钛合金锻造技术

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
钛合金的典型组织
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。
.
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
蠕变强度
+
+/-
-
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
➢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
-
100000 10000 7400
4500
长时间保持润滑性能
5
-
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
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。
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。
钛元素与钛资源概述
.
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 )
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
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。
.
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。
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
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5
层 挤压棒材
厚3 度 2 锻棒
（
钛合金砂车轮切 切割
车切速度mm/min 25000~30000
1.7
35
17
7.5
4.8
将坯料浸入悬浮液内浸涂 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
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
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。
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
.
2008-09-09
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
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）
Kroll：镁还原 Hunter：钠还原
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）
.
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
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。
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
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
-
涂润滑剂的方法 固而连续的保护膜
5
➢在加热和变形过车工中能够保
34
(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。
同 素 异 构 转 变
.
2008-09-09
钛的基本特征
Specific Strength (MPa/(Mg/m3))
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
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
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
进刀量mm/周 0.2~0.3
扒皮去α层
15000~20000
无α层
适于切割直径小于60mm的棒材，切割效率高，但砂
片Ra=寿0.6命3~较2.5短
0.08~0.1
mm
）
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
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
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
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。
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
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
α、 α +β、 β钛合金的性能差异
性能
α
β
α+β
性能
α
β
α+β
密度
+
+
-
腐蚀性能 ++
+
+/-
强度
-
+
++ 氧化性能 ++
+/-
-
塑性
-/+
+
+/-
可焊性
+
+/-
-
断裂韧性
+
-/+
+/- 冷成形性
--
-
-/+
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
冷壁铜坩埚熔炼技术 冷炉床熔炼技术
ESR
.
2008-09-09
钛合金的生产流程
2 钛Fra Baidu bibliotek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。
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