鈦合金鍛造技術

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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(chǎn)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英 國 William Gregor 發(fā) 現(xiàn) 鈦 元 素 的 存 在 ， 將 其 命 名 為 “ mechanite”德 國 Martin Heinri

2、ch Klaproth,成 功 地 從 礦 石 （ 金 紅 石 ） 中 分 解 出氧 化 鈦 ， 將 其 更 名 為 “ Titans”盧 森 堡 Wilhelm Justin Kroll（ 被 稱 為 鈦 工 業(yè) 之 父 ） ，用 Ticl 4和 Na制 取 了 大 量 的 鈦 （ Kroll工 藝 ）杜 邦 公 司 首 先 開 始 商 業(yè) 化 生 產(chǎn) 金 屬 鈦 鈦 元 素 在 周 期 表 中 的 位 置 2008-09-09 鈦元素與鈦資源概述22號IV B 族 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地 殼 質 量 的 4 ， 總 儲

3、 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 2008-02-18 鈦合金的生產(chǎn)流程鈦 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31 2 大 棒 材小 棒 材板 材管 材型 材半 成 品 海 綿 鈦 的 生 產(chǎn) 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(jù)

4、 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 質 含 量 最 低 。鈦合金的生產(chǎn)流程 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(jīng) 過 2 3次 熔 煉 。 （ 增 加 熔煉 次 數(shù) 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(chǎn)流程惰性氣體保護下的電渣重熔爐 ESR 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

5、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 2008-09-092 熔 煉 缺 陷及 鈦合金的生產(chǎn)流程由 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 。 可 用超 聲 或 渦 流 檢 驗 控 制 。 高 穩(wěn) 定 元 素 偏 析 ， 因 局 部 穩(wěn) 定 元 素 偏 高 而 形成 斑 點 。斑 點間 隙 元 素 偏 析低 Al、 V偏 析 也 叫 軟 偏

6、 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(chǎn)流程鑄 錠 開 坯3 將 粗 大 的 鑄 態(tài) 組 織 改 變 為 變 形 態(tài) 組 織 ， 為 后 續(xù) 加 工 進 行 組 織 準 備 。自 由 鍛 、 擠 壓 、 平 鍛 、 快 鍛 、 精 鍛 區(qū) 加 熱 ， 足 夠 變 形 量 ， 變 形 先 小 后 大 ， 防 止 裂 紋 和 局部 變 形 。 2008-09-

7、09 鈦合金的生產(chǎn)流程常 用 開 坯 設 備 2008-09-09 鈦的基本特征(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(shù) 較 大 。(4) 熱 膨 脹 系 數(shù) 較 低 。(5) 彈 性 模 量 較 低 。(6) 無 磁 性 。鈦 元 素 的 基 本 特 征同 素異構轉變 TitaniumAlloys TiAlAlloysSuperalloys RefractoryMetals and IntermetallicsMg Al Single CrystalSuperall

8、oysSpecific Strength (MPa/(Mg/m3 ) 50100150200250 Temperature (C)200 700 1200 1700CMC 2008-09-09鈦的基本特征鈦 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 鈦的合金化原理中 性 型 穩(wěn) 定 化 型 穩(wěn) 定 化 型 同 晶 型 共 析 型Zr Hf Sn Al Ga GeO N C Mo V Nb Ta Fe Mn Cr CoNi

9、Cu Si H 2008-09-09 鈦的合金化原理完整的Ti-Al合金相圖 2008-09-09 鈦的合金化原理鈦 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(wǎng) 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

10、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 。 2008-09-09 鈦的合金化原理鈦 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

11、 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 化 。Zr Hf： Ti的 同 族 元 素 ， 提 高 強 度 和 熱 強 性 ， 強 化 效 果 低 于 Al

12、， 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

13、強 度 、 塑性 、 韌 性 、 疲 勞 、 蠕 變 2008-09-09 鈦合金的典型組織4種 基 本 類 型網(wǎng) 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 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 響細 小 粗 大 性 能 片 層 狀 等 軸 狀 彈

14、 性 模 量 +/-（ 織 構 ）+ - 強 度 - + - 塑 性 - +- + 斷 裂 韌 性 + -+ - 疲 勞 裂 紋 萌 生 - +- + 疲 勞 裂 紋 擴 展 + - + 蠕 變 強 度 + -+ - 超 塑 性 - + - 氧 化 性 能 + -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 2008-09-09 鈦合金的分類 2008-09-09 、 + 、 鈦 合 金 的 性 能

15、差 異性 能 +密 度 + + -強 度 - + +塑 性 -/+ + +/-斷 裂 韌 性 + -/+ +/-蠕 變 強 度 + +/- - 性 能 +腐 蝕 性 能 + + +/-氧 化 性 能 + +/- -可 焊 性 + +/- -冷 成 形 性 - - -/+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(shù) 以 及 各 自 的 性 能 。鈦 合 金 類 型 對 性 能 的 影 響鈦合金的分類 2008-09-09 鈦合金鍛造基礎鈦 合 金 組 織 與 變 形 溫 度 、 變 形 程

16、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 2008-09-09 鈦合金鍛造基礎鈦 合 金 的 不 同 鍛 造 工 藝 T T相 變 5 10 ， 準 鍛 ， 網(wǎng) 籃 組 織T T相 變 10 15 ， 近 鍛 ， 三 態(tài) 組 織 （ 10 20 等 軸 、 5060 片 層 構 成 的 網(wǎng) 籃 組 織 和 轉 變 基 體 ）T T相 變 ， 鍛 ， 網(wǎng) 籃 魏 氏 組 織T T 相 變 30 50 ， 兩 相 鍛 （ 常 規(guī) 鍛 造 ） ， 等 軸 組 織 2008-09-09 鈦合金鍛造基礎 去除表層厚度（mm ） 棒 材 直 徑 （ m

17、m）235 50鍛 棒擠 壓 棒 材 車 床 上 切 割砂 輪 切 割圓 盤 鋸 切 割 圓 盤 鋸 片 厚 度 28mm， 適 宜 切 割 較 大 棒 料 ， 進 刀 量 小 ， 能 獲 得 較 潔 凈 的 端面陽 極 切 割 切 口 寬 度 不 超 過 3mm， 切 耗 少 、 生 產(chǎn) 率 低錘 上 或 水 壓 機 切 割 需 將 棒 料 預 熱 ， 工 業(yè) 純 鈦 可 冷 態(tài) 剪 切適 于 切 割 直 徑 小 于 60mm的 棒 材 ， 切 割 效 率 高 ， 但 砂 片 壽 命 較 短車 切 速 度 mm/min 進 刀 量 mm/周鈦 合 金 車 切 2500030000 0.20.

18、3扒 皮 去 層 1500020000無 層 Ra=0.632.5 0.080.1Ra=1.255 0.10.2Ra=2.510 0.30.4注 ： R a： 表 面 粗 糙 度 。 車 削 加 工 時 必 須 使 用 潤 滑 冷 卻 液 ， 供 給 11.5mPa壓 力 2008-09-09 鈦合金鍛造基礎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

19、加 熱 ） ， 爐 底 加 墊 不 銹 鋼 鋼 板鈦 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)

20、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 玻 璃 粉 編 號 氧 化 物 含 量SiO2 Al2O2 B2O2 Na2O CaO MgO1 5761 - 1718 1820 45 -2 61 3 1 15 6 -3 40 5 35 5 5 -4 55 14 13 2 16 -5 34 1.7 35 17 7.5 4.86 54 5 8.5 27.5 5 -玻 璃 No. 玻 璃 潤 滑 劑 在 下 述 溫 度 下 的 黏 度800 900 1000 1050

21、11001 136400 5234 784 - 1852 1067950 50030 6507 - 13273 437350 22690 3156 - 7084 - 100000 10000 7400 45005 - 30 15 12 -6 - 1000 80 50 -注 ： 玻 璃 潤 滑 劑 是 由 玻 璃 粉 、 穩(wěn) 定 劑 、 固 結 劑 以 及 水 構 成 的 懸 浮 液模 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 2008-09-0

22、9 鈦合金鍛造基礎鍛 造 設 備 類 型 與 應 變 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 為 球 狀 組 織與 熱 效 應 綜 合 考 慮 2008-09-09 鈦合金鍛造基礎清 理 氧 化 皮

23、的 清 除 殼 層 的 清 除 噴 砂 可 清 除 0.130.76mm厚 的 銹 皮 ， 噴 砂 設 備 ： 裝 有 磨 料 的 滾 筒 、 噴 丸 或 噴 砂裝 置酸 洗 清 除 殼 層熔 鹽 除 銹 熔 鹽 除 銹1號 溶 液 清 洗 中 和 酸 洗2號 溶 液 清 洗 酸 洗3號 溶 液 清 洗 干 燥清 除 氧 化 皮 ， 并 隨 之 酸 洗 去 除 殼 層 表 溶 液 成 分 及 有 關 參 數(shù) 20 502 52 5425 510室 溫50 6060% 90%N2OH， 其 余 N2NO3和Na2CO35% 15%HNO3溶于 水15% 20%HNO3， 1% 7%HF， 其 余為 水除 銹中 和酸 洗123 時 間 /min操 作 溫 度 /溶 液 成 分溶 液 類 型溶 液 號 2008-09-09 鈦合金鍛造基礎缺 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 鈦合金的常用術語原 始 晶 粒 集 束 2008-09-09 鈦合金的常用術語其 他 術 語 參 見 GB8755-1988謝 謝 ！