钛合金在等温锻造时的氧化行为
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１ 钛合金氧化膜的形成
钛是一种化学性质极其活泼的元素，它在 ５００℃以下易与空气中的氧发生反应生成致密且 牢固地附着在金属表面的氧化膜，阻止氧继续向 内部扩散，保护钛合金不被进一步氧化，使钛合金 具有良好的抗氧化能力；但随着温度的升高，氧化 速度和氧化增重显著增加。试验表明：钛合金经过 氧化后，在表面生成的氧化膜的结构、形态、成分 和特性对钛合金的应力应变特性、抗氧化能力等 方面有一定的影响。钛与氧发生氧化后生成的产 物有 ＴｉＯ２、Ｔｉ２Ｏ３、ＴｉＯ、Ｔｉ３Ｏ２、Ｔｉ３Ｏ５ 等，其中各氧化 物的生成及其在氧化层的量与氧化温度、环境气 氛、钛合金的成分等有关；在 ９５０℃以下，氧化层 的主要成分是 ＴｉＯ２，ＴｉＯ２ 在自然界中存在三种同 素异构形态，即锐态型、板态型和金红石型，其中 金红石型的 ＴｉＯ２ 是最稳定的一种，板态型的 ＴｉＯ２ 仅在低温时稳定，锐态型的 ＴｉＯ２ 在 ６１０℃开始转 变成金红石型的 ＴｉＯ２，至 ９１５℃时全部转变为金 红石型的 ＴｉＯ２。如 ＴｉＡｌ 合金高温氧化通常生成多
５０ "ｍ 图 １ 试样表面涂层－ 氧化层－ 基体［３］ Ｆｉｇ．１ Ｃｏａｔ－ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ ｌａｙｅｒ－ｍａｔｒｉｘ ｏｆ ｓａｍｐｌ ｓｕｒｆａｃｅ
应力方向 ２０ !ｍ
图 ２ 在 ９００℃热暴露时拉伸试样剖面中初始裂纹形貌［４］ Ｆｉｇ．２ Ｃｒａｃｋ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｅｃｔｉｏｎ ｐｌａｎｅ ｉｎ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓａｍｐｌｅ
热的钛合金，使之与空气隔绝，通常采用真空方法 或惰性气体（氩、氦）保护方法。 ４．２ 表面涂覆处理
钛合金在等温锻造前表面涂覆 Ａｌ 层，形成致 密的 Ａｌ２Ｏ３ 薄膜，可抑制氧原子向基体扩散，从而 改善钛合金的表面氧化，提高其高温伸长率。
钛合金在等温锻造时，一般避免模具和锻件 直接接触，在其间要加入适量的润滑剂，如玻璃、 氮化硼（简称 ＢＮ）、硼酸等，以减少相互磨损，增 加材料的可锻性。这些润滑剂不仅在高温下能在 模具表面形成一层均匀的薄膜，降低摩擦系数，而 且还可以保护钛合金防止氧化。如 ＴＣ４ 等温锻 造条件下（９３０ ℃）使用 ＢＲ１＋ＢＮ 润滑剂。由于润 滑剂在钛合金剧烈氧化前熔化，在坯料表面上形 成一层连续的保护膜，因此，钛合金坯料加热时氧 化及吸收气体减少。研究表明，如采用适当的玻璃 润滑剂，钛合金坯料加热后，α脆化层的厚度只有 ０．１ ｍｍ；而在不采用玻璃润滑剂的情况下，α脆化
在等温锻造过程中，模具和钛合金接触表面 所形成的氧化层决定摩擦和传热，氧化层可能发 生的塑性变形或断裂行为都会对模具和钛合金的 接触面及产品的最终表面产生巨大的影响。定性 描述钛合金在等温锻造成形中氧化层断裂特性的 一种方法是钛合金高温拉伸试验。钢铁研究院张 建民等人曾对 ＴｉＡｌ 合金进行高温拉伸试验，即在 ＲＳ－２ 型高温拉伸试验机上以０．５ ｍｍ／ｍｉｎ 的速度 对 ＴｉＡｌ 合金试样进行拉伸，直至断裂，试验温度 分别为 ９００、１ ０００、１ １００ 和 １ ２００ ℃，环境为空气。 结果表明：氧原子与钛原子结合生成易于形成孔 洞的 ＴｉＯ２ （图 １），孔洞的形成、长大和连接是其 断 裂 的 主 要 机 制 ［３］。 北 京 大 学 崔 丽 等 人 对 Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ 钛合金进行高温拉伸试验，Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ 合金在热暴露下，塑性明显下降。其中在 ８００ 和 ８５０ ℃暴露后，塑性略有下降；而在 ９００ ℃暴露后， 钛合金在超塑性拉伸过程中其表面形成的氧化层 在拉伸应力作用下，导致了裂纹的产生与扩展（图 ２），从而降低该合金的超塑性。因此，高温氧化对 钛合金的超塑性产生了显著影响［４］。
ａｔ ９００℃
３ 影响钛合金高温氧化的因素
影响钛合金高温氧化的因素主要是氧、加热 温度、加热时间、钛合金的化学成分及其显微组织 等。温度越高，时间越长，氧化程度越严重。钛合金 化学成分对氧化层成长动力学、结构和断裂机理 有很大影响，与氧有高的亲和力的化学元素，能够 促进形成更能抵抗外加力的氧化层，从而提高钛 合金的高温塑性，如硅能部分抑制氧化层增长或 通过抑制表面裂缝的合拢来影响氧化层增厚，提 高 ＴｉＡｌ 合金的抗氧化能力。陈伶晖等人对 ＴｉＡｌ 合金显微组织对高温氧化性的影响进行研究，结 果表明：ＴｉＡｌ 合金的显微组织类型显著影响高温
关键词：钛合金；氧化行为；等温锻造
中图分类号：ＴＧ１４６．２＋３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１－３８１４（２００８）０７－００９６－０３
Ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ａｌｌｏｙ ｉｎ Ｉｓｏｔｈｅｒ ｍａｌ Ｆｏｒ ｇｉｎｇ
ＳＨＥＮ Ｆｅｎｇ， ＬＩ Ｙａｎ
（Ｄｅｐｔ． ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ＇ａｎ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｘｉ＇ａｎ ７１００８９，Ｃｈｉｎａ ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｔｈｅ ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｉｎ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｆｏｒｇｉｎｇ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｏｘｉｄａｔｉｖｅ ｃｌｅａｖａｇｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ， ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｘｉｄｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅ ｏｆ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ｆｒｏｍ ｏｘｉｄｉｚａｔｉｏｎ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｆｏｒｇｉｎｇ ｆｏｒ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ； ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ； ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｆｏｒｇｉｎｇ
收稿日期：２００７－１０－２５ 作者简介：谌峰（１９６７－），男，湖北武汉人，讲师，在读硕士，从事机
械工程材料成形教学及研究； 电话：１３７０９１８１２７９；Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｙ９１１０１４＠１６３．ｃｏｍ
等温锻造时氧化行为，建立氧化层断裂模式，阐述 钛合金高温氧化的影响因素，通过采取相应措施 防止钛合金氧化，以提高钛合金超塑性变形的性 能，确保钛合金等温锻造质量，以减少后序加工 量，降低加工成本。
金属铸锻焊技术 Ｃａｓｔｉｎｇ·Ｆｏｒｇｉｎｇ·Ｗｅｌｄｉｎｇ
２００８ 年 ４ 月
钛合金在等温锻造时的氧化行为
谌 峰，李 艳
（西安航空职业技术学院 机械工程系，陕西 西安 ７１００８９ ）
摘 要：主要分析钛合金等温锻造时的氧化行为，建立氧化层断裂模式，阐述钛合金高温氧化的影响因素；通
过采取相应措施防止氧化，以提高钛合金超塑性变形的性能，确保钛合金等温锻造质量。
钛合金由于具有比强度高、耐热、耐腐蚀等优 良性能，是当代飞机和发动机的主要结构材料之 一，如用于发动机的压气机部件：压气机盘，叶片， 导向器，隔圈，进气机匝等零件。但因钛合金切削 加工性能差， 特别是制成像压气机盘那样形状复 杂的零件时，传统的机械加工方法已难以胜任， 必 须应用现代特种制造加工技术加工。等温锻造是 近年来发展的一种高效、可靠的新工艺。所谓等 温锻造是指自始至终模具与工件保持相同的温 度，以低应变速率进行变形的一种锻造方法［１］。通 常将钛合金放在 ＩＮ１００ 等 Ｎｉ 基耐热合金模具中 进行锻造。锻造时，模具用高频感应加热线圈包围 进行加热， 目的是使模具与坯料在成形中始终保 持相同的温度， 从而保证金属能在超塑性温度及 变形速率下变形， 以得到更接近成品尺寸的工件， 提高成形性， 并降低成本。但钛合金在高温暴露 时，钛的活性很大，表面氧化不可避免，从而导致 钛合金拉伸塑性和疲劳强度降低。目前，有关钛 合金表面氧化膜起保护作用的研究有一定的报 道，而在高温条件下，有关钛合金氧化膜产生和破 坏的研究报道却相对较少。本文主要分析钛合金
参考文献：
［１］ 曲银化，孙建科，孟祥军． 钛合金等温锻造技术研究进展 ［Ｊ］． Ｔｉ 钛工业发展，２００６，（２）：６－９．
［２］ 陈伶晖，贺跃辉，曹鹏，等． ＴｉＡｌ 基合金显微组织对高温 氧化性的影响［Ｊ］． 热加工工艺，１９９５，（６）：７－９．
［３］ 张建民，李世琼，周敦叙，等． 表面涂层对等温锻造 ＴｉＡｌ 合 金 超 塑 性 的 影 响 ［Ｊ］． 材 料 研 究 学 报 ，１９９７，（１０）： ５０３－５０６．
［８］ 杨家林，郭鹏．钛合金材料激光焊接试验研究［Ｊ］．热加工技术， ２００３，（６）：２９－３１．
９６
Ｈｏｔ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２００８， Ｖｏｌ．３７， Ｎｏ．７
上半月出版
Ｃａｓｔｉｎｇ·Ｆｏｒｇｉｎｇ·Ｗｅｌｄｉｎｇ 金属铸锻焊技术
层膜，外层为金红石型的 ＴｉＯ２，内层为金红石型的 ＴｉＯ２ 和 Ａｌ２Ｏ３，内外氧化层中间有一层富 Ａｌ２Ｏ３ 的 中间层［２］。
２ 高温拉伸试验中氧化层断裂模式
层的厚度可达 ０．３～０．５ ｍｍ。
５ 结语
（１）钛合金等温锻造时表面易与空气中的氧 发生氧化反应，形成脆性氧化膜，影响钛合金等温 锻造质量。
（２）钛合金可能有 ２ 种氧化层断裂模式，分 别为氧化层脆性断裂模式和氧化层与金属界面滑 移断裂模式。
（３）钛合金在等温锻造时，应采用真空方法或 惰性气体（氩、氦）保护方法并在钛合金表面涂润 滑剂或等温锻造前在钛合金工件表面涂覆 Ａｌ 层， 以降低钛合金表面氧化程度。
《热加工工艺》２００８ 年第 ３７ 卷第 ７ 期
９７
金属铸锻焊技术 Ｃａｓｔｉｎｇ·Ｆｏｒｇｉｎｇ·Ｗｅｌｄｉｎｇ
２００８ 年 ４ 月
Baidu Nhomakorabea
氧化层结构、组成和致密性，全层片状组织和近 γ 相组织的抗氧化层剥落性最佳［２］。
４ 等温锻造过程中防止氧化的措施
４．１ 真空及惰性气体保护 钛合金在等温锻造时，要特别注意保护被加
钛合金氧化层的断裂是使钛合金的塑性明显 降低的因素。其氧化层通常由不同晶粒度的几层 组成，这种多层氧化层最接近金属表面的氧化层 界面通常由小等轴晶粒组成，外层氧化层由大晶 粒组成且界面是氧化层内潜在的分离位置。在 ５００ ℃以下形成的钛合金氧化层致密且紧紧地附 着在金属表面。随着温度升高，钛合金表面生成的 氧化膜开始溶解，氧向钛基体内部的晶格扩散。温 度超过 ７００ ℃时氧向金属内部扩散加速，氧化速 率加快，温度继续升高，氧化膜完全失去保护作用 而呈现脆性。
钛合金等温锻造温度一般在 ９５０ ℃左右，如 ＴｉＡｌ 合金等温 锻造时其表 面氧化层 是 ＴｉＯ２ 与 Ａｌ２Ｏ３ 的混合物，Ａｌ２Ｏ３ 中的钛原子的扩散能力很 强，表面将形成任意取向的晶体层，将导致晶界上 产生大量孔洞，孔洞在变形过程中长大，连接成裂 纹并断裂，使钛合金塑性降低。
基于以上分析，钛合金可能有 ２ 种氧化层断 裂模式，分别是氧化层断裂模式 １（氧化层脆性断 裂模式）：假定金属和氧化物有强的相互作用力， 但氧化物较脆弱且氧化层内含有孔洞，断裂沿着 导致剥落的氧化物 ／ 金属界面的开裂，通过连续氧 化层的破裂开始，连续厚度的氧化层开裂形成大 致相同的开裂间距。氧化层断裂模式 ２（氧化层与 金属界面滑移断裂模式）：沿氧化层 ／ 金属界面上 发生滑移，当任一拉伸形变的拉力超过氧化层 ／ 金 属界面上没断裂的各种塑性变形所需的力或能量 释放率超过它的临界水平时，导致沿界面上的断 裂，最终导致整个氧化层从金属表面分离。
［４］ 崔丽，粟桌新，魏琪． 高温氧化对钛合金超塑性能的影响 ［Ｊ］． Ｔｉ 钛工业发展，２００６，（４）：２２－２４．
（上接第 ９５ 页）
［７］ Ｔｏｒｓｔｅｒ Ｆ， ｄｏｓＳａｎｔｏｓ Ｊ Ｆ． Ｆｒａｃｈｕｒｅ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｗｅｌｄｅｄ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ ［Ａ］．Ｅｕｒｏｐｅａｎ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｍａ－ ｔｅｒｉａｌｓ［Ｃ．］１９９８：３３９－３４４．
钛是一种化学性质极其活泼的元素，它在 ５００℃以下易与空气中的氧发生反应生成致密且 牢固地附着在金属表面的氧化膜，阻止氧继续向 内部扩散，保护钛合金不被进一步氧化，使钛合金 具有良好的抗氧化能力；但随着温度的升高，氧化 速度和氧化增重显著增加。试验表明：钛合金经过 氧化后，在表面生成的氧化膜的结构、形态、成分 和特性对钛合金的应力应变特性、抗氧化能力等 方面有一定的影响。钛与氧发生氧化后生成的产 物有 ＴｉＯ２、Ｔｉ２Ｏ３、ＴｉＯ、Ｔｉ３Ｏ２、Ｔｉ３Ｏ５ 等，其中各氧化 物的生成及其在氧化层的量与氧化温度、环境气 氛、钛合金的成分等有关；在 ９５０℃以下，氧化层 的主要成分是 ＴｉＯ２，ＴｉＯ２ 在自然界中存在三种同 素异构形态，即锐态型、板态型和金红石型，其中 金红石型的 ＴｉＯ２ 是最稳定的一种，板态型的 ＴｉＯ２ 仅在低温时稳定，锐态型的 ＴｉＯ２ 在 ６１０℃开始转 变成金红石型的 ＴｉＯ２，至 ９１５℃时全部转变为金 红石型的 ＴｉＯ２。如 ＴｉＡｌ 合金高温氧化通常生成多
５０ "ｍ 图 １ 试样表面涂层－ 氧化层－ 基体［３］ Ｆｉｇ．１ Ｃｏａｔ－ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ ｌａｙｅｒ－ｍａｔｒｉｘ ｏｆ ｓａｍｐｌ ｓｕｒｆａｃｅ
应力方向 ２０ !ｍ
图 ２ 在 ９００℃热暴露时拉伸试样剖面中初始裂纹形貌［４］ Ｆｉｇ．２ Ｃｒａｃｋ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｓｅｃｔｉｏｎ ｐｌａｎｅ ｉｎ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓａｍｐｌｅ
热的钛合金，使之与空气隔绝，通常采用真空方法 或惰性气体（氩、氦）保护方法。 ４．２ 表面涂覆处理
钛合金在等温锻造前表面涂覆 Ａｌ 层，形成致 密的 Ａｌ２Ｏ３ 薄膜，可抑制氧原子向基体扩散，从而 改善钛合金的表面氧化，提高其高温伸长率。
钛合金在等温锻造时，一般避免模具和锻件 直接接触，在其间要加入适量的润滑剂，如玻璃、 氮化硼（简称 ＢＮ）、硼酸等，以减少相互磨损，增 加材料的可锻性。这些润滑剂不仅在高温下能在 模具表面形成一层均匀的薄膜，降低摩擦系数，而 且还可以保护钛合金防止氧化。如 ＴＣ４ 等温锻 造条件下（９３０ ℃）使用 ＢＲ１＋ＢＮ 润滑剂。由于润 滑剂在钛合金剧烈氧化前熔化，在坯料表面上形 成一层连续的保护膜，因此，钛合金坯料加热时氧 化及吸收气体减少。研究表明，如采用适当的玻璃 润滑剂，钛合金坯料加热后，α脆化层的厚度只有 ０．１ ｍｍ；而在不采用玻璃润滑剂的情况下，α脆化
在等温锻造过程中，模具和钛合金接触表面 所形成的氧化层决定摩擦和传热，氧化层可能发 生的塑性变形或断裂行为都会对模具和钛合金的 接触面及产品的最终表面产生巨大的影响。定性 描述钛合金在等温锻造成形中氧化层断裂特性的 一种方法是钛合金高温拉伸试验。钢铁研究院张 建民等人曾对 ＴｉＡｌ 合金进行高温拉伸试验，即在 ＲＳ－２ 型高温拉伸试验机上以０．５ ｍｍ／ｍｉｎ 的速度 对 ＴｉＡｌ 合金试样进行拉伸，直至断裂，试验温度 分别为 ９００、１ ０００、１ １００ 和 １ ２００ ℃，环境为空气。 结果表明：氧原子与钛原子结合生成易于形成孔 洞的 ＴｉＯ２ （图 １），孔洞的形成、长大和连接是其 断 裂 的 主 要 机 制 ［３］。 北 京 大 学 崔 丽 等 人 对 Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ 钛合金进行高温拉伸试验，Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ 合金在热暴露下，塑性明显下降。其中在 ８００ 和 ８５０ ℃暴露后，塑性略有下降；而在 ９００ ℃暴露后， 钛合金在超塑性拉伸过程中其表面形成的氧化层 在拉伸应力作用下，导致了裂纹的产生与扩展（图 ２），从而降低该合金的超塑性。因此，高温氧化对 钛合金的超塑性产生了显著影响［４］。
ａｔ ９００℃
３ 影响钛合金高温氧化的因素
影响钛合金高温氧化的因素主要是氧、加热 温度、加热时间、钛合金的化学成分及其显微组织 等。温度越高，时间越长，氧化程度越严重。钛合金 化学成分对氧化层成长动力学、结构和断裂机理 有很大影响，与氧有高的亲和力的化学元素，能够 促进形成更能抵抗外加力的氧化层，从而提高钛 合金的高温塑性，如硅能部分抑制氧化层增长或 通过抑制表面裂缝的合拢来影响氧化层增厚，提 高 ＴｉＡｌ 合金的抗氧化能力。陈伶晖等人对 ＴｉＡｌ 合金显微组织对高温氧化性的影响进行研究，结 果表明：ＴｉＡｌ 合金的显微组织类型显著影响高温
关键词：钛合金；氧化行为；等温锻造
中图分类号：ＴＧ１４６．２＋３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１－３８１４（２００８）０７－００９６－０３
Ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ａｌｌｏｙ ｉｎ Ｉｓｏｔｈｅｒ ｍａｌ Ｆｏｒ ｇｉｎｇ
ＳＨＥＮ Ｆｅｎｇ， ＬＩ Ｙａｎ
（Ｄｅｐｔ． ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ＇ａｎ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｘｉ＇ａｎ ７１００８９，Ｃｈｉｎａ ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｔｈｅ ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｉｎ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｆｏｒｇｉｎｇ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｏｘｉｄａｔｉｖｅ ｃｌｅａｖａｇｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ， ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｘｉｄｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅ ｏｆ ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ ｆｒｏｍ ｏｘｉｄｉｚａｔｉｏｎ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｆｏｒｇｉｎｇ ｆｏｒ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ； ｏｘｉｄｉｚｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ； ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｆｏｒｇｉｎｇ
收稿日期：２００７－１０－２５ 作者简介：谌峰（１９６７－），男，湖北武汉人，讲师，在读硕士，从事机
械工程材料成形教学及研究； 电话：１３７０９１８１２７９；Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｙ９１１０１４＠１６３．ｃｏｍ
等温锻造时氧化行为，建立氧化层断裂模式，阐述 钛合金高温氧化的影响因素，通过采取相应措施 防止钛合金氧化，以提高钛合金超塑性变形的性 能，确保钛合金等温锻造质量，以减少后序加工 量，降低加工成本。
金属铸锻焊技术 Ｃａｓｔｉｎｇ·Ｆｏｒｇｉｎｇ·Ｗｅｌｄｉｎｇ
２００８ 年 ４ 月
钛合金在等温锻造时的氧化行为
谌 峰，李 艳
（西安航空职业技术学院 机械工程系，陕西 西安 ７１００８９ ）
摘 要：主要分析钛合金等温锻造时的氧化行为，建立氧化层断裂模式，阐述钛合金高温氧化的影响因素；通
过采取相应措施防止氧化，以提高钛合金超塑性变形的性能，确保钛合金等温锻造质量。
钛合金由于具有比强度高、耐热、耐腐蚀等优 良性能，是当代飞机和发动机的主要结构材料之 一，如用于发动机的压气机部件：压气机盘，叶片， 导向器，隔圈，进气机匝等零件。但因钛合金切削 加工性能差， 特别是制成像压气机盘那样形状复 杂的零件时，传统的机械加工方法已难以胜任， 必 须应用现代特种制造加工技术加工。等温锻造是 近年来发展的一种高效、可靠的新工艺。所谓等 温锻造是指自始至终模具与工件保持相同的温 度，以低应变速率进行变形的一种锻造方法［１］。通 常将钛合金放在 ＩＮ１００ 等 Ｎｉ 基耐热合金模具中 进行锻造。锻造时，模具用高频感应加热线圈包围 进行加热， 目的是使模具与坯料在成形中始终保 持相同的温度， 从而保证金属能在超塑性温度及 变形速率下变形， 以得到更接近成品尺寸的工件， 提高成形性， 并降低成本。但钛合金在高温暴露 时，钛的活性很大，表面氧化不可避免，从而导致 钛合金拉伸塑性和疲劳强度降低。目前，有关钛 合金表面氧化膜起保护作用的研究有一定的报 道，而在高温条件下，有关钛合金氧化膜产生和破 坏的研究报道却相对较少。本文主要分析钛合金
参考文献：
［１］ 曲银化，孙建科，孟祥军． 钛合金等温锻造技术研究进展 ［Ｊ］． Ｔｉ 钛工业发展，２００６，（２）：６－９．
［２］ 陈伶晖，贺跃辉，曹鹏，等． ＴｉＡｌ 基合金显微组织对高温 氧化性的影响［Ｊ］． 热加工工艺，１９９５，（６）：７－９．
［３］ 张建民，李世琼，周敦叙，等． 表面涂层对等温锻造 ＴｉＡｌ 合 金 超 塑 性 的 影 响 ［Ｊ］． 材 料 研 究 学 报 ，１９９７，（１０）： ５０３－５０６．
［８］ 杨家林，郭鹏．钛合金材料激光焊接试验研究［Ｊ］．热加工技术， ２００３，（６）：２９－３１．
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Ｈｏｔ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２００８， Ｖｏｌ．３７， Ｎｏ．７
上半月出版
Ｃａｓｔｉｎｇ·Ｆｏｒｇｉｎｇ·Ｗｅｌｄｉｎｇ 金属铸锻焊技术
层膜，外层为金红石型的 ＴｉＯ２，内层为金红石型的 ＴｉＯ２ 和 Ａｌ２Ｏ３，内外氧化层中间有一层富 Ａｌ２Ｏ３ 的 中间层［２］。
２ 高温拉伸试验中氧化层断裂模式
层的厚度可达 ０．３～０．５ ｍｍ。
５ 结语
（１）钛合金等温锻造时表面易与空气中的氧 发生氧化反应，形成脆性氧化膜，影响钛合金等温 锻造质量。
（２）钛合金可能有 ２ 种氧化层断裂模式，分 别为氧化层脆性断裂模式和氧化层与金属界面滑 移断裂模式。
（３）钛合金在等温锻造时，应采用真空方法或 惰性气体（氩、氦）保护方法并在钛合金表面涂润 滑剂或等温锻造前在钛合金工件表面涂覆 Ａｌ 层， 以降低钛合金表面氧化程度。
《热加工工艺》２００８ 年第 ３７ 卷第 ７ 期
９７
金属铸锻焊技术 Ｃａｓｔｉｎｇ·Ｆｏｒｇｉｎｇ·Ｗｅｌｄｉｎｇ
２００８ 年 ４ 月
Baidu Nhomakorabea
氧化层结构、组成和致密性，全层片状组织和近 γ 相组织的抗氧化层剥落性最佳［２］。
４ 等温锻造过程中防止氧化的措施
４．１ 真空及惰性气体保护 钛合金在等温锻造时，要特别注意保护被加
钛合金氧化层的断裂是使钛合金的塑性明显 降低的因素。其氧化层通常由不同晶粒度的几层 组成，这种多层氧化层最接近金属表面的氧化层 界面通常由小等轴晶粒组成，外层氧化层由大晶 粒组成且界面是氧化层内潜在的分离位置。在 ５００ ℃以下形成的钛合金氧化层致密且紧紧地附 着在金属表面。随着温度升高，钛合金表面生成的 氧化膜开始溶解，氧向钛基体内部的晶格扩散。温 度超过 ７００ ℃时氧向金属内部扩散加速，氧化速 率加快，温度继续升高，氧化膜完全失去保护作用 而呈现脆性。
钛合金等温锻造温度一般在 ９５０ ℃左右，如 ＴｉＡｌ 合金等温 锻造时其表 面氧化层 是 ＴｉＯ２ 与 Ａｌ２Ｏ３ 的混合物，Ａｌ２Ｏ３ 中的钛原子的扩散能力很 强，表面将形成任意取向的晶体层，将导致晶界上 产生大量孔洞，孔洞在变形过程中长大，连接成裂 纹并断裂，使钛合金塑性降低。
基于以上分析，钛合金可能有 ２ 种氧化层断 裂模式，分别是氧化层断裂模式 １（氧化层脆性断 裂模式）：假定金属和氧化物有强的相互作用力， 但氧化物较脆弱且氧化层内含有孔洞，断裂沿着 导致剥落的氧化物 ／ 金属界面的开裂，通过连续氧 化层的破裂开始，连续厚度的氧化层开裂形成大 致相同的开裂间距。氧化层断裂模式 ２（氧化层与 金属界面滑移断裂模式）：沿氧化层 ／ 金属界面上 发生滑移，当任一拉伸形变的拉力超过氧化层 ／ 金 属界面上没断裂的各种塑性变形所需的力或能量 释放率超过它的临界水平时，导致沿界面上的断 裂，最终导致整个氧化层从金属表面分离。
［４］ 崔丽，粟桌新，魏琪． 高温氧化对钛合金超塑性能的影响 ［Ｊ］． Ｔｉ 钛工业发展，２００６，（４）：２２－２４．
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［７］ Ｔｏｒｓｔｅｒ Ｆ， ｄｏｓＳａｎｔｏｓ Ｊ Ｆ． Ｆｒａｃｈｕｒｅ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｗｅｌｄｅｄ ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ ［Ａ］．Ｅｕｒｏｐｅａｎ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｍａ－ ｔｅｒｉａｌｓ［Ｃ．］１９９８：３３９－３４４．