钛与钛合金锻造加工技术详解-精
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钛与钛合金锻造加工技术
《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
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
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
……
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
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。
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。
Ce La：稀土元素，提高高温拉伸和热稳定性。
研究热点
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。
O N C: 间隙元素，强度提高，塑性下降。脆性威胁，
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。
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
严格控制含量。
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。
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。
杜邦公司首先开始商业化生产金 属钛
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
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
钛资源的分布
钛元素与钛资源概述
钛矿石
1
海绵钛
钛合金 铸锭
2
钛合金的生产流程
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。
同 素 异 构 转 变
钛的基本特征
Specific Strength (MPa/(Mg/m3))
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
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。
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
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
700
1200
1700
Temperature (ºC)
钛合金相图
钛的合金化原理
中性型 Zr Hf Sn
α稳定化型
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱAl 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
钛的合金化原理
完整的 Ti-Al合金相图
钛的合金化原理
钛的主要合金元素
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
ESR
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。
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。
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。
常用开坯设备
钛合金的生产流程
钛的基本特征
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）
《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
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
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
……
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
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。
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。
Ce La：稀土元素，提高高温拉伸和热稳定性。
研究热点
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。
O N C: 间隙元素，强度提高，塑性下降。脆性威胁，
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。
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
严格控制含量。
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。
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。
杜邦公司首先开始商业化生产金 属钛
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
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
钛资源的分布
钛元素与钛资源概述
钛矿石
1
海绵钛
钛合金 铸锭
2
钛合金的生产流程
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。
同 素 异 构 转 变
钛的基本特征
Specific Strength (MPa/(Mg/m3))
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
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。
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
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
700
1200
1700
Temperature (ºC)
钛合金相图
钛的合金化原理
中性型 Zr Hf Sn
α稳定化型
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱAl 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
钛的合金化原理
完整的 Ti-Al合金相图
钛的合金化原理
钛的主要合金元素
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
ESR
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。
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。
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。
常用开坯设备
钛合金的生产流程
钛的基本特征
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）