金属超塑性成形

第一章绪论

1.1钛及钛合金

英国矿物学家和化学家William Mcgregor在1791年发现了钛元素，他分析了钛铁矿（FeOTiO2），并利用磁铁除去了矿砂中的铁，再用盐酸处理剩余物，得到了不太纯的钛氧化物。但是由于钛与氧、氮、碳、氢等元素有极强的亲和力，且与绝大多数耐火材料在高温下发生反应，从而使金属钛的提取工艺非常复杂和困难。因此经历了一百多年的摸索和努力，最终卢森堡化学家Wihelm Justin

和Ca制取了大量的钛。后来发明了生产金属钛的钠热Kroll于1932年用TiCl

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法、碘化法等方法。

钛合金的突出特点，在于它的高比强度及优良的耐腐蚀性，同时又具有良好的耐热性和低温性能，因而实用性强，应用面广。只要选材得当，不仅能够大大提高装备的工作效能，同时也可以带来明显的经经济效益。在耐腐蚀性方面，钛合金在氧化性及中性介质中极为稳定，在海水中的腐蚀速率远远低于不锈钢，可与白金媲美，故适于在航空、航天、石油、化工、电力、冶金、农药、造纸、造船、食品及医疗卫生等部门应用。

钛合金一般按退火组织分为α型，β型及α+β型三大类。国产钛合金牌号分别用 TA、TB、TC作为字头，其后标明合金序号，如 TA7，表示第七号钛合金。

α型钛合金（包括纯钛）在常温下不能保留高温的体心立方β相，因此应全部为单相α组织。但根据热加工和热处理的差异，α相有几种形态：塑性变形后经过完全再结晶退火，α相呈等轴状，但由于杂质元素对β相稳定作用，α基体上可能出现少量（2～3%）的粒状β相；若α相呈片状，且呈规则排列，这种形态称为魏氏组织；如在β相区加热后水淬，将发生马氏体转变，此时α相呈针状或锯齿形；当α型钛合金含有过量氢时，则会出现针状氢化钛。α+β型钛合金的组织特点：在平衡状态下，合金由α+β两相组成，两相比例取决于合金成分，特别是β稳定化元素的含量。国产α+β型钛合金中的β相含量大约在 5～20%范围内。两相的形态和分布与热加工历史及热处理等工艺有直接关系，变化复杂，但是它还是有几种典型组织：等轴α+β组织，α相为基体，β分布在α相相边界处，均呈等轴或多边形，只有经过充分塑性变

形及再结晶退火才能获得这类组织；双态α+β组织，由白色等轴初生α相和多边层状的β和双态α+β组织构成，这类组织是合金在较高温度（但是低于相变点）加热冷却后形成的。在冷却过程中，自β内析出片状的次生α相，它与残留的β相共同组成β转变组织。如果加热温度超过相变点，即进入β单相区，则冷却后将形成完全的转变组织β。β型钛合金的特点：稳定性β钛合金的退火组织及稳定β钛合金的β区淬火组织；均为β单相组织。这种组织的晶粒尺寸一般比等轴α或α+β组织粗大。亚稳定β在时效处理后，β晶粒内析出大量弥散的次生α。弥散度取决于时效温度，温度越低，α越细。工业钛合金除α和β两个基本相以外，根据合金成分尚可能出现其他的析出相，如高温铝合金中的有序相 Ti3Al，含高β共析元素合金中的共析化合物 TiCr2,Ti6Si3 等，因其尺寸极小，在一般光学金相分析中难以观察到，需进行电子显微分析。

钛合金的性能主要取决于α和β两相的排列方式、体积分数以及各自的性能。与体心立方β相相比，六方α相具有更高的堆积密度和各向异性的晶格结构。与β相相比，α相具有更高的抗塑性变形能力、较低的塑性、力学和物理性能的各向异性更强、扩散速率至少低两个数量级、更高的抗蠕变性能。α合金一般为单相合金，具有中等强度，α+β两相和亚稳β合金可以分别强化到较高和非常高的强度水平。亚稳β合金的塑性低，强度高。由于密排六方晶体的原子扩散能力和晶体变形能力相对较低，因此α相具有优异的抗蠕变性能。但随着β相体积分数的增加，钛合金的抗蠕变变差。β相不连续分布的两相组织也具有高的抗蠕变性能。

钛与氧之间的亲和能力很强，大气中的钛合金表面易形成非常薄的致密氧化）,使钛合金具有优异的抗蚀性。钛合金的最高使用温度，主要不是受层（TiO

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强度限制，而是因为高温下钛合金的抗氧化能力相对较差。钛合金的另一个缺点是钛合金与周围环境中的H和O之间具有很高的反应活性，从而会导致合金脆化。所以钛合金的焊接和热成形过程中，必须在真空或惰性气体中进行。α相得变形能力极为有限，且容易产生加工硬化，这就意味着α和α+β合金只能在高温下成形。如果要实现超塑性成形，在连续的β相中需嵌有细小的等轴状组织。

由于钛合金优异的性能，所以它特别适合于飞机和航天器的材料设计需要。

航空工业是研制和应用钛合金最早的部门。二十世纪五十年代初，美国成功地在飞机上使用了钛，虽然当时每架飞机上只用了百分之一结构重量的钛，但开拓了钛在航空工业中应用的广阔道路。现在钛合金已在航空工业上得到广泛应用，小至螺钉、螺母等连接件，大至机身骨架、隔框等结构件，甚至六米长、重达两吨的起落主支撑梁。对于高速战斗机，由于高速和高机动性，要求飞机结构尽可能轻，同时还要耐高温能力，实践证明，钛合金是最适宜的材料。

在航空上的使用钛合金主要包括以下几个方面：

（1）降低重量在各种应用条件下，钛合金的高比强度远超过强度高而比重大的钢，以及重量虽轻但强度较低的铝合金。通过对钛合金、铝合金、镁合金、钢在不同温度下的比强度的比较，可以看出，用钛合金代替钢和铝合金而降低重量是相当可观的。第二代军用战斗机的结构重量系数（即飞机自重占起飞重量的百分比）从33%~34%降低到美国第四代战斗机的典型代表F—22的27%~28%。以F—22起飞重量25000Kg计算，需要降低自身重量1500Kg，通过设计改进最大可能减重约300Kg，大量采用复合材料实现减重约600Kg，需采用钛合金实现减重600Kg，占总减重的40%，可见大量采用钛合金在军机发展中所起到得作用。（2）使用温度钛合金的耐热性远高于铝合金，其工作温度范围较宽，在2002年时耐热钛合金的工作温度可达550~6000C，TiAl及Ti3Al合金的使用温度更高。同时钛合金在—2530C还能保持良好的塑性。

（3）空间限制由于高的比强度，钛合金可能易于替代那些空间受限的铝合金及钢结构件，如SU—27飞机起落架臂就采用钛合金。

（4）腐蚀抗力优良的抗蚀性是钛及钛合金另一个突出的优点，且在大多数情况下需要附加表面保护层，特别是在海水和海洋大气中抗蚀性高，这对舰载机、水上飞机以及沿海地服役的飞机都是十分有利的。

（5）与符合材料的相容性钛在与聚合材料基零件接触的部件具有广泛的用途。与铝合金相比，钛及钛合金与碳纤维的电势更为接近，且具有较为相近的热膨胀系数。

1.2金属的超塑性成形

金属超塑性在工程上的定义是：凡金属材料在特定的内在条件（指材料成分组织及相变能力等）和外在条件（指温度，加热方式、压力及应变速率等）下，