钛合金锻造技术解答

2008-09-09
钛合金的分类
2008-09-09
钛合金的分类
钛合金类型对性能的影响
性能 密度 强度 塑性 断裂韧性 蠕变强度
α、 α +β 、 β钛合金的性能差异
α
β
α+β
性能
α
β
+
+
-
腐蚀性能 ++
+
-
+
++ 氧化性能 ++
+/-
-/+
+
+/-
可焊性
+
+/-
+
-/+
+/- 冷成形性 --
-
钛合金锻造基础
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；60—70%以上可将粗针状组织细 化转变为球状组织
与热效应综合考虑
2008-09-09
钛合金锻造基础
清理
{
氧化皮的清除 α壳层的清除
喷砂
可清除0.13~0.76mm厚的锈皮，喷砂设备：装有磨料的 滚筒、喷丸或喷砂装置
钛合金锻造基础
圆盘锯切割 阳极切割
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
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
车床上切割
去 除 表
层5
厚 挤压棒材
度3
（
2 锻棒
）
钛合金砂车轮切 切割
车切速度mm/min 25000~30000
2008-09-09
4种基本类型
钛合金的典型组织
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
钛合金的典型组织
水
50～60
2干0～燥50
2～5 2～5
15%～
20%HNO3， 1%～7%HF，
其余为水
2008-09-09
缺陷
表面裂纹
表面缺陷 未充满
折叠和桔皮
内部缺陷 内部裂纹、空洞
粗大且不均匀的组织 过热 绝热剪切带 亮条
钛合金锻造基础
2008-09-09
钛合金的常用术语
初生α相 次生α相 晶界α相 转变β组织 β晶粒
2008-02-18
钛矿石
1
海绵钛
钛合金 铸锭
2
钛合金的生产流程
3
变形钛 合金
大棒材 小棒材 板材 管材 型材
半成品
叶片 盘件 蒙皮 ……
成品
铸造钛 合金
叶片 机匣 蒙皮 ……
2008-02-18
钛合金的生产流程
1 海绵钛的生产工艺
钛矿 （金红石） 氯化
四氯化钛(TiCl4 )
Kroll：镁还原 Hunter：钠还原
β同晶型
β 共析型
β稳定化型
Mo V Nb Ta
Fe Mn Cr Co Ni Cu Si H
2008-02-18
钛的合金化原理
完整的 Ti-Al合金相图
2008-09-09
钛的合金化原理
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
mm
钛合金锻造基础
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 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
2008-09-09
钛合金锻造基础
2008-09-09
钛元素与钛资源概述
钛元素的发现
英国William Gregor 发现钛元素的存在，将其命名为 “mechanite”
德国Martin Heinri ch Klaproth,成功地从矿石 （金红石）中分解出氧化钛，将其更名为“Titans”
卢森堡Wilhelm Justin Kroll（被称为钛 工业之父），用Ticl4和Na制取了大量的 钛（Kroll工艺）
Ni Cu 均存在共析反应，影响组织稳定和蠕变性能。
Si H 注意H的双重作用。
2008-09-09
钛的主要合金元素
钛的合金化原理
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。
Sn Mg：主要固溶强化α相，也可视为α 稳定元素。
成化合物，硬度高,危害大，也叫硬偏析、α偏
高硬表析度面。Al降或一偏低剖旦析，面发偏形现析成，区亮整为条炉等，报轴一废组般织单，件报α废相。增多。锻件
由于α稳定元素Al较多而形成的偏析。 200X 也形成亮条，硬度偏高。单件报废。
2008-09-09
3 铸锭开坯
钛合金的生产流程
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。
优异的耐蚀性能 使用温度范围大
Mg Al
50 200
Superalloys
CMC
低阻尼特性
Refractory Metals and Intermetallics
700
1200
1700
Temperature (ºC)
2008-09-09
钛合金相图
钛的合金化原理
中性型 Zr Hf Sn
α稳定化型
Al Ga Ge ON C
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。
不与毛坯和模具的表面发生化
1
136400 5234
784
-
185
学作用 容易涂到毛坯表面，并便于使
2
106795 0
50030
6507
-
1327
该工序机械化
3
437350 22690 3156
-
708
容易从锻件表面清除，能在较
4
长时间保持润滑性能
5
-
100000 10000 7400
4500
-
30
15
12
-
6
-
1000
80
50
-
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
2008-09-09
钛合金锻造基础
锻造设备类型与应变速率的关系
锻 造 设 备
液压 慢速液压
10-2~ 1
锻锤 机械压力 （快速）
10~ 200
1~ 30
10-4~ 10-2
平均应变速率/s-1
2008-09-09
进刀量mm/周 0.2~0.3
扒皮去α层
15000~20000
无α层 适片Ra=于 寿0.6切 命3~割 较2.5直 短径小于60mm的棒材，0切.08割~0效.1 率高，但砂
50
棒材直径（mm）
Ra=1.25~5 Ra=2.5~10
0.1~0.2 0.3~0.4
注：Ra：表面粗糙度。车削加工时必须使用润滑冷却液，供给12~010.58m-0P9a-压09力
Ce La：稀土元素，提高高温拉伸和热稳定性。
研究热点
2008-09-09
4种基本类型
钛合金的典型组织
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
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。
O N C: 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
钛的主要合金元素
钛的合金化原理
杜邦公司首先开始商业化生产金 属钛
2008-09-09
钛元素与钛资源概述
钛元素在周期表中的位置
22号 IV B 族
2008-09-09
钛元素与钛资源概述
钛元素在自然界中的赋存状态
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
2008-09-09
钛资源的分布
钛元素与钛资源概述
+
+/-
-
α+β +/-
-/+
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。
2008-09-09
钛合金锻造基础
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
2008-09-09
自由锻、挤压、平锻、快锻、精锻
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
常用开坯设备
钛合金的生产流程
2008-09-09
钛的基本特征
钛元素的基本特征
(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。
润滑
玻璃粉编
氧化物含量
号
SiO2
Al2O2
B2O2
Na2O
CaO
1
57~61
-
17~18 18~20 4~5
MgO -
模锻钛合金用润滑剂的基本要求 2
61
3
1
15
6
-
3
40
5
35
5
5
-
在整个变形过程中能够形成牢
4
55
14
13
2
16
-
固而连续的保护膜
涂润5 滑剂34的方1.7法 35
17
7.5
4.8
同 素 异 构 转 变
2008-09-09
钛的基本特征
Specific Strength (MPa/(Mg/m3))
钛合金的基本特征
250
高的比强度
200
（对飞机及航空发动机尤其重要）
150 Titanium Alloys
100
TiAl Alloys
Single Crystal Superalloys
海绵钛
●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。
2008-02-18
钛合金的生产流程
2 钛锭的熔炼及缺陷
惰 性 气 体 保 护 下 的 电 渣 重 熔 炉
VAR
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
技术培训
钛与钛合金锻造技术
2008-09-09
《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
钛合金的不同锻造工艺
钛合金锻造基础
T＞T相变，β锻，网篮\魏氏组织
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－30～50℃，两相锻（常规锻造），等轴 组织
200Biblioteka Baidu-09-09
酸洗 清除α壳层
表 溶液成分及有关参数
熔盐除锈 溶清液号除氧化皮溶，液并类型随之酸洗溶去液成除分α壳层 操作温度/℃
时间/min
熔盐除锈 1号溶液
清洗
中和酸洗 122号溶液
3
60%～
90%N2OH，其
余N2NO3和
除锈 中和
清洗15%NHa5N2%CO3O～3溶号3酸于溶洗液
425～清510洗
室温
酸洗
将坯料浸入悬浮液内浸涂 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
6
54
5
8.5
27.5
5
-
用刷子刷到坯料表面 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
玻璃No.
玻璃润滑剂在下述温度下的黏度 800℃ 900℃ 1000℃ 1050℃ 1100℃
用喷雾器喷到坯料表面 过程中减少能量损失
ESR
2008-09-09
钛合金的生产流程
2 钛锭的熔炼及缺陷
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。
钛合金TC4中的高间隙缺陷 正常区 Hv300 缺陷区 Hv493
β斑点 高β稳定元素偏析，因局部β稳定
元素偏高而形成β斑点。
间隙元素偏析
低指A氧l、、氮V、偏碳析等间也隙元叫素软的偏富集析区，严重时形
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。
V Mo：β同晶元素，靠近Ti，晶格类型与β-Ti相同。 Nb Ta 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
Fe Mn： β共析元素，强化效果明显。
Cr Co 在α和β相中均有限溶解，在β中溶解度更大
2008-09-09
钛合金的常用术语
原始β晶粒
α集束
2008-09-09
钛合金的常用术语
其他术语参见GB8755-1988
谢谢！
2008-09-09