钛合金的加工与应用

1、钛合金的加工与应用摘要钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具 有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家 都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。20 世纪5060年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合 金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得 到进一步发展。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹 和高速飞机的结构件。关键词钛合金，加工性能，应用领域钛是一种化学元素，化学符号Ti，原子序数22,在化学元素周期表中位于 第4周期、第IVB族。是一种银

2、白色的过渡金属，其特征为重量轻、强度高、具 金属光泽，耐湿氯气腐蚀。钛被认为是一种稀有金属，这是由于在自然界中其存在分散并难于提取。但 其相对丰富，在所有元素中居第十位。钛的矿石主要有钛铁矿及金红石，广布 于地壳及岩石圈之中。钛亦同时存在于几乎所有生物、岩石、水体及土壤中。从 主要矿石中萃取出钛需要用到克罗尔法或亨特法。钛最常见的化合物是二氧化 钛，可用于制造白色颜料。其他化合物还包括四氯化钛（TiCl）（作催化剂和用 4于制造烟幕作空中掩护）及三氯化钛（TiCl3）（用于催化聚丙烯的生产）。一、钛合金的结构原理钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。钛有两种同质异晶体：882C 以下为密排

3、六方结构a钛，882C以上为体心立方的P钛。合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：稳定a相、提高相转变温度的元素为a稳定元素,有铝、碳、氧和氮等。 其中铝是钛合金主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增 加弹性模量有明显效果。稳定P相、降低相变温度的元素为P稳定元素，又可分同晶型和共析型 二种。前者有钼、铌、钒等；后者有铭、锰、铜、铁、硅等。对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。二、钛合金的品质特性钛合金具有许多优良的品质特性，主要有如下几方面：比强度高钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60%，纯钛的强度才接近普 通钢的强度，一些高强度钛合金超过了

4、许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比 强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻 的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛 合金。热强度高使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度，可在 450500C的温度下长期工作这两类钛合金在150C500C范围内仍有很高的 比强度，而铝合金在150C时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500C， 铝合金则在200C以下。抗蚀性好钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、 酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等 有优良的抗

5、腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及格盐介质的抗蚀性差。低温性能好钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好，间隙元素极 低的钛合金，如TA7,在-253C下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重 要的低温结构材料。化学活性大钛的化学活性大，与大气中0、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈 的化学反应。含碳量大于0.2%时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时， 与N作用也会形成TiN硬质表层；在600C以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬 化层；氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.10.15 mm，硬化程度为20%30%。钛的化学亲和性也大，易与摩

6、擦表面产生粘 附现象。导热系数小、弹性模量小钛的导热系数久=15.24W/ (m.K)约为镍的1/4,铁的1/5,铝的1/14，而 各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50%。钛合金的弹性模量约为钢 的1/2,故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回 弹量很大，约为不锈钢的23倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨 损。三、钛合金的加工性能切削加工性能钛合金强度高、硬度大，所以要求加工设备功率大，模具、刀具应有较高的 强度和硬度。切削加工时，切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大。与45钢相 比，钛合金的切削力虽然只有其2/3-3/4，可是切屑与前刀面的接触面积却更小

7、 (只有45钢的1/22/3)，所以刀具切削刃承受的应力反而更大，刀尖或切削刃容 易磨损；钛合金摩擦因数大，而热导率低(分别仅为铁和铝的1/4和1/16)；刀具 与切屑的接触长度短，切削热积聚于切削刃附近的小面积内而不易散发，这些因 素使得钛合金的切削温度很高，造成刀具磨损加快并影响加工质量。由于钛合金 弹性模量低，切削加工时工件回弹大，容易造成刀具后刀面磨损的加剧和工件变 形；钛合金高温时化学活性很高，容易与空气中的氢、氧等气体杂质发生化学反 应，生成硬化层，同时进一步加剧了刀具的磨损；钛合金切削加工中，工件材料 极易与刀具表面粘结，加上很高的切削温度，所以刀具易于产生扩散磨损和粘结 磨损。

8、磨削加工性能钛合金化学性质活泼、在高温下易与磨料亲和并粘附，堵塞砂轮，导致砂轮 磨损加剧，磨削性能降低，磨削精度不易保证。砂轮磨损同时也增大了砂轮与工 件之间的接触面积，致使散热条件恶化，磨削区温度急剧升高，在磨削表面层形 成较大的热应力，造成工件的局部烧伤，产生磨削裂纹。钛合金强度高、韧性大， 使磨削时磨屑不易分离、磨削力增大、磨削功耗相应增加。钛合金热导率低、比热小、磨削时热传导慢，致使热量积聚在磨削弧区，造成磨削区温度急剧升高。挤压加工性能对钛及钛合金进行挤压加工时，要求挤压温度高，挤压速度快，以防温降过 快，同时应尽量缩短高温坯锭与模具的接触时间。因此挤压模具应选用新型耐 热模具材料，

9、坯锭由加热炉到挤压筒的输送速度也要快。鉴于在加热和挤压过程 中金属易被气体污染，故还应采用适当的保护措施。挤压时应选择合适的润滑剂， 以防粘结模具，如采用包套挤压和玻璃润滑挤压。因钛及钛合金的变形热效应较 大，导热性较差，故在挤压变形时还要特别注意防止过热现象。钛合金的挤压过 程比铝合金、铜合金、甚至钢的挤压过程更为复杂，这是由钛合金特殊物理化学 性能所决定的。钛合金在常规热反挤成形时，模具温度低，与模具接触的坯料表 面温度迅速下降，而坯料内部因变形热而温度升高。由于钛合金热导率低，表层 温度下降后，内层坯料热量不能及时传输到表层补充，会出现表面硬化层，而使 得变形难以继续进行。同时，表层与内

10、层会产生很大的温度梯度，即使能成形， 也容易造成变形和组织不均匀。锻压加工性能钛合金对锻造工艺参数非常敏感，锻造温度、变形量、变形及冷却速度的改 变都会引起钛合金组织性能的变化。为更好地控制锻件的组织性能，近几年，热 模锻造、等温锻造等先进的锻造技术在钛合金的锻造生产中得到了广泛应用。钛 合金的塑性随温度升高而增大，在10001200C温度范围内，塑性达到最大值， 允许变形程度达70%80%。钛合金锻造温度范围较窄，应严格按(a +p )/p转 变温度进行掌握(铸锭开坯除外)，否则6晶粒会剧烈长大，降低室温塑性；a钛 合金通常在(a +6 )两相区锻造，因(a +6 )/p相变线以上锻造温度过

11、高，将导致 6脆相，6钛合金其始锻和终锻都必须高于(a +6 )/6转变温度。钛合金的变形 抗力随变形速度的增加提高较快，锻造温度对钛合金变形抗力影响更大，因此常 规锻造必须在锻模内冷却最少的情况下完成。间隙元素(如O、N、C)的含量对钛 合金的锻造性也有显著影响。铸造工艺性能由于钛和钛合金的化学活性高，易与空气中的N、0、N发生剧烈化学反应， 且易与铸造中常用的耐火材料发生化学反应。钛和钛合金的铸造，特别是熔模精 铸要比铝和钢的熔模精铸难度大得多，需借助特殊手段才能实现。铸钛发展初期， 由于铸造工艺的发展落后于压力加工工艺，因此，先选用已有一定变形的中强钛 合金，如TiO 6A10 4V，T

12、iO 5A10 2.5Sn等作为铸造合金材料。这些合金至今还 在广泛应用。但随着铸钛工艺的发展和应用领域对铸造钛合金各方面性能要求的 提高，以及铸件结构复杂程度的加大，过去那种认为“所有的变形钛合金都适合 用作铸造合金”的论点应加以修正。随着合金使用温度和工作强度的提高，合金 中所添加元素的数量和加入量也相应增加，但同时必须考虑到合金的铸造性能、 流动性凝固区间结晶组织、力学性能等等，即合金的化学成分必须根据铸造工艺 的要求进行调整。、钛合金的具体应用1.钛合金在航空业中的应用阻燃钛合金闪亮登场为了避免钛火，俄罗斯曾研制了含Cu高量的BTT-1和BTT-3阻燃钛合金， 但由于其力学性能和熔铸性

13、能差而未能工程化。美国发明的Alloyc （Ti-35V-15Cr）阻燃钛合金近期已成功地应用于F119发动机（F/A-22战斗机 的动力装置）的高压压气机机匣、导向叶片和矢量尾喷管。这是高温钛合金领域 的最新亮点，也是钛发展史中第一个进驻航空发动机的P型钛合金和阻燃钛合 金。Alloyc的阻燃原理有三：其一，国外和一航材料院的研究结果表明，在转 子零件与静子零件相对摩擦而升温时，低熔点（675C）的V205的首先熔化起到 了吸热、润滑和降低氧化膜内应力的作用；其二，西北有色院的试验表明，Alloyc 的导热系数远高于普通钛合金；其三，北京有色院利用CALPHAD技术计算得到的 结果表明，该合

14、金成分设计符合绝热燃烧温度尽可能低的要求。西北有色院、 一航材料院等联合研制的低成本阻燃钛合金Ti-40已研制出机匣并装机，等待试 车。利用渗金属技术形成表面阻燃合金是另一条成本更低的技术途径。钛基复合材料初见曙光世界各国为钛基复合材料（TMC ）的工程化已奋斗很多年，近期终于在F119 发动机上获得了应用，即选用SiC纤维Ti-6242S复合材料制成矢量喷管驱动器 活塞。不久前，荷兰飞机起落架开发公司SP航宇公司又宣称，荷兰皇家空军试 飞了装有钛基复合材料主起落架下部后撑杆的F-16。与原用的300M钢相比，新 材料可减重40%，成本也已接近战斗机设计认可的指标，因此洛克希德马丁 公司也打算

15、在F-35联合攻击机上采用这种TMC材料制造起落架零件。据称用 TMC取代Ti-6Al-4V合金制造的空心宽弦风扇叶片，其成本更低。纤维/钛层板崭露头角层间混合材料（如图3所示）因其比强度和疲劳寿命远高于单金属材料且成 本远低于纤维增强的复合材料，已引起人们的广泛兴趣。从20世纪80年代以来 该材料已经历了第一代ARALL （芳纶纤维铝合金层板）、第二代GLARE （玻璃纤维 铝合金层板）、第三代CARE （碳纤维铝合金层板）到第四代TiGr （石墨纤维钛合 金层板）的发展过程。一航材料院研制的ARALL已用于我国歼八11的方向舵上，解决了原铝合金方 向舵铆钉孔处裂纹扩展的问题。GLARE已大

16、面积地用于A380机身壁板和尾翼上， 而TiGr则用于制造B7E7的机翼和机身蒙皮。TiGr还可用于蜂窝夹层的面板。 实践表明，自动铺放的TiGr层板的性能优于手工铺叠的TiGr层板。CARE因很 难解决碳纤维与铝合金之间的接触腐蚀问题，迄今无商业化产品。而TiGr既无 电化学腐蚀问题，又可进一步提高综合性能（特别是比强度和高温性能）。超塑性钛合金独树一帜超塑性成形、等温锻造、近等温锻造等先进工艺技术所具有的优越性促进了 自身的发展。然而，锻造成形温度过高带来的模具制造、加热费用昂贵问题，影 响了产品成本的进一步降低和工艺技术进一步的扩大应用。据此，日本推出了 SP700 （Ti-4.5Al-

17、3v-2Fe-1Mo）合金。这是第一个以SP （超塑的英文缩写）为 牌号的钛合金。与Ti-6Al-4V相比，其等温锻造或超塑成形的温度降低了 120C （即从900C降至780C），最佳超塑条件下的延伸率提高一倍（即从1000%增 至2000%）。SP700还具有优于Ti-6Al-4V的综合力学性能、热处理淬透性和冷 加工性。SP700呈现上述优越特性的重要原因之一是在同样工艺条件下SP700能 获得更细于Ti-6Al-4V的晶粒尺寸（分别为2um和5um）。正缘于此，SP700当前 已作为一种新型工程合金用于制造高尔夫球头等体育用品和活动扳手等工具，而 且已引起各国航空界的密切关注，正在考虑

18、应用于飞机及发动机零件的可能性。特大整体结构件锻造工艺余音绕梁为了提高结构效率、减轻结构重量、缩短生产周期和降低生产成本，结构整 体化是先进飞机的重要发展方向。F/A-22的机身隔框就采用了整体结构，这就 需要提供前所未有的特大规格的钛合金模锻件，从而显著增加了充填成型和组织 控制方面的困难。F/A22的中机身有4个很大的Ti-6Al-4V整体式隔框，其中最 大的583隔框锻件重2770kg，投影面积5.53m2,是迄今为止最大的航空用钛 合金锻件。F/A-2 2后机身的一个发动机舱的隔框也很大。魏曼戈登公司在4 5000 t水压机上生产了该隔框模锻件，锻件长3.8m，宽1.7m，投影面积5.

19、2 m2，重1590kg。按通常的Ti-6Al-4V合金的模锻变形抗力来计算，这么大投 影面积的锻件是不可能模锻出来的。已知的情况表明，该公司采用以下三大关键 技术确保特大钛合金锻件的形状尺寸和组织性能：一是采用优良的润滑剂以降低 变形抗力；二是采用计算机有限元方法模拟模锻时金属流变、充填情况以确定可 保证最终形状尺寸的工艺（包括模具和预制坯的设计方案）；三是搞好全过程（从 开坯至最终模锻）的工艺设计以确保最终锻件的组织性能。虽然我们可以从中粗 略地感觉到这首协奏曲的美妙之处，但仍不能完全理解在45000t水压机上能 模锻出如此大规格锻件的理由，还得细细品味其绕梁的余音以探究存在其他奥 妙之处

20、的可能性。金属型精铸工艺重开天日很早以前，人们就否定了金属型（长久性铸型）用于钛合金铸造的可能性。 然而，美国普惠公司近期的实践表明，金属型不仅适用于钛合金铸造，而且与 陶瓷型（熔模）相比，可以降低40%成本，减少污染，获得拉伸强度、疲劳强 度更好的钛合金精铸件，甚至可以和钛合金锻件的性能相媲美。普惠公司已应 用金属型精铸技术制造了 F119发动机的第4、5级高压压气机阻燃钛合金导流叶 片。该公司还打算探索金属型精铸工艺用于制造转子叶片（含风扇叶片）的可能 性。大型整体结构件精铸工艺方兴未艾航空用钛合金领域近期工程化发展中最耀眼的亮点当属大型整体结构件 熔模精铸工艺。美国和我国一些先进发动机都

21、用该工艺制造了整体机匣。更引人 注目的是，由Ti-6Al-4V合金制造的F/A22垂尾方向舵作动筒支座等6个大型整 体结构件和V22倾转旋翼飞机的转接座都采用了该新型精铸工艺。以V-22转接 座为例，原来由43个零件和536个紧固件装配而成。改为整体精铸件后则由3 个零件和32个紧固件装配而成，既显著缩短了生产周期（加工和安装时间减少 62%）和减轻了结构重量，又降低成30%。F/A22上最大的两个整体精铸件是机 翼与机身侧边连接的两个Ti-6Al-4V接头（加工后成品重量分别为87kg和 58kg）。如此关键的零件都敢选用铸件主要靠关键技术及其显著的效果。三大关 键技术：一是高水平和准确的计

22、算机模拟技术，二是热等静压技术（包括大型装 备），三是新型的P热处理技术。显著的效果是往往能一次成功地研制出形状尺 寸、组织性能、冶金质量均获得精确控制的大型复杂精铸件，其许用应力和安全 可靠性可等同于锻件。2.钛合金在船舶业中的应用钛合金用于舰船工业始于上世纪60年代，目前美国、俄罗斯、日本、中国、 英国、法国和德国等国家均有广泛应用。1.国外船舶用钛情况俄罗斯在船用钛合金的研究和实际应用方面是全世界最先进的，拥有专门的船 用钛合金体系，已形成系列强度级别的船用钛合金产品。有船体用钛合金n t -1 M，船机用n T -7M，动力装置用钛合金O T 4-1B和n T -3B等，强度级别（。

23、b ）分别为 490MPa、585MPa、700MPa、835MPa。美国对舰船用钛合金也进行了大量的工程研究，成功地将钛用于各种动力的 潜艇、水面艇、民用船的耐压壳体、海水管路系统、冷凝器和热交 换器、排风扇的叶片、推进器、弹簧以及消防设备。日本船用钛合金主要有纯钛、Ti-6Al-4V （ELI）等，应用于民用渔船、深 潜器的耐压壳体等。1981年开始的系列深海潜水调查船“深海2000”、“深海 4000”、“深海6500”的外壳骨架、均压容器、配管等采用了钛合金，目的是为 了增加下潜深度。2 .中国船舶用钛情况我国船用钛合金的研究与应用始于60年代，几乎与国外同步发展。几十年 来，船用钛合金的研究及应用水平有了很大提高，已经形成了较完整的船用钛合 金系列包括635MPa、685MPa、730MPa、785MPa强度级别的合金。“蛟龙号”深潜 器的耐压壳体就是TC4钛合金。但与国外相比，我国船用钛合金的应用还有较大的差距：应用部位少、用 量少，国外用钛达到13%，我国仅在一些零星部件上应用，比例不足1%。品种、 规格不完善，我国之前钛材在专业化工厂生