合金材料接触的部位应镀铬或镀镍。