（材料学专业论文）新型β钛合金和精密异型钛材加工工艺研究.pdf

昆明理工大学硕士学位论文摘要 摘要 论文综述了钛及钛合金的发展历史、主要特性、应用领域、钛材的 种类和制备加工制造方法。对国外钛合金及钛材加工状况、中国钛工业 发展状况进行了述评。 钛及钛合金比强度、比刚度高，抗腐蚀、抗疲劳和抗蠕变胜能都很 好，高温力学性能和接合性能良好，还与人体亲和性好，具有优良的综 合性能。但适宜作为高档金属眼镜架用材料的钛合金，必须具有皂好的 冷加工性能。论文研究了t i v a l c r s n 系新型b 钛合金的热处理 工艺，测试了试样的力学性能、进行了s e m 断口分析和金相分析，得出 该合金经过固溶加时效的热处理后，其抗拉强度高( 0 。可达1 2 0 0 m p a ) ， 材料具有良好的塑性( 6 可达1 8 ) ，表明该合金适宜作为眼镜架等民用 产品的制造材料。 ，精密异型钛材产品断面尺寸小、形状复杂，变形抗力高，加工难度 大。论文对“新型8 钛合金研究一钛圆线( 纯钛和钛合金) 一圆线的异 型初轧一清洗一碱洗一酸洗一熟处理( 反复) 一精密轧机异型精轧( 或精 密异型拉拔) 一产品表面处理一质检一包装一成品”的工艺过程进行了 研究，生产眼镜架等民用精密异型铁材系列产品。解决了精密异型钛材 加工过程中的轧制、拉拔、润滑、模具、清洗、酸洗、碱洗、热处理、 焊接、表面质量控制、矫直等关键技术问题，制定了相关的工艺规程。 设计、加工、配置了相关设备，建成了精密异型钛材系列产品生产线。 通过试生产，生产出了不同规格的眼镜架用槽型丝、铰链、钛焊丝系列 产品。其中槽形丝产品，尺寸精度能够达到0 0 2 m m ，铰链产品，尺寸 精度可控制在0 0 2 m m 0 0 5 m m ，光洁度可达到0 8 1 6i lm ，能够满 足用户要求。证明制定的工艺在生产实践中合理可行，现有公开文献未 见报道，具有新颖性。论文还说明了发明的螺压式单体压力模、线材双 螺旋载线抛光装置、线材三维校正装置等设备。 新型b 钛合金和研究的加工工艺己投入实际生产，具有广阔的应用 前景。 关键词z 新型1 3 钛合金、精密异型钛材、生产工艺、槽型丝、铰链 昆明理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh i s t o r yo ft het i t a n i h i l la n dm c t a la l l o yo ft i t a n i u md e v e l o p m e n t w a so v e r v i e w e di nt h et h e s i s t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ea p p l i c a t i o n r e a l m ，t h ec a t e g o r y ，t h em a n u f a c t u r i n gm e t h o d so ft h et i t a n i u ma n d m e t a la i i o yo ft i t a n i u mw e r es u m m a r i z e da sw e l l i na d d i t 章o n ，t h e j n t e r n a t i o a dj p r o t e s so ft h et i t a n i u m m e t a la i l o yo ft i t a n i u m- a n d c h i n e s et i t a n i u mi n d u s t r yd e v e l o p m e n tw e r ed e m o ns t r a t e dr e s p e c t i v e l y t i t a n i u ma n dm c t a l a l l o y o ft i t a n i u mh a v eh i g h s t r e n g t ha n d s p e c i f i cr i g i d i t y ，g o o d r e s i s t a u e et oc o r r o s i o n ，f a t i g u ea n d c r e e p a g e ， g o o dw e l d i n ga n dm e c h a n i cp r o p e r t i e su n d e rh i g ht e m p e r a t u r e b e s i d e s ， t h e yh a v eh i g ha f f i n i t yt oh u m a nb o d i e s t h e r e f o r et i t a n i u ma n dm e t a l a i l o y o ft i t a n i u mh a v ef i n ea n do v e r a l l p r o p e r t i e s h o w e v e r ，t h e t i t a n i u ma i l o yt h a tc a nb em a d eo fu p s c a l em e t a is p e e t a c l esm us th a v e g o o dc o l dd e f o r m a t i o n w es t u d i e dt h eh o tt r e a t m , e n tc r a f to ft i - v - a i - c r s ns e r i e sn e wm e t a la l l o yo fp - t i t a n i n m ，t h em e c h a n i c p r o p e r t i e s ， s e mr u p t u r ea n dm e t a l l o g r a p h yo ft h es a m p i e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h ea l l o ys r e n g t hi sh i g h ( o bi s 1 2 0 0 m p a ) ，w i t hag o o dd e f o r m a t i o n 冷坩埚+ 离子浇铸技术； ( 4 ) 真空吸铸技术和真空压铸技术。 此外，为消除铸件内部缩孔、疏松等缺陷，获得最佳的机械性能， 也采用真空或惰性气体保护下的热等静压处理工艺( h ip ) 技术、热化学 处理工艺( t c t ) 技术等。目前，国内外铸件生产厂主要以捣实石墨型、精 密型壳铸型为主。 1 5 4变形产品生产【1 6 】【1 7 钛及其合金铸锭开坯一般采用等温锻造、轧制和包套挤压3 种途径。 其变形产品的生产主要分为：锻造、挤压、轧制、拉拔、板材成型等和 粉末冶金技术两大类。 1 6 国外钛合金及钛材加工状况【4 】【1 8 1 1 1 9 】f2 0 】【2 1 】【2 2 】 从国外钛合金研究现状来看，钛合金在在以下方面得到了较大发展， 即：( 1 ) 合金的高性能化、功能化、低成本化；( 2 ) 采用先进的熔炼、 加工设备，以提高钛合金的生产效率、成品率和产品的性能；( 3 ) 大力 开拓民用钛合会，钛铝余属间化合物和钛基复合材料。并向工程化方向 发展。 e 钛合金通常是在纯钛中加入总量大于l7 的b 稳定元素，通过热 处理后，得到单相的b 固溶体，它具有比纯钛及a 钛台金高得多的强 度指标，其冷加工率可达8 0 以上。1 3 钛合金具有体心立方晶体点阵， 在常温下它具有比六方点阵的a 钛更好的冷加工性能和高得多的其它指 标，如在淬火时效状态下，o 。为l5 0 0 k l p a 、d 。：为l4 0 0m p a 、延伸率o 13 、 断面收缩率1 l r 5 0 。 b 型钛合金包括热力学稳定的b 型合金及亚稳定的b 型钛台金两 种。前者主要用于耐蚀材料，后者则作为结构材料。亚稳定型b 钛合金 在固溶状态具有良好的工艺塑性，便于加工成型，时效t 处理后可获得很 高的强度性能。 最早的1 3 型钛合金是美国在2 0 世纪3 0 年代研制的b 1 2 0 v c a 钛合金，其 ， 昆明理工大学硕士学位论文 第一章文献综述 名义成分是t i 一13 v l1 c r 一3 a 1 。该钛合金是在美国空军部门资助下开发出 来的，随后由t in l e t 公司进行了系列改性研究，其突出的优点是冷变形 性能好可以生产薄带和板材，时效硬化性能和焊接性能优良。此后， 国外开发了一系列的高强b 钛合金。如b c ( t i 一3 a 卜8 v - 6 c r 一4 m o ) 、 p i i i ( t i 1 15m 0 6 z r 一4 。5 s n ) 、t i 一1 0 v - 2 f e 一3 a 1 和t i 1 5 v - 3 s n 一3 a 1 。 最近，日本住友金属工业公司开发了一种冷锻和冷变型优良的钛合金 ( t i 一2 0 v 一3 a 1 一1 5 n ) ，利用现有的钢铁制造设备，用此钛合金回生产出 板、棒、线等材料，从而加工眼镜架、高尔夫球轩、球头、自行车零部 件等产品。 钛及钛合金用于眼镜架材料是从上世纪8 0 年代开始的。19 8 1 年1 月日 本r 光光学公司、福井公司首次成功地开发了钛制眼镜架。福井公司”研 制出钛眼镜架后，在1 9 8 1 年至1 9 8 5 年间得到了普及。其后钛加工技术取 得了显著的进步，在1 9 8 5 年l9 8 9 年间钛镜架以纯以为主流。9 0 年代眼 镜架材料有复合钛、钛合令、形状记忆合金和超弹合金等。又由于对材 料的尺寸精度及表面质量要求很高，因此眼镜用异型钛材称为精密异型 钛材。目前，对于高档眼镜需要的钛及钛合金材料，主要使用的是纯钛 t a 2 和b 钛合金。 目前，国外钛加工企业向着集团化、国际化的方向发展，经过联合 和兼并，己形成了美、。同、俄三足鼎立的局面，其钛加工材的产量约占 世界钛材加工总量的8 0 。 美国是世界上最大的钛材生产国和消费国，其三大钛材生产企业， 即t i m e t 、r m i 和a 1l e g h e n yt e le d y l l e 的总产量占美国钛材加工总量的 9 0 。且7 0 以上的产量用于航空业。日本的钛材加工企业主要有神户 割钢、住友金属工业公司、薪日钛及大同特殊锅厂等。俄罗疑的钛材加 工企业主要有v s m p o 和v i l s 等，其产量的9 0 集中在v s m p o 。 欧洲的钛加工业主要有英国的i m i ：法国的c e z us 、v a l t ir i l e t ；德国 的d t g 和意大利的t i t a n i a 。i m i 、c e z us 和v a l t i m e t 已被美国t i m e t 兼 并和联合，d t g 和t i t a n i a 仍独立存在，但其规模和产量都较小。 2 0 0 2 年世界钛加工材的产量和所占比例如表卜3 及图卜l 所示。 8 垦望塞三查兰堡主堂垡堡苎 堕= 苎苎堕堡婪 表1 32 0 0 2 年世界主要钛材生产国的产量及所占比例 t a b le1 - 3t h ec o m p a r is o nf o rt h e 皿a i nc o u n t r i e sp r o d u c e dy ie l do f t i t a n i u mi n2 0 0 2 国别美国独联体 日本欧洲中国合计 产量t 1 6 2 0 017 0 0 01 4 5 0 0 5 0 0 04 6 0 0 5 7 3 0 0 比例2 8 3 2 9 72 5 38 78 o1 0 0 图1 一l2 0 0 2 年世界主要钛材生产国的产量及所占比倒 f ig 1 一lt h ec o m p a r is o i lf o rt h em a i nc o u n t r i e sp r o d u c e dy i e l do ft i t a u i u m i 1 32 0 0 2 1 7中国钛工业发展状况1 2 3 1 2 4 1 2 5 1 我国钛资源极为丰富，遍布全国2 0 个省区，已探明的钛资源储量近 9 亿吨，占世界总储量的4 8 ，居世界第一位a 我国于1 9 5 4 年开始制取 海绵钛的工艺研究，1 9 5 6 年制定了钛工业的发展规划，国家投巨资建设 了遵义钛厂( 海绵钛) 和宝鸡有色金属加工厂和西北有色金属研究院，初 9 昆明理工大学硕士学位论文 第一章文献综述 步形成了科研和生产相结合的专业化的钛生产体系。2 0 世纪7 0 年代以前， 我国钛的生产和科研主要是为军工服务，所生产的钛材用于航空、航天、 舰船、兵器和原子能等部门。1 9 7 2 年后，我国钛材逐渐向民用推广，其 “军工为主”的方针也调整为“军民结合”，同时开发军用和民用两个 市场。 19 8 2 年，成立了“钛全面推广领导小组”及“全国钛办”，领导和 协调钛的科研、生产和应用。l9 8 3 年，在真空制盐、氯碱、纯碱、湿法 冶金、制药、电力、日用品及饮料等十几个行业推广钛应用项目5 6 个。 1 9 8 5 年，结束了钛产量的1 0 年徘徊，产量达到了13 5 5 t ，i 9 97 年达到 l5 6 5 t ，1 9 9 9 年为i4 6 6 t ，2 0 0 2 年国内1 4 家主要钛加工企业的钛材产量 已达到4 6 l3 t 。经过多年的发展，我国已形成了较完备的生产、设计和科 研开发体系，成为继美国、独联体和日本之后的第4 个具有较完整钛工 业体系的国家。 目前，我国的钛材产量约4 0 0 0 5 0 0 0 吨左右，其生产厂分布在宝鸡、 沈阳和上海等地区，其产品主要为钛及钛合金的热轧板、焊管、无缝管、 棒材、锻环等大宗产品。 宝鸡有色金属加工厂是我国最大的以钛为主导产品的稀有金属材料 专业化生产、科研基地，拥有多台套国外引进的较为先进的大型生产和 检测设备，是国家高新技术企业，经过几十年的发展，已能规模化生产 各种钛及钛合金的热轧板、焊管、无缝管、棒材、锻环等产品。此外， 西北有色金属研究院( 国家稀有金属材料加工工程研究中心依托单位) 、 西安交通大学、北京有色金属研究总院、沈阳金属研究所、上海冶金研 究所、上海钢铁研究所、上海有色金属研究所等单位，在钛及钛合金的 冶炼、加工、产品开发等方面也具备相当的基础和实力。抚顺铝厂、遵 义钛厂、抚顺钢厂等单位在钛精矿、海绵钛的生产等方面具有一定规模。 它们都为发展我国的钛工业作出了积极的贡献。 目前，虽然我国在钛及钛合金的板、棒、管、环等方面已经实现规 模化生产，但在精密异型钛材的开发和生产上，则显得较为薄弱。目前 仅宝鸡有色金属加工厂等单位采用精锻、拉拔工艺生产一些钛丝和简单 的异型钛材( 如方型、六角棒材) 。对精密异型钛材的生产，国内尚处于 研究开发阶段，未见规模化生产的报道。 我国8 型合金有t b i ( t i - 3 a 卜8 m o - 1 1 c r ) 、t b 2 ( t i - 3 a l 一5 m o 一5 v - 8 c r ) 昆明理工大学硕士学位论文 第一章文献综述 等，材料牌号少，已不能适应对钛合金产品的要求。例如，我国作为世 界晴镜架等民用产品生产的大国，生产用的钛合金材料基本靠进口，因 此，研究开发可以生产民用产品的b 钛合金具有很现实的意义。 1 8 项目的提出及主要研究内容 上世纪8 0 年代以来，我国已逐步发展为世界眼镜架的主要加工生产 地，工业产值及出口创汇的年增长率达到了两位数。与眼镜成品加工工 业蓬勃发展的形式相比，眼镜材料的加工则显得严重滞后，装备、生产 工艺落后，产品品种单一。而眼镜用材料，除了满足眼镜的基本使用功 能外，随着人们生活水平的提高，还要求眼镜具有更多的装饰性、观赏 性、艺术性和个性化，这就促使眼镜用型材向高档化发展。钛及钛合金 材料正是目前眼镜用材料中最高档的材料之一，而国内眼镜用精密异型 钛材主要依赖进口。目前，由于对眼镜用精密异型钛材的良好市场预期， 国内的西北有色金属研究院、北京有色金属研究总院等科研单位都开始 了这方面的研究工作。 昆明冶金研究院自1 9 8 8 年起，10 余年来一直从事眼镜用精密异型材 的研究、开发与应用，在铜合金等有色金属型材的加工中。获得了多项 研究成果，形成了铸造、挤压、模具设计、拉拔、轧制工艺等方面较完 善的试验生产装置和技术优势，有较强的科研开发队伍，在生产中开发 各种款式、规格的精密金属异型材i3 0 余种，产量数百吨，主要销往数 十家以外销为主的中外合资企业，台资、港资等独资企业。有良好的市 场形象。而西安交通大学的材料学院在钛及合金性能研究和钛材加工工 艺方面。技术优势明显。为充分发挥各方面的优势，加快我国精密异型 钛材的开发和产业化，昆明冶金研究院决定联合西安交通大学，共同完 成“精密异型钛材系列产品的开发与产业化”项目。该项目得到了云南 省科技厅的大力支持，将其列入2 0 0 0 年云南省省院省校科技合作项目， 予以资助。 论文开展的研究工作以完成此项目为目的，主要研究内容包括：研 究制作高档眼镜架用的铰链和槽型丝钛精密异型材系列产品生产工艺， 同时开发一种新型p 钛合金，实现产业化生产。主要包括：新型b 钛 合金的性能指标：生产过程中的轧制、拉拔、润滑、模具、清洗、热处 1 1 昆明理工大学硕士学位论文 第一章文献综述 理、焊接、表面质量控制等关键技术的工艺确定，从而为整条生产线的 建成奠定基础。论文研究工作的完成，将对发展云南省有色金属产品深 加工，矿冶行业从劳动密集型向技术密集型转化，实现国民经济的可持 续发展具有一定的示范意义。 1 2 昆明理工大学硕士学位论文第二章生产工艺流程确定 第二章生产工艺流程确定 2 1金属眼镜架材料的性能要求 2 1 1力学性能要求 金属眼镜框架材料的力学性能要求包括： ( 1 ) 强度要求。为了防止材料断裂，要求材料强度越高越好。但从金属 材料的特性看，高强度也可能意味着材料脆性增加，这不符合眼镜框架 的使用要求。金属眼镜框架材料的强度要求应该是材料既要有高的抗拉 强度又要有足够的塑性、韧性，良好的弹性，而不能一味追求高韵抗拉 强度。 ( 2 ) 弹性要求。眼镜在佩带使用过程中不可避免地会有折弯，这就要求 眼镜框架材料不能断裂，并且能在外力消失后迅速恢复原有形状，这样， 就要求眼镜框架材料必须具有高的弹性极限( 或离的屈服极限) 和低的 弹性模量。 ( 3 ) 塑性( 加工性能) 要求。眼镜框架用型材，其断面形状复杂多变