1、钛与钛合金锻造技术钛与钛合金锻造技术2008-09-09技术培训技术培训 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2008-09-09 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2008-09-09钛元素的发现2008-09-09钛元素与钛资源概述英国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，
2、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）杜邦公司首先开始商业化生产金属钛钛元素在周期表中的位置2008-09-09钛元素与钛资源概述22号号IV B 族族钛元素在自然界中的赋存状态2008-09-09钛元素与钛资源概述地壳质量的地壳质量的4，总储量，总储量3434亿吨亿吨化学性质活泼，无钛的单质，主要是氧化物化学性质活泼，无钛的单质，主要是氧化物金红石金红石钛铁矿钛铁矿钛资源的分布2008-02-18钛元素与钛资源概述2008-02-18钛合金的生产流程钛矿石海绵钛钛合金铸锭变形钛合金铸造钛
3、合金叶片叶片盘件盘件蒙皮蒙皮叶片叶片机匣机匣蒙皮蒙皮成品312大棒材大棒材小棒材小棒材板材板材管材管材型材型材半成品海绵钛的生产工艺2008-02-181钛矿钛矿（金红石）（金红石）四氯化钛四氯化钛(TiCl4)海绵钛海绵钛Kroll：镁还原：镁还原Hunter：钠还原：钠还原氯化氯化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。钛合金的生产流程VAR钛锭的2008-09-092 飞机和发动机使用的飞机和发动机使用的钛合金一般要经过钛合金一般要经过2 23 3次熔炼。（增加熔炼次次熔炼。（增加熔炼次数可使成分均匀化）数可使成分均匀化）冷壁铜坩埚熔炼技术冷壁
4、铜坩埚熔炼技术冷炉床熔炼技术冷炉床熔炼技术熔炼缺陷及钛合金的生产流程惰性气体保护下的电渣重熔炉惰性气体保护下的电渣重熔炉ESR硬度降低，偏析区为等轴组织，相增多。锻件表面或剖面形成亮条，一般单件报废。指氧、氮、碳等间隙元素的富集区，严重时形成化合物，硬度高,危害大，也叫硬偏析、偏析。一旦发现，整炉报废钛锭的2008-09-092熔炼缺陷及钛合金的生产流程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。高高稳定元素偏析，因局部稳定元素偏析，因局部稳定稳定元素偏高而形成元素偏高而形成斑点。斑点。斑点斑点间隙元素偏析间隙元素偏析低低Al、V偏析偏析 也叫软偏析也叫
5、软偏析高高Al偏析偏析钛合金TC4中的高间隙缺陷 200X正常区 Hv300 缺陷区 Hv493 由于稳定元素Al较多而形成的偏析。也形成亮条，硬度偏高。单件报废。2008-09-09钛合金的生产流程铸锭开坯3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、精锻区加热，足够变形量，变形先小后大，防止裂纹和局部变形。2008-09-09钛合金的生产流程常用开坯设备2008-09-09钛的基本特征(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。钛元
6、素的基本特征钛元素的基本特征同素异构转变同素异构转变TitaniumAlloysTiAlAlloysSuperalloysRefractoryMetals and IntermetallicsMg AlSingle CrystalSuperalloysSpecific Strength(MPa/(Mg/m3)50100150200250 Temperature(C)20070012001700CMC2008-09-09钛的基本特征钛合金的基本特征钛合金的基本特征高的比强度高的比强度（对飞机及航空发动机尤其重要）（对飞机及航空发动机尤其重要）优异的耐蚀性能优异的耐蚀性能使用温度范围大使用温度范围
7、大低阻尼特性低阻尼特性钛合金相图2008-02-18钛的合金化原理中性型中性型稳定化型稳定化型稳定化型稳定化型同晶型同晶型共析型共析型Zr Hf SnAl Ga GeO N CMo V Nb TaFe Mn Cr CoNi Cu Si H 2008-09-09钛的合金化原理完整的完整的Ti-Al合金相图合金相图2008-09-09钛的合金化原理钛的主要合金元素1、稳定元素：提高转变温度，扩大相区。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
8、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，严格控制含量。2008-09-09钛的合金化原理钛的主要合金元素2、稳定元素：降低转变温度，扩大相区。固溶强化，提高淬透性和热处理强化效果。V Mo：同晶元素，靠近Ti，晶格类型与-Ti相同。Nb Ta 与相无限互溶，在相中有限溶解。提高强度，保持较高塑性，无共析或包析反应Fe Mn：共析元素，强化效果明显。Cr Co 在和相中均有限溶解，在中溶解度更大Ni Cu 均存在共析反应，影响组织稳定和蠕变性能。Si H 注意H的双重作用。2008-09-09钛的合金化原理钛的主要合金元素3、中性元素：对转变温度无显著影
9、响。在和中均有较大溶解度，固溶强化。Zr Hf：Ti的同族元素，提高强度和热强性，强化效果低于Al，但对塑性的影响小。Sn Mg：主要固溶强化相，也可视为 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2008-09-09钛合金的典型组织4种基本类型等轴组织等轴组织等轴初生等轴初生相和相和转变转变组织均匀分布。两相区组织均匀分布。两相区中部加热中部加热/变形所获得变形所获得的。强度、塑性、疲劳的。强度、塑性、疲劳性能突出。性能突出。混合组织混合组织转变组织基体上分布转变组织基体上分布有少量有少量等轴初生等轴初生相。相。两相区上部加热两相区上部加热/变形变形获得的。兼顾强度、塑
10、获得的。兼顾强度、塑性、韧性、疲劳、蠕变性、韧性、疲劳、蠕变2008-09-09钛合金的典型组织4种基本类型网篮组织网篮组织原始原始晶粒内晶粒内分布分布着发着发达的片层达的片层。晶界已晶界已被破碎，无明显晶界被破碎，无明显晶界。相区加热相区加热/变形变形，两，两相区完成变形相区完成变形。魏氏组织魏氏组织晶界完整，晶内存在晶界完整，晶内存在发达的片层发达的片层。晶界。晶界明显。明显。加热加热和和变形变形均在均在相区完成相区完成。断裂韧性断裂韧性和蠕变性能和蠕变性能突出。突出。2008-09-09显微组织对钛合金性能的影响细小粗大性能性能片层状等轴状弹性模量弹性模量+/-（织构）+-强度强度-+-
11、塑性塑性-+-+断裂韧性断裂韧性+-+-疲劳裂纹萌生疲劳裂纹萌生-+-+疲劳裂纹扩展疲劳裂纹扩展+-+蠕变强度蠕变强度+-+-超塑性超塑性-+-氧化性能氧化性能+-注：无影响，+性能提高，-性能降低 钛合金的显微组织以和相的尺寸（细小、粗大）及排列方式（片层 状、等轴状）来描述。钛合金的典型组织2008-09-09钛合金的分类2008-09-09、+、钛合金的性能差异钛合金的性能差异性能性能+密度密度+-强度强度-+塑性塑性-/+-/+/-+/-断裂韧性断裂韧性+-/+-/+/-+/-蠕变强度蠕变强度+/-+/-性能性能+腐蚀性能腐蚀性能+/-+/-氧化性能氧化性能+/-+/-可焊性可焊性+/
12、-+/-冷成形性冷成形性-/+-/+注：+好，+较好，-差，-较差 钛合金的性能主要取决于两相的排列方式、体积分数以及各自的性能。钛合金类型对性能的影响钛合金的分类2008-09-09钛合金锻造基础钛合金组织与变形温度、变形程度的关系钛合金组织与变形温度、变形程度的关系 区变形区变形+区变形区变形 +区变形区变形2008-09-09钛合金锻造基础2008-09-09钛合金锻造基础钛合金的不同锻造工艺钛合金的不同锻造工艺T TT T相变相变5 51010，准，准锻，网篮组织锻，网篮组织T TT T相变相变10101515，近，近锻，三态组织锻，三态组织 （10102020等轴等轴、5050606
13、0片层片层构成的网篮组织和转构成的网篮组织和转变变基体基体 ）T TT T相变相变，锻，网篮锻，网篮 魏氏组织魏氏组织T TT T相变相变30305050，两相锻（常规锻造），等轴，两相锻（常规锻造），等轴组织组织 2008-09-09钛合金锻造基础去除表层厚度（mm）棒材直径（mm）23550锻棒挤压棒材车床上切割车床上切割砂轮切割砂轮切割圆盘锯切割圆盘锯切割圆盘锯片厚度圆盘锯片厚度28mm，适宜切割较大棒料，进刀量小，适宜切割较大棒料，进刀量小，能获得较洁净的端面能获得较洁净的端面阳极切割阳极切割切口宽度不超过切口宽度不超过3mm，切耗少、生产率低，切耗少、生产率低锤上或水压机切割锤上或水
14、压机切割需将棒料预热，工业纯钛可冷态剪切需将棒料预热，工业纯钛可冷态剪切适于切割直径小于适于切割直径小于60mm的棒材，切割效率高，但砂的棒材，切割效率高，但砂片寿命较短片寿命较短车切速度mm/min进刀量mm/周钛合金车切25000300000.20.3扒皮去层1500020000无层Ra=0.632.50.080.1Ra=1.2550.10.2Ra=2.5100.30.4注：Ra：表面粗糙度。车削加工时必须使用润滑冷却液，供给11.5mPa压力2008-09-09钛合金锻造基础2）提高加热温度时，钛合金会与空气发生强烈反映，在）提高加热温度时，钛合金会与空气发生强烈反映，在还原性气氛的油炉
15、中加热时，吸氢强烈还原性气氛的油炉中加热时，吸氢强烈采用分段加热，缩短坯料高温停留时间采用分段加热，缩短坯料高温停留时间电炉加热（或微氧化性气氛下火焰加热），炉底加垫不锈钢钢板电炉加热（或微氧化性气氛下火焰加热），炉底加垫不锈钢钢板钛合金加热的钛合金加热的两个特点：两个特点：1）钛低温导热率低，采用表面加热方法时，加热时间相当长）钛低温导热率低，采用表面加热方法时，加热时间相当长2008-09-09钛合金锻造基础润滑在整个变形过程中能够形成牢固而连续的保护膜在加热和变形过车工中能够保护毛坯，防止氧化和气体污染具有良好的隔热性能，使毛坯从炉子转移到模具以及在变形过程中减少能量损失不与毛坯和模具的
16、表面发生化学作用容易涂到毛坯表面，并便于使该工序机械化容易从锻件表面清除，能在较长时间保持润滑性能玻璃粉编号氧化物含量SiO2Al2O2B2O2Na2OCaOMgO15761-1718182045-26131156-34053555-4551413216-5341.735177.54.865458.527.55-玻璃No.玻璃润滑剂在下述温度下的黏度80090010001050110011364005234784-18521067950500306507-13273437350226903156-7084-10000010000740045005-301512-6-10008050-注：玻璃润
17、滑剂是由玻璃粉、稳定剂、固结剂以及水构成的悬浮液模锻钛合金用润滑剂的基本要求涂润滑剂的方法涂润滑剂的方法将坯料浸入悬浮液内浸涂将坯料浸入悬浮液内浸涂用刷子刷到坯料表面用刷子刷到坯料表面用喷雾器喷到坯料表面用喷雾器喷到坯料表面2008-09-09钛合金锻造基础锻造设备类型与应变速率的关系平均应变速率平均应变速率/s-1锻造设备锻造设备10-4 10-210-2 11 3010 200慢速液压慢速液压液压液压机械压力机械压力（快速）（快速）锻锤锻锤2008-09-09钛合金锻造基础变形量控制变形量：变形量：钛合金的临界变形钛合金的临界变形2 212%12%，实际控制应，实际控制应在在151520%
18、20%以上以上;变形变形303040%,40%,可细化可细化组织；组织；606070%70%以上可将粗针状组织细以上可将粗针状组织细化转变为球状组织化转变为球状组织与热效应综合考虑与热效应综合考虑2008-09-09钛合金锻造基础清理氧化皮的清除 壳层的清除喷砂喷砂可清除0.130.76mm厚的锈皮，喷砂设备：装有磨料的滚筒、喷丸或喷砂装置酸洗酸洗清除壳层熔盐除锈熔盐除锈熔盐除锈熔盐除锈1号溶液号溶液清洗清洗中和酸洗中和酸洗2号溶液号溶液清洗清洗酸洗酸洗3号溶液号溶液清洗清洗干燥干燥清除氧化皮，并随之酸洗去除壳层 表 溶液成分及有关参数20502525425510室 温506060%90%N2OH，其余N2NO3和Na2CO35%15%HNO3溶于水15%20%HNO3，1%7%HF，其余为水除锈中和酸洗123时间/min操作温度/溶液成分溶液类型溶液号2008-09-09钛合金锻造基础缺陷内部缺陷表面缺陷表面裂纹未充满折叠和桔皮内部裂纹、空洞粗大且不均匀的组织过热绝热剪切带亮条2008-09-09钛合金的常用术语初生初生相相次生次生相相晶界晶界相相转变转变组织组织晶粒晶粒2008-09-09钛合金的常用术语原始原始晶粒晶粒集束集束2008-09-09钛合金的常用术语其他术语参见其他术语参见GB8755-1988谢谢 谢谢 ！
