钛合金

各位老师，大家上午好。我今天试讲的内容为“铸造钛合金及其成形工艺”，分四个部分进行讲述。

一、铸造钛合金的分类

二、钛合金的特性

三、钛合金的铸造性能

四、钛合金的成形方法

一、铸造钛合金的分类

钛是同素异构体，熔点1720℃，882℃为同素异构转变温度。α-Ti是低温稳定结构，呈密排六方晶格；β-Ti是高温稳定结构，呈体心立方晶格。不同类型的钛合金，就是在这两种不同结构中添加不同种类、不同数量的合金元素，使其改变相变温度和相分含量而得到的。室温下钛合金有三种基体组织（α、β、α+β），故钛合金也相应分为三类。

1.α钛合金

它是α相固溶体组成的单相合金。耐热性高于纯钛，组织稳定，抗氧化能力强，500~600℃下仍保持其强度，抗蠕变能力强，但不能进行热处理强化。牌号有TA7、TA8等。

2.β钛合金

它是β相固溶体组成的单相合金。不经热处理就有较高的强度，淬火时效后合金得到了进一步强化，室温强度可达1373~1668MPa，但热稳定性较差，不宜在高温下使用。牌号有TB1、TB2等。

3.α+β钛合金

它由α及β相组成，α相为主，β相少于30%。此合金组织稳定，高温变形性能好，韧性和塑性好，能通过淬火与时效使合金强化，热处理后强度何必退火状态提高50%~100%，高温强度高，可在400~500℃下长期工作，热稳定性稍逊于α钛合金。牌号有TC1、TC4、TC6等。

二、钛合金的特性

钛及钛合金是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料，具有许多优良特性，主要体现在如下几个方面：

1. 比强度高。钛合金的密度仅为钢的60%左右，约4.5g/cm3，但强度却高于钢，如抗拉强度为686—1176MPa，是现代工程金属材料中最高的。

几种金属材料在不同温度下的比强度，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。资料介绍，自20世纪60年代中期起，美国将81%的钛合金用于航空工业，其中40%用于发动机构件，36%用于飞机骨架，甚至的蒙皮、紧固件及起落架等也使用钛合金，大大提高了飞机的飞行性能。

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构件，如苏-27飞机起落架臂就采用钛合金。

2. 热强性好

往钛合金中加入合金强化元素后，大大提高了钛合金的热稳定性和高温强度，如在300~350℃下，其强度为铝合金强度的3~4倍。

3. 高温和低温性能优良。

在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽，目前新型耐热钛合金的工作温度可达550—600℃；在低温下，钛合金的强度反而比在常温时增加，且具有良好的韧性，低温钛合金在－253℃时还能保持良好的韧性。

4.钛的抗腐蚀性强。钛在550℃以下的空气中，表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜，

故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中，其耐蚀性优于大多数不锈钢。

5.与复合材料的相容性好。人们发现钛在与聚合物复合材料基零件接触的部位具有广泛的用途。与铝合金相比，钛及其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。

近年来，世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展，在航空航天领域、舰艇及兵器等军品制造中的应用日益广泛，在汽车、化学和能源等行业也有着巨大的应用潜力。

钛合金在航空发动机上已取代铝合金、镁合金及钢构件。目前先进发动机压气机盘、压气机叶片和风扇叶片以及机匣等均由钛合金制造，即实现压气机全钛化方案。如阿波罗飞船，其用钛量高达1180kg。

钛合金在先进飞机上也获得大量应用，如苏-27飞机上各种钛合金零件的重量约占飞机结构重量的15%；美国第三代战斗机F-14和F-15上钛合金零件的总重量占飞机结构重量的比例分别为24%和27%，而美国第四代战斗机F-22上的钛合金用量已达41%。

三、钛合金的铸造性能

1. 化学活性大

钛和钛合金的化学活性大，能与空气中的氧、氮、氢、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、氨气等产生强烈化学反应，且易与铸造中常用的耐火材料发生化学反应，生成硬化层或脆性层，使得脆性加大，塑性下降。

2. 流动性和充填性能差

钛合金的熔点高，难以获得高的过热度，需要在外力的辅助作用下才能成形。浇注前对铸型预热，也可以提高钛合金熔体的流动性

3. 导热性能差、弹性模量小

钛合金的导热系数仅为钢的1/7、铝的1/4；弹性模量为钢的1/2，刚性差、变形大，不宜制作细长杆和薄壁件。

铸造钛合金成形这么困难，为什么还要发展铸造钛合金呢？主要有以下一个方面的原因：1. 可以直接成形各种复杂形状和尺寸的近净尺寸或者净尺寸的结构件，提高材料的利用率，减少机加工量，缩短生产周期。

2. 相对于当结构件采用铸造方法成形时，其设计有很大的灵活性。

3. 随着铸造工艺的提高和热等静压技术在钛合金铸件方面的成功应用，较好的解决了铸件的质量问题，提高了铸件的可靠性。

四、钛合金的铸造工艺

一）熔炼工艺：

我国的钛铸造90% 以上熔炼与铸造设备都采用真空自耗电极电弧凝壳炉加离心铸造。坩埚采用水冷铜坩埚，钛液的最大浇注量为500 kg。

自耗电极电弧熔炼法是以钛或钛合金制成的自耗电极为阴极，以水冷铜坩埚为阳极；大电流熔炼，钛电极的熔化速度远远大于钛的凝结速度，熔化了的电极以液滴形式进入坩埚，形成熔池；熔池表面被电弧加热，始终呈液态，底部和坩埚接触的四周受到循环水强制冷却，产生自下而上的结晶。这种方法具有结构简单、维持费用低、大型化容易等优点，缺点是浇注温度难以调节和控制，一停弧后，金属液必须在3~5秒内全部从坩埚倒出，否则温度急剧下降，金属液过热度不高，使得液体流动性和补缩能力较差。自耗电极电弧熔炼对电极的质量要求很高，要求电极内部组织致密。熔炼过程中危险性较大，稍微操作不慎将会出现电弧损坏坩埚，造成坩埚外壁强制冷却的循环水进入坩埚，污染钛液，水蒸气损坏真空泵系统。二）铸件造型工艺：