钣钛成型-电子教案第一章.ppt

一 钛的金属学特性及基本特征 钛的冶炼 钛的种类及金属学特征 钛的物理及力学性能 主要内容 钛板成形技术 钛合金的发展趋势及研究进展 钛板成形技术 用什么作为耐高温的电炉 必须不含有氧化物 水冷铜坩埚 的电炉 如何防止O C N等元素的侵入 真空或惰性气氛 怎样除去钛矿中的其他元素 氯气和纯镁 钛的冶炼 钛的化学活性大 与大气中O N 水蒸气等发生强烈的化学反应 钛板成形技术 钛的冶炼 钛板成形技术 钛的冶炼 我国按杂质含量和硬度将海绵钛 原料 分为五级 0 1 2 3 4级 钛板成形技术 世界各主要海绵钛生产国的产量 2001 2007 钛的冶炼 钛板成形技术 为什么主要应用于尖端领域呢 因为开采及提炼纯钛的过程繁复 长达六个月 钛的冶炼 钛板成形技术 2007年国内各类钛加工材产量比例 钛的冶炼 钛的种类及金属学特征 钛板成形技术 工业纯钛 工业纯钛系指几种含有少员铁 碳和氧等杂质不同品位的非合金钛 它不能进行热处理强化 其成形性能优异 并易于熔焊和钎焊 它主要用于制造各种非承力结构件 长期工作温度300 工业纯钛蒸发器 钛板 钛板成形技术 钛合金二元相图 钛与常见元素 溶质 间的二元相图分类 中性元素 稳定元素 稳定元素 钛的种类及金属学特征 钛板成形技术 相稳定元素 能提高 相的转变温度 扩大 相区 如铝和氧 氮等 中性元素 在 相和 相中均有较大固溶度 对 相变温度影响不大 如锡 锆等 相稳定元素 一般是降低 相的转变温度 扩大 相区 钛的种类及金属学特征 钛板成形技术 纯钛加入合金元素形成钛合金 钛合金几乎都含有铝 铝能提高钛合金的强度 比强度和再结晶温度 钛合金泵 钛合金按退火组织可分为 型钛合金 型钛合金和 型钛合金三类 牌号分别用TA TB TC加顺序号表示 如TA5 TB2 TC4等 钛合金 钛的种类及金属学特征 钛板成形技术 主加元素为铝 还有锡 硼等 不能热处理强化 通常在退火状态下使用 组织为单相 固溶体 强度低于另两类钛合金 但高温强度 低温韧性及耐蚀性优越 1 型钛合金 钛的种类及金属学特征 钛板成形技术 常用牌号有TA5 TA7等 主要用于制造500 以下工作零件 如飞机压气机叶片 导弹燃料罐 超音速飞机蜗轮机匣及飞船上的高压低温容器等 Ti合金组织 1 型钛合金 钛的种类及金属学特征 钛板成形技术 主加元素有钼 铬 钒 铝等 经淬火加时效处理后 组织为 相基体上分布着细小的 相粒子 这类合金强度高 但冶炼工艺复杂 难于焊接 应用受到限制 2 型钛合金 钛的种类及金属学特征 钛板成形技术 型钛合金有TB2 TB3 TB4三个牌号 主要用于350 以下工作的结构件和紧固件 如飞机压气机叶片 轴 弹簧 轮盘等 钛合金棒 钛合金眼镜架 钛离心泵 2 型钛合金 钛的种类及金属学特征 钛板成形技术 3 型钛合金 加入合金元素有铝 钒 钼铬等 可进行热处理强化 强度高 塑性好 具有良好的热强性 耐蚀性和低温韧性 型钛合金共有九个牌号 其中以TC4应用最广 其经过淬火加时效处理后 组织为 时效析出针状 钛的种类及金属学特征 钛板成形技术 型钛合金主要用于制造400 以下工作的飞机压气机叶片 火箭发动机外壳 火箭和导弹液氢燃料箱部件及舰船耐压壳体 3 型钛合金 钛的种类及金属学特征 几种典型钛合金性能及应用 钛板成形技术 为 型钛合金 属Ti Al Sn系 Ti 5Al 2 5Sn 铝和锡起稳定 和固溶强化作用 具有中等强度和较高的耐热性 可在400 下长期工作 具有良好的低温性能和焊接性能 随温度降低 强度升高 塑性略有下降在 250 时仍保持良好的塑性 用于超低温高压容器 冷热加工性较差 轧制工艺对热成型影响较大 轧制温度为750 左右 具有较好的热成型性 TA7合金 钛的种类及金属学特征 钛板成形技术 型合金 国际上一种通用型钛合金 其用量占钛合金总消耗量50 左右 在航空工业上多用于做压气机叶片 盘和紧固件等 也可制作在 196 下使用的低温容器 合金组织和性能稳定 工作可靠 工艺易掌握 适合大规模生产 性能不足 如冷变形性能差 难于轧制成薄板和薄壁管材 淬透性低 小于25mm 限制了时效强化的应用 TC4 Ti 6Al 4V 钛的种类及金属学特征 钛板成形技术 亚稳定 型合金 在固溶状态下有良好的冷成形性 时效后抗拉强度为1323 1363MPa 延伸率保持在7 8 用于用飞机上的铆钉和螺栓 用箔材 0 15 0 25mm 吹塑成型制成高强度波纹壳体可用于卫星上 高韧性合金 冷成型性能优异 薄板 带材和箔材 固溶时效处理后其强度可超过TC4合金约50 性能均匀 在B1轰炸机上用它制作的零件达250个 用它取代强度较低的TA7和必须热成型的TC4合金 合金的冷成型性能优良 各向异性较小 适于钣金成形 TB2 Ti 5Mo 5V 8Cr 3Al TB5 Ti 15V 3Cr 3Sn 3Al 钛的种类及金属学特征 钛板成形技术 钛具有两种同素异构体 及 低温 Ti在882 以下稳定 具有密排六方结构 HCP 高温 Ti稳定于882 熔点1678 为体心立方结构 bcc 钛体积质量小 4 51g cm3 比强度高 在 253 600 范围内 钛比强度最高 但由于同素异性转变和高温下吸气 氧化倾向影响 耐热性为中等 介于铝与镍之间 具有优良的耐蚀性 在室温下能很快生成一层具极好保护性的钝化层 TiO2 在许多介质中 其耐蚀性极高 钛的低温性能很好 在液氮温度下仍有良好的机械性能 强度高而仍保持有良好塑性和韧性 钛的物理及力学性能 钛的物理性能 钛板成形技术 钛的弹性模量较低 120GPa 约为铁的54 比模量稍低于钢适于做弹性元件 但加工时回弹比较大 合金化可使钛弹性模量发生很大变化 钛的具有导热系数和线膨胀系数均低 钛的比热容与不锈钢相当 电阻率比不锈钢稍大 钛的导磁率近乎为1 0 非磁性 严格说为顺磁性 制成的潜艇 既能抗海水腐蚀 又能抗深层压力 其下潜深度比不锈钢潜艇增加80 同时 由于钛无磁性 不会被水雷发现 具有很好的反监护作用 钛具有优良的生物相容性 无毒 质轻 强度高 是非常理想的医用金属材料 可用作植入人体的材料 钛的物理及力学性能 钛板成形技术 钛在各种介质中的耐腐蚀性 钛的耐腐蚀性能 钛的物理及力学性能 钛板成形技术 不同材料和温度条件应力 应变曲线 TC4 TA2 TA7 TC4 钛的物理及力学性能 钛的力学性能 钛板成形技术 钛的物理及力学性能 三 钛的力学性能 工业纯钛 270 630MPa钛合金 700 1200MPa高强钛合金 1200MPa a 强度 d 硬度 经加工的纯钛 HB 200 295 b 刚度 工业纯钛的抗压 抗拉模量 105 109GPa抗剪 扭转模量 46GPa钛合金的抗压 抗拉模量 110 120GPa抗剪 扭转模量 41 51GPa c 延伸率 工业纯钛 25 40 钛合金 8 20 钛板成形技术 1 强度 b 0 2 高 所需成形压力 2 屈强比 0 2 b 大 塑形交形范围小 3 弹性模量E小 塑性变形回弹量大 4 延伸率 及加工指数n值较低 容易发生破裂 5 弯曲能力差 凡有弯曲变形工序 弯曲半径都应加大 6 受压稳定性低 变形过程易失稳起皱 7 硬度高 成形钛板的模具材料应当有较高的强度和硬度 8 抗磨损能力低 成形过程极易损伤零件和模具 9 冷作硬化倾向大 一般工序间应进行退火以消除应力 10 对于缺口及变形速度敏感大 给冲压成形带来不利影响 钛板的成形性能 钛的物理及力学性能 钛板成形技术 钛加工材成本结构图 钛的物理及力学性能 钛板成形技术 目前 全世界已研制了几百种钛合金 但投入工业生产的不到100种 我国研制的钛合金有近60种 列入国家标准的已有40余种 为满足高推重比航空发动机生产的需要 研究600 650 长时使用的钛合金 有三条途径 a 研究传统型 以固溶体为基的 钛合金 受抗氧化性的制约 这种钛合金的极限温度估计为650 b 发展金属间化合物为基的钛合金 即Ti3Al基与TiAl基合金 其极限使用温度分别达750 和900 用于航空发动机的 热端 涡轮部分 预计在近10年内可获得实际应用 c 发展以SiC纤维增强的钛基复合材料和以TiC或TiB颗粒增强的钛基复合材料它将使航空发动机的结构发生革命性变化 实现压气机的 叶盘一体化 使发动机推重比达到20以上 钛合金的发展趋势及研究进展 钛板成形技术 d 发展综合性能更好的高强钛合金高强钛合金目前已达到 b 1250MPa水平 其强度可与30CrMnSiA优质结构钢媲美 但其延伸率与断裂韧性 KIC 及弹性模量还差一些 耐热性在350 以下 e 发展耐蚀性更好的钛合金特别是发展在还原性介质中像Ti 32Mo一样耐蚀 但加工性较好的合金 f 发展多用途的专用钛合金如新型形状记忆合金 恒弹性钛合金 低膨胀钛合金 高电阻钛合金 低屈强比易冷成形的钛合金和高应变速率的超塑成形钛合金等 g 发展低成本的钛合金包括不含或少含贵重元素的钛合金 能充分利用残留的钛合金和易切削加工的钛合金等 钛合金发展趋势及研究进展 钛板成形技术 国内发展的600用钛合金Ti60和Ti600合金均是以Ti A1 Sn Zr Mo Si等高温系的基础上加入少量的稀土元素Nd 通过内氧化方式形成富有Nd Sn和O的稀土相 降低基体中的氧含量 从而起到净化基体 改善合金热稳定性的作用 同时稀土第二相粒子的析出强化改善了其高温强度和蠕变性能 高温钛合金 钛合金发展趋势及研究进展 钛板成形技术 Timetal 5111S合金 1 良好的断裂韧性及抗氧化腐蚀性能 其冲击韧性约为Ti 6Al 4V的3倍2 具有良好的室温蠕变性能3 易于焊接 可以进行大规格型材的焊接 主要用于舰船制造和海洋工程 美国Timet公司与美国和海军联合开发了一种具有强度适中 韧性高 焊接性能好的近 钛合金 名义化学成分 Ti 5Al 1Zr 1Sn 1V 0 8Mo 0 1Si 其特点 钛合金发展趋势及研究进展 钛板成形技术 1 具有高强度 1250MPa 2 具有很好的