钛合金锻造技术

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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 , 将 其 更 名 为 “ Titans”卢 森 堡 Wilhelm Justin Kroll( 被 称 为 钛工 业 之 父 ) , 用 Ticl 4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IV B 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 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 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 钛合 金 叶 片盘 件蒙 皮叶 片机 匣蒙 皮 成 品31 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 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 2 3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 稳 定 元 素 偏 析 , 因 局 部 稳 定 元素 偏 高 而 形 成 斑 点 。斑 点间 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 素 的 基 本 特 征同 素异构转变 TitaniumAlloys TiAlAlloysSuperalloys RefractoryMetals and IntermetallicsMg Al Single CrystalSuperalloysSpecific Strength (MPa/(Mg/m3 ) 50100150200250 Temperature (C)200 700 1200 1700CMC 2008-09-09钛的基本特征钛 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 钛的合金化原理中 性 型 稳 定 化 型 稳 定 化 型 同 晶 型 共 析 型Zr Hf Sn Al Ga GeO N C Mo V Nb Ta Fe Mn Cr CoNi Cu Si H 2008-09-09 钛的合金化原理完整的Ti-Al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 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 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 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 响细 小 粗 大 性 能 片 层 状 等 轴 状 弹 性 模 量 +/-( 织 构 )+ - 强 度 - + - 塑 性 - +- + 断 裂 韧 性 + -+ - 疲 劳 裂 纹 萌 生 - +- + 疲 劳 裂 纹 扩 展 + - + 蠕 变 强 度 + -+ - 超 塑 性 - + - 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 异性 能 +密 度 + + -强 度 - + +塑 性 -/+ + +/-断 裂 韧 性 + -/+ +/-蠕 变 强 度 + +/- - 性 能 +腐 蚀 性 能 + + +/-氧 化 性 能 + +/- -可 焊 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 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 T T相 变 5 10 , 准 锻 , 网 篮 组 织T T相 变 10 15 , 近 锻 , 三 态 组 织 ( 10 20 等 轴 、 50 60 片 层 构 成 的 网 篮 组 织 和 转 变 基 体 )T T相 变 , 锻 , 网 篮 魏 氏 组 织T T 相 变 30 50 , 两 相 锻 ( 常 规 锻 造 ) , 等 轴组 织 2008-09-09 钛合金锻造基础 去除表层厚度(mm ) 棒 材 直 径 ( mm)235 50锻 棒挤 压 棒 材 车 床 上 切 割砂 轮 切 割圆 盘 锯 切 割 圆 盘 锯 片 厚 度 28mm, 适 宜 切 割 较 大 棒 料 , 进 刀 量 小 ,能 获 得 较 洁 净 的 端 面阳 极 切 割 切 口 宽 度 不 超 过 3mm, 切 耗 少 、 生 产 率 低锤 上 或 水 压 机 切 割 需 将 棒 料 预 热 , 工 业 纯 钛 可 冷 态 剪 切适 于 切 割 直 径 小 于 60mm的 棒 材 , 切 割 效 率 高 , 但 砂片 寿 命 较 短 车 切 速 度 mm/min 进 刀 量 mm/周钛 合 金 车 切 2500030000 0.20.3扒 皮 去 层 1500020000无 层 Ra=0.632.5 0.080.1Ra=1.255 0.10.2Ra=2.510 0.30.4注 : R a: 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 玻 璃 粉 编号 氧 化 物 含 量SiO2 Al2O2 B2O2 Na2O CaO MgO1 5761 - 1718 1820 45 -2 61 3 1 15 6 -3 40 5 35 5 5 -4 55 14 13 2 16 -5 34 1.7 35 17 7.5 4.86 54 5 8.5 27.5 5 -玻 璃 No. 玻 璃 润 滑 剂 在 下 述 温 度 下 的 黏 度800 900 1000 1050 11001 136400 5234 784 - 1852 1067950 50030 6507 - 13273 437350 22690 3156 - 7084 - 100000 10000 7400 45005 - 30 15 12 -6 - 1000 80 50 -注 : 玻 璃 润 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 钛合金锻造基础清 理 氧 化 皮 的 清 除 壳 层 的 清 除 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 清 除 壳 层熔 盐 除 锈 熔 盐 除 锈1号 溶 液 清 洗 中 和 酸 洗2号 溶 液 清 洗 酸 洗3号 溶 液 清 洗 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 20 502 52 5425 510室 温50 6060%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 相次 生 相晶 界 相转 变 组 织 晶 粒 2008-09-09 钛合金的常用术语原 始 晶 粒 集 束 2008-09-09 钛合金的常用术语其 他 术 语 参 见 GB8755-1988谢 谢 !
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