钛合金超塑性研究及应用现状

文章编号:100321545(2004)0620034205

钛合金超塑性研究及应用现状

李　梁,孙建科,孟祥军

(洛阳船舶材料研究所,河南　洛阳　471039)

摘　要:本文对钛合金超塑性研究和应用进行了综述,并对钛合金超塑性的发展方向进行了展望。关键词:钛合金;超塑性;超塑性成形;应用中图分类号:TG 146.23 文献标识码:B

收稿日期:2004203224

作者简介:李梁,男,1979年生,洛阳船舶材料研究所硕士研究生。

金属的超塑性是指材料在一定的内部条件

(如晶粒形状、尺寸和相变等)和外部条件(如温度、应变速率等)下,呈现出异常低的流变抗力及异常高的流变性能(例如百分之几百以上的伸长率)的现象。金属材料的这种物理现象最早见报道是在1920年[1]。

从20世纪60年代起,世界各国在超塑性材料、力学、机理和成形等方面进行了大量的研究,并初步形成了比较完整的理论体系。特别值得注意的是,近几十年来金属超塑性已在工业生产领域获得了较为广泛的应用。一些超塑性的Zn 合金、T i 合金、Al 合金、Cu 合金以及黑色金属等以其优异的变形性能和材质均匀等特点,在航空航天以及汽车的零部件生产、工艺品制造、仪器仪表壳罩件和一些复杂形状构件的生产中起到了不可替代的作用[2,3]。本文着重对钛合金超塑性及应用情况作以综述。

1　钛合金超塑性的研究概况

钛合金由于比强度高、抗疲劳、耐腐蚀,能在

600℃左右温度下使用,在常温下化学稳定性良好,在航空、航天、化工等工业中的应用不断扩大。但是,钛合金的屈强比高,弹性模量低,在加工后易产生各向异性及回弹。因此,各国对钛合金超塑性进行了深入研究,包括机理、成形条件、模具、模具材料和加工方法等。

超塑性合金在拉伸时,呈现无缩颈的超塑性变形,应变硬化可忽略不计,其变形应力主要依赖

应变速率的变化,两者之间有下列关系:

σ=K ・・ε

m 式中σ为流动应力;・ε为应变速率;K 为与材料成分、结构及试验温度有关的常数;m 为流动应力的应变速率敏感性指数。

对—般金属及合金,m ≤0.3;对超塑性材料,m >0.3,一般在0.3～0.8之间,某些情况下接近于1。即使是同一合金,m 也会由于温度、应变速率和晶粒不同而变化。

表1列出了国际上一些钛合金的温度、应变

速率、m 和伸长率δ等超塑性特性[4～6]

。由表1可以看出,超塑性特性最好的是α+β型钛合金,α型和β型钛合金稍差。因为α+β型钛合金为两相合金,晶粒本来就细小,在超塑性加工过程中两相相互制约,晶粒难以长大,细晶粒能长时间保持下来,利于超塑性变形。相反,α型和β型钛合金的晶粒不能细化,且α型钛合金中不存在有助于

提高超塑性的β相。

β型钛合金中,由于不存在α相,β相晶粒可迅速长大。

赵林若[7]提出了α+β两相钛合金的超塑性流变微观机制。认为:(1)流变性好的β相以扩散蠕变(低・ε)和位错蠕变(高・ε)为主,其中β/β晶界过程相对并不重要,蠕变结果将改变晶粒的形态;

(2)α相变形以α/α晶界滑动为主,并通常由扩散和位错运动共同协调,参与协调的滑移系统与变形条件有关,晶界滑动变形使α晶粒保持着等轴形态;(3)α和β两相之间的流变协调主要由α/β相界的迁移完成,这一过程虽对宏观应变的直接

贡献很小,但它可以有效地减少应力作用引起的溶质原子的非平衡偏聚,恢复和维持α和β两相间的平衡。

以上为钛合金的微晶超塑性,钛合金还具有相变超塑性,又称动态超塑性或变温超塑性。如T i26Al24V在β相变温度((995±15)℃)以下的某一温度范围(如700～970℃)内反复冷热循环,进行拉伸、压缩或其它变形也能获得超过100%的伸长率。Schuh等人[8,9]对T i26Al24V进行了单向拉伸试验,试样为直径5mm,标距20mm的圆柱试样,在840～1030℃温度范围内以相同的加热和冷却速度进行冷热循环(等三角波),每次循环时间为8min,外加恒定应力2.5MPa,经过135次循环后试样被拉断,断后伸长率为398%。后来,他们又对两相钛合金T i26Al24V进行相变超塑性试验,提出了一种新理论模型,改进了G reenw ood和Johns on于1965年提出的传统相变理论模型[9]。新模型讨论了单次循环过程中加热、冷却应变对总应变量的贡献以及该过程中的应变动力学等问题,对相变超塑性理论的完善和指导生产实践起到了一定作用。由于相变超塑性的技术难度大,在实际生产方面应用不多。但是根据相变超塑性的特点,它们必将成为微晶超塑性在某些方面的有利补充,发展潜力很大。

表1　钛合金的超塑性特性

合金T/℃・

ε/s-1mδ/% T i26Al24V900～980 1.3×10-4～10-30.75750～1170 T i26Al25V8508×10-40.7700～1100 T i26Al22Sn24Z r22M o9002×10-40.67538

T i26Al24V22Ni8152×10-40.85720

T i26Al24V22C o8152×10-40.53670

T i26Al24V22Fe8152×10-40.54650

T i25Al22.5Sn10002×10-40.49420

T i215V23Cr23Sn23Al8152×10-40.5229

T i213Cr211V23Al800<150 I MI834940～99010-4～10-30.6>400 T i26242850～94010-4～10-30.6～0.7800

T i210V22Fe23Al700～7500.5910

2　钛合金超塑性成形实例

2.1　超塑等温锻造

等温锻造是近年来国外发展的一种新工艺,利用在一定条件下超塑性状态完成锻造。钛合金通常使用I N100等Ni基耐热合金模具在大气中进行锻造。锻造时,模具用高频感应加热线圈包围进行加热[4]。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,得到更接近成品尺寸的工件,无需后续精加工,提高成形性,并降低成本。也使大型复杂形状的产品用小型压力机就能进行锻造成为可能[10,11]。

美国普拉特・惠特尼公司采用称为“G AT OR2 IZI NG”的等温锻造工艺锻成了发动机的压气机盘[4]。日本制作的高尔夫球头(T i2SP700)、烹调用平底煎锅(T i2624)和较昂贵的剪刀(SP700)等产品均用等温锻造工艺成形。另一些产品包括医用器械、手表壳体和运动器械在日本和俄罗斯也见报道[12,13]。国内在这方面也取得了一些成就,如某研究所用等温锻造方法生产出<402mm的T C11压气机盘;北京机电研究所和北京有色金属院等单位利用该方法将T C3(热扎板)和T C4(锻坯)制成轴向有72个叶片,<101.2mm的整体涡轮盘;另外,上海钢研所等单位对T i25Al24M o29Cr22Sn22Z r 进行了等温锻造,生产出超声换能器变幅杆和带叶片的整体涡轮盘,节约了工时,降低成本20%～30%[1,5,14]。

2.2　气压成形

超塑条件下的气压成形是最能体现超塑性成形全部特点的一种新工艺。该方法由前苏联发明并于1975年获得专利。主要用于板材加工制造复杂形状的空心零件,可用氩气保护将钛板吹塑成形。它具有下列优点:(1)复杂形状一次加工成