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1、鈦與鈦合金鍛造技術,,,2008-09-09,技術培訓,專 題一、 鈦與鈦合金熱加工技術基礎二、 航空航天常用鈦合金及其鍛造技術三、 鈦合金鍛件的常見缺陷與對策,,,2008-09-09,專題一的主要內容1. 鈦元素及鈦資源概述2. 鈦合金的生產流程3. 鈦的基本特性4. 鈦的合金化原理5. 鈦合金的典型組織及分類6. 鈦合金鍛造技術基礎7. 鈦合金常用術語,,,2008-09-09,鈦元素的發(fā)現(xiàn),,,2008-09-09,鈦元素與鈦資源概述,1,鈦元素在周期表中的位置,,,2008-09-09,鈦元素與鈦資源概述,1,鈦元素在自然界中的賦存狀態(tài),,,2008-09-09,鈦元素與鈦資源概述,
2、1,地殼質量的4，總儲量34億噸 化學性質活潑，無鈦的單質，主要是氧化物,金紅石,鈦鐵礦,鈦資源的分布,,,2008-02-18,鈦元素與鈦資源概述,1,,,2008-02-18,鈦合金的生產流程,2,鈦礦石,海綿鈦,鈦合金鑄錠,變形鈦合金,鑄造鈦合金,葉片 盤件 蒙皮 ,,,,,葉片 機匣 蒙皮 ,,,,成品,,,,,3,1,2,大棒材 小棒材 板材 管材 型材,半成品,海綿鈦的生產工藝,,,2008-02-18,1,鈦礦 （金紅石）,四氯化鈦(TiCl4 ),海綿鈦,,,Kroll：鎂還原,Hunter：鈉還原,氯化,海綿鈦根據雜質含量的不同，可分為0級、1級、2級等不同等級。0級海綿鈦雜
3、質含量最低。,鈦合金的生產流程,2,VAR,鈦錠的,,,2008-09-09,2,飛機和發(fā)動機使用的鈦合金一般要經過23次熔煉。（增加熔煉次數可使成分均勻化）,冷壁銅坩堝熔煉技術 冷爐床熔煉技術,熔煉,缺陷,及,鈦合金的生產流程,2,硬度降低，偏析區(qū)為等軸組織，相增多。鍛件表面或剖面形成亮條，一般單件報廢。,,指氧、氮、碳等間隙元素的富集區(qū)，嚴重時形成化合物，硬度高,危害大，也叫硬偏析、偏析。一旦發(fā)現(xiàn)，整爐報廢,鈦錠的,,2008-09-09,2,熔煉,缺陷,及,鈦合金的生產流程,2,由于配料和焊電極時帶入鎢、鉬等難熔金屬，冶煉時未被熔化造成?？捎贸暬驕u流檢驗控制。,高密度夾雜,偏析類冶金缺
4、陷,間隙元素偏析,低Al、V偏析 也叫軟偏析,高Al偏析,鈦合金TC4中的高間隙缺陷 200X 正常區(qū) Hv300 缺陷區(qū) Hv493,由于穩(wěn)定元素Al較多而形成的偏析。 也形成亮條，硬度偏高。單件報廢。,,,2008-09-09,鈦合金的生產流程,2,鑄錠開坯,3,,,2008-09-09,鈦合金的生產流程,2,常用開坯設備,,,2008-09-09,鈦的基本特征,3,(1) 密度(純鈦密度介于鋁和鐵之間。 (2) 導熱性差，導熱率僅為鐵的1/6，鋁的1/15。 (3) 摩擦系數較大。 (4) 熱膨脹系數較低。 (5) 彈性模量較低。 (6) 無磁性。,鈦元素的基本特征,,,,,,,,,
5、同素異構轉變,Titanium Alloys,TiAl Alloys,Superalloys,Refractory Metals and Intermetallics,Mg,Al,Single Crystal Superalloys,,,Temperature (C),200,700,1200,1700,,,,,,,,,,,,2008-09-09,鈦的基本特征,3,鈦合金的基本特征,高的比強度 （對飛機及航空發(fā)動機尤其重要）,優(yōu)異的耐蝕性能,使用溫度范圍大,低阻尼特性,鈦合金相圖,,,2008-02-18,鈦的合金化原理,4,中性型,穩(wěn)定化型,穩(wěn)定化型,同晶型,共析型,Zr Hf Sn,Al
6、Ga Ge O N C,Mo V Nb Ta,Fe Mn Cr Co Ni Cu Si H,,,2008-09-09,鈦的合金化原理,4,完整的Ti-Al合金相圖,,,,2008-09-09,鈦的合金化原理,4,鈦的主要合金元素,1、穩(wěn)定元素：提高轉變溫度，擴大相區(qū)。 距Ti較遠，化學性質差別大。 包析反應，提高熱穩(wěn)定性,Al：應用最廣泛，強效。降低熔點，提高轉變溫度。 原子置換方式增加網格畸變，室溫和高溫均強化。 相當于鋼中碳的作用，提高熱穩(wěn)定性和焊接性。,Ga Ge：稀貴元素，應用少，作用正在研究中。,O N C: 間隙元素，強度提高，塑性下降。脆性威脅， 嚴格控制含量
7、。,,,2008-09-09,鈦的合金化原理,4,鈦的主要合金元素,2、穩(wěn)定元素：降低轉變溫度，擴大相區(qū)。 固溶強化，提高淬透性和熱處理強化效果。,V Mo：同晶元素，靠近Ti，晶格類型與-Ti相同。Nb Ta 與相無限互溶，在相中有限溶解。 提高強度，保持較高塑性，無共析或包析反應,Fe Mn： 共析元素，強化效果明顯。Cr Co 在和相中均有限溶解，在中溶解度更大Ni Cu 均存在共析反應，影響組織穩(wěn)定和蠕變性能。Si H 注意H的雙重作用。,,,2008-09-09,鈦的合金化原理,4,鈦的主要合金元素,3、 中性元素：對轉變溫度無顯著影響。 在和中均有較大溶解度，固溶強
8、化。,Zr Hf： Ti的同族元素，提高強度和熱強性， 強化效果低于Al，但對塑性的影響小。,Sn Mg：主要固溶強化相，也可視為 穩(wěn)定元素。,Ce La：稀土元素，提高高溫拉伸和熱穩(wěn)定性。 研究熱點,,,2008-09-09,鈦合金的典型組織,5,4種基本類型,等軸組織 等軸初生相和轉變組織均勻分布。兩相區(qū)中部加熱/變形所獲得的。強度、塑性、疲勞性能突出。,混合組織 轉變組織基體上分布有少量等軸初生相。兩相區(qū)上部加熱/變形獲得的。兼顧強度、塑性、韌性、疲勞、蠕變,,,2008-09-09,鈦合金的典型組織,5,4種基本類型,網籃組織 原始晶粒內分布著發(fā)達的片層。晶界已被破碎，無明顯晶
9、界。 相區(qū)加熱/變形，兩相區(qū)完成變形。,魏氏組織 晶界完整，晶內存在發(fā)達的片層。晶界明顯。加熱和變形均在相區(qū)完成。斷裂韌性和蠕變性能突出。,,,2008-09-09,顯微組織對鈦合金性能的影響,注： 無影響，+ 性能提高，- 性能降低 鈦合金的顯微組織以和相的尺寸（細小、粗大）及排列方式（片層 狀、等軸狀）來描述。,鈦合金的典型組織,5,,,2008-09-09,鈦合金的分類,6,,,2008-09-09,、 +、 鈦合金的性能差異,注：++ 好，+ 較好，-- 差，- 較差 鈦合金的性能主要取決于兩相的排列方式、體積分數以及各自的性能。,鈦合金類型對性能的影響,鈦合金的分類,6,,,2
10、008-09-09,鈦合金鍛造基礎,7,鈦合金組織與變形溫度、變形程度的關系, 區(qū)變形,+ 區(qū)變形, + 區(qū)變形,,,,,2008-09-09,鈦合金鍛造基礎,7,,,2008-09-09,鈦合金鍛造基礎,7,鈦合金的不同鍛造工藝,,,2008-09-09,鈦合金鍛造基礎,7,下料,車床上切割,砂輪切割,適于切割直徑小于60mm的棒材，切割效率高，但砂片壽命較短,,,2008-09-09,鈦合金鍛造基礎,7,加熱,2）提高加熱溫度時，鈦合金會與空氣發(fā)生強烈反映，在 還原性氣氛的油爐中加熱時，吸氫強烈,采用分段加熱，縮短坯料高溫停留時間 電爐加熱（或微氧化性氣氛下火焰加熱），爐底加墊不銹鋼鋼板,
11、鈦合金加熱的兩個特點：,1）鈦低溫導熱率低，采用表面加熱方法時，加熱時間相當長,,,,2008-09-09,鈦合金鍛造基礎,7,潤滑,在整個變形過程中能夠形成牢固而連續(xù)的保護膜 在加熱和變形過車工中能夠保護毛坯，防止氧化和氣體污染 具有良好的隔熱性能，使毛坯從爐子轉移到模具以及在變形過程中減少能量損失 不與毛坯和模具的表面發(fā)生化學作用 容易涂到毛坯表面，并便于使該工序機械化 容易從鍛件表面清除，能在較長時間保持潤滑性能,模鍛鈦合金用潤滑劑的基本要求,涂潤滑劑的方法 將坯料浸入懸浮液內浸涂 用刷子刷到坯料表面 用噴霧器噴到坯料表面,,,2008-09-09,鈦合金鍛造基礎,7,鍛造設備類型與應變
12、速率的關系,,平均應變速率/s-1,鍛造設備,,,,,10-4 10-2,10-2 1,1 30,10 200,慢速液壓,液壓,機械壓力 （快速）,鍛錘,,,2008-09-09,鈦合金鍛造基礎,7,變形量控制,變形量： 鈦合金的臨界變形212%，實際控制應在1520%以上; 變形3040%,可細化組織；6070%以上可將粗針狀組織細化轉變?yōu)榍驙罱M織,與熱效應綜合考慮,,2008-09-09,鈦合金鍛造基礎,7,清理,,,2008-09-09,鈦合金鍛造基礎,7,缺陷,內部缺陷,表面缺陷,表面裂紋,未充滿,折疊和桔皮,內部裂紋、空洞,粗大且不均勻的組織,過熱,絕熱剪切帶,亮條,,,2008-09-09,鈦合金的常用術語,8,初生相,次生相,晶界相,轉變組織,晶粒,,,2008-09-09,鈦合金的常用術語,8,原始晶粒,集束,,,2008-09-09,鈦合金的常用術語,8,其他術語參見GB8755-1988,謝 謝 ！,
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