钛合金锻造技术.ppt

钛与钛合金锻造技术,2008-09-09,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,1,钛元素在周期表中的位置,2008-09-09,钛元素与钛资源概述,1,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,1,地壳质量的4，总储量34亿吨 化学性质活泼，无钛的单质，主要是氧化物,金红石,钛铁矿,钛资源的分布,2008-02-18,钛元素与钛资源概述,1,2008-02-18,钛合金的生产流程,2,钛矿石,海绵钛,钛合金铸锭,变形钛合金,铸造钛合金,叶片 盘件 蒙皮 ,叶片 机匣 蒙皮 ,成品,3,1,2,大棒材 小棒材 板材 管材 型材,半成品,海绵钛的生产工艺,2008-02-18,1,钛矿 （金红石）,四氯化钛(TiCl4 ),海绵钛,Kroll：镁还原,Hunter：钠还原,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,2,VAR,钛锭的,2008-09-09,2,飞机和发动机使用的钛合金一般要经过23次熔炼。（增加熔炼次数可使成分均匀化）,冷壁铜坩埚熔炼技术 冷炉床熔炼技术,熔炼,缺陷,及,钛合金的生产流程,2,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,2008-09-09,2,熔炼,缺陷,及,钛合金的生产流程,2,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。,高密度夹杂,偏析类冶金缺陷,间隙元素偏析,低Al、V偏析 也叫软偏析,高Al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,2,铸锭开坯,3,2008-09-09,钛合金的生产流程,2,常用开坯设备,2008-09-09,钛的基本特征,3,(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。,钛元素的基本特征,同素异构转变,Titanium Alloys,TiAl Alloys,Superalloys,Refractory Metals and Intermetallics,Mg,Al,Single Crystal Superalloys,Temperature (C),200,700,1200,1700,2008-09-09,钛的基本特征,3,钛合金的基本特征,高的比强度 （对飞机及航空发动机尤其重要）,优异的耐蚀性能,使用温度范围大,低阻尼特性,钛合金相图,2008-02-18,钛的合金化原理,4,中性型,稳定化型,稳定化型,同晶型,共析型,Zr Hf Sn,Al Ga Ge O N C,Mo V Nb Ta,Fe Mn Cr Co Ni Cu Si H,2008-09-09,钛的合金化原理,4,完整的 Ti-Al合金相图,2008-09-09,钛的合金化原理,4,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,4,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,4,钛的主要合金元素,3、 中性元素：对转变温度无显著影响。 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,5,4种基本类型,等轴组织 等轴初生相和转变组织均匀分布。两相区中部加热/变形所获得的。强度、塑性、疲劳性能突出。,混合组织 转变组织基体上分布有少量等轴初生相。两相区上部加热/变形获得的。兼顾强度、塑性、韧性、疲劳、蠕变,2008-09-09,钛合金的典型组织,5,4种基本类型,网篮组织 原始晶粒内分布着发达的片层。晶界已被破碎，无明显晶界。 相区加热/变形，两相区完成变形。,魏氏组织 晶界完整，晶内存在发达的片层。晶界明显。加热和变形均在相区完成。断裂韧性和蠕变性能突出。,2008-09-09,显微组织对钛合金性能的影响,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,5,2008-09-09,钛合金的分类,6,2008-09-09,、 +、 钛合金的性能差异,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,6,2008-09-09,钛合金锻造基础,7,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,2008-09-09,钛合金锻造基础,7,2008-09-09,钛合金锻造基础,7,钛合金的不同锻造工艺,2008-09-09,钛合金锻造基础,7,下料,车床上切割,砂轮切割,适于切割直径小于60mm的棒材，切割效率高，但砂片寿命较短,2008-09-09,钛合金锻造基础,7,加热,2）提高加热温度时，钛合金会与空气发生强烈反映，在 还原性气氛的油炉中加热时，吸氢强烈,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,钛合金加热的两个特点：,1）钛低温导热率低，采用表面加热方法时，加热时间相当长,2008-09-09,钛合金锻造基础,7,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,模锻钛合金用润滑剂的基本要求,涂润滑剂的方法 将坯料浸入悬浮液内浸涂 用刷子刷到坯料表面 用喷雾器喷到坯料表面,2008-09-09,钛合金锻造基础,7,锻造设备类型与应变速率的关系,平均应变速率/s-1,锻造设备,10-4 10-2,10-2 1,1 30,10 200,慢速液压,液压,机械压力 （快速）,锻锤,2008-09-09,钛合金锻造基础,7,变形量控制,变形量： 钛合金的临界变形212%，实际控制应在1520%以上; 变形3040%,可细化组织；6070%以上可将粗针状组织细化转变为球状组织,与热效应综合考虑,2008-09-09,钛合金锻造基础,7,清理,2008-09-09,钛合金锻造基础