钛合金锻造工艺及其锻件的应用.pdf(共8页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上DOI:10.14158/ki.1001-3814.2010.23.012金属铸锻焊技术CastingForgingWelding2010 年 12 月钛合金锻造工艺及其锻件的应用张 智 1,2， 巨建辉 2， 戚运莲 2， 杜 宇 2（1. 西安建筑科技大学 冶金工程学院，陕西 西安 ； 2. 西北有色金属研究院 钛合金研究所，陕西 西安 ）摘要： 介绍了钛合金的几种锻造方式，包括常规锻造 、 锻造 、近 锻造和等温锻造 ，以及各种锻造方式对组织和性能的影响。 并对钛合金锻件在各个领域的应用作了综述，对钛合金的锻造工艺作了展望。关键词： 钛合金； 锻造； V 应用中

2、图分类号：TG316文献标识码：A文章编号：1001-3814(2010)23-0034-04Forging Technology of Titanium Alloy and Application of ForgingsZHANG Zhi1,2, JU Jianhui2, QI Yunlian2, DU Yu2(1. School of Metallurgic Engineering, Xian University of Architecture and Technology, Xian , China; 2. Titanium Alloys Research Center, Northw

3、est Institute for Nonferrous Metal Research, Xian , China)Abstract： The main forging technologies of titanium alloy are reviewed， including traditional forging， forging， near- forging and isothermal forgingThe effects of the forging process on the microstructure and mechanical properties of titanium

4、 alloys are studiedMoreover， the application of titanium alloy forgings in various field is summarized， and the forging technology of titanium alloy is expectedKey words： titanium alloy; forging; application专心-专注-专业近年来，钛合金因其高的比强度、优异的耐腐蚀性、良好的生物相容性等优点，迅速发展成为具有强大生命力的新型关键结构材料， 被广泛应用于航空航天、军事工业、石油化工以及医疗卫生

5、等领域1-3。从工业价值和资源寿命的发展前景来看， 它仅次于铁、铝而被誉为正在崛起的“第三金属”4。 由于钛合 金冷变形困难，所以，在使用钛及钛合金的半成品或 成品时， 往往需要把钛锭先经过热加工方法变形至 各种坯料和锻件， 其中锻压加工就是最普遍采用的 一种手段。 另外， 钛合金的热处理制度对其组织不 起决定作用。 因此，锻造工艺不仅可以使锻件在外 形和尺寸上接近成品， 对于改善钛台金组织以及提 高其性能也有着重要的作用5。在钛合金的热加工中，加热温度至关重要。温度 过高，组织容易粗化；温度过低，则合金的变形抗力 大，且易产生裂纹等缺陷，故钛合金的锻造温度范围 较窄 6。 钛合金的锻造按其

6、转变温度可以分为：+ 锻造和 锻造。 近年来又出现了近 锻造、等温锻造等新工艺。收稿日期：2010-07-27作者简介：张智(1984- )，男 ，陕西渭南人 ，硕士 ，主要研究方向 ：钛及钛合金；电话：029-；E-mail：zhangdali12161 钛合金锻造工艺1.1 + 锻造+ 锻造即常规锻造 ，是在相变点以下 30 50 加热、变形（见图 1），常规锻造一般得到的是等 轴组织( 等 + 转)。 其钛合金锻件具有高的塑性和 室温强度，但是高温性能和断裂韧性不好7，如图 2为 TC11 钛合金经过常规锻造后的高倍组织图。 常规锻造由于研究较深入， 操作简单易行， 且成本较 低，因此应

7、用广泛。3050 相转变点温度+ 稳定元素含量 (%)图 1 钛合金 + 锻造相图图 2TC11 合金常规锻造的组织Fig.1 Phase diagram of +Fig.2 General forgingforging for titanium alloymicrostructure of TC11 alloy在（+）区变形过程中同时发生 晶粒和 片形状的变化， 晶粒被压扁， 沿金属流动方向拉长、 破碎，晶界附近与晶内 相间的差别逐渐消失。 当变形程度超过 60%70%后， 己没有任何可见的片 状组织痕迹了。 在一定温度和变形程度下发生再结34Hot Working Technology 2

8、010, Vol.39, No. 23上半月出版CastingForgingWelding 金属铸锻焊技术晶，且 相的再结晶先于 相的再结晶，再结晶后 的 晶粒，呈扁球形状，没有再结晶的 晶粒形状 为盘状、杆状或纤维状。侯会喜8研究了 TC6 钛合金在(+)两相区锻 造时， 变形温度的高低对锻件初生 相含量的影 响。 变形温度越低，初生 相的含量就越多。 由于锻 件的室温力学性能和高温力学性能与初生 相的 含量密切相关，因此，为了确保(+)两相合金具有 最好的综合性能，在进行 TC6 合金锻造时，必须严 格控制变形温度， 使等轴初生相颗粒的总含量在的温度下进行，所以 锻造的最大优点是变形抗力

9、小，锻件精密度高，生产效率和模锻设备寿命都能 得到提高。 锻造得到的大量网篮组织交织的条状 a 不仅 增加了相界面，提高了合金强度与抗蠕变能力，而且 裂纹扩展将随着 片和 集束的位向不断改变方 向，导致裂纹路径曲折，分枝多，因而其断裂韧性较 高，符合现代高损伤容限长寿命钛合金的设计理念。于卫敏等9研究了 Bt25 钛合金不同锻造工艺对 组织和性能的影响。随着加热温度的提高，锻件的室 温和高温强度增加不明显；但是塑性，特别是断面收 缩率明显降低， 尤其是 锻造获得的锻件其室温和 高温下的断面收缩率只有两相区锻造的 13。从表 1的不同锻造工艺的损伤容限性能的对比可知， 锻造的断裂韧度、裂纹扩展率

10、、缺口冲击韧度则大大优于两相区锻造的锻件。表 1 不同锻造工艺下的损伤容限性能Tab.1 Damage tolerance capability under different forging technologies锻造工艺断裂韧性裂纹扩展速率缺口冲击韧性/ (MPam-1/2)/ (mm周次 -1)/ (Jcm-2)常规锻造77.2163.E-12（K）5.83.215 锻造90.9321.E-10（K）4.91.13715%45%。1.2 锻造20 世纪 50 年代后期 ，Groan 等人提出相变点 以上 锻造理论， 锻造是指钛合金完全在 相的 较高温度下进行的锻造（图 3）。 锻造得到

11、的是网 篮组织， 如图 4。 TC11 钛合金和 IMI679 合金 锻造的组织，为典型的网篮组织。 与常规锻造相比，经 锻造后 ，提高了材料的抗蠕变能力 、断裂韧性和 抗冲击韧性， 但是明显降低了塑性和热稳定性，导致“ 脆性”和“组织遗传性”。 由于锻造在 相较高1.3 近 锻造近 锻造10是由周义刚于 80 年代提出的，其原 理是将坯料置于相变点以下 1015 加热（图 5）、锻造、锻后水冷，随后，进行高温韧化和低温强化处 理。 相变点以下 1015 锻造会产生大约 20%的等 轴组织。快速水冷可利用形变热处理的作用，增加结 晶核心、 储存变形能和变形产生的晶体缺陷， 获得 短、细、乱的

12、转变组织。 热处理时，加热温度接近 相变点可有效调节材料组织中的等轴 相和 转变组织的相对含量。 由此铸就了约含 20%等轴、50%60%条状初生 构成的网篮和转变 基体组成的 三态组织。 其中 20%左右的等轴 晶粒足以起到变 形协调作用，而研究表明，等轴组织超过 20%不会相转变点近 锻造温度 +Ti 稳定元素含量 (%)图 5 钛合金近 锻造相图示意Fig.5 Phase diagram of near- forging for titanium alloy热加工工艺 2010 年第 39 卷第 23 期35金属铸锻焊技术CastingForgingWelding2010 年 12 月对

13、合金的性能有明显的提高；50%60%网篮交织 的条状 ， 降低了滑移的平均自由程使滑移带间距 减小， 位错线分布均匀， 没有局部严重位错塞积现 象，从而推迟了空洞的形核和发展，显示出不低于等 轴组织的水平。但是由于近 锻造是在相变点以下 1015 进行锻造， 所以控制加热锻造温度就成了最大的技 术难点。 由于材料化学成分的不均匀加热炉炉温 的不均匀性和锻造过程中产生的热效应， 都会影响 加热锻造温度。周义刚11等对 TC11 合金进行了近 锻造的研 究。TC11 合金的相变点为 1015 ，近 锻造在相 变点以下 1015 ，即在 990995 进行。 锻后进 行 快 速 水 冷 ， 锻 件

14、采 用 950 /1 h AC+ 950 / 1.5 h FC+530/6 h AC 处理 , 获得约含 20% 等轴 相，5060%条状 构成的网蓝和 转变基体组成 的三态组织。 TC11 钛合金近 锻造后典型的三态组织如图 6 所示。图 6 TC11 钛合金近 锻造后的组织Fig.6 Near- forging microstructure of TC111.4 等温锻造等温锻造是一种先进的加工工艺， 可以使钛合金等难变形材料在相对恒温的变形温度下， 以极低 的变形速率，一次成形得到形状复杂的精密锻件。采用该工艺成形的锻件仅需少量的机械加工即可装配 使用，材料利用率高，且由于工艺可控性好，

15、变形均 匀，锻件的组织性能更加稳定和均匀，批量生产时， 具有显著的经济效益12。 与常规锻造相比，等温锻造 钛合金有以下优点：等温锻造可实现精密锻造，锻造载荷较小，模具磨损小。 容易控制加工参数，可获得均匀一致的微观组织，较少出现粗大晶粒，能够 获得 20 %30 %球状 a 相，故其力学性能与常规锻 造相当或优于常规锻造的产品。 等温锻造工艺还 可减小或消除模具激冷和材料应变硬化的影响，显著降低变形抗力，提高坯料的成形性能。 因此，等温锻造工艺已成为当前国内外钛合金锻件生产工艺的重要发展方向13-14。目前发达国家等温锻造硬件都已相当成熟，如温控器、 常应变率控制器和计算机反馈系统等。 我国

16、对等温锻造的研究起步比较晚，20 世纪 70 年代 末期首先由北京航材院对 TC9 钛合金的整体涡轮 盘进行了等温锻造实验。 经过几十年的发展， 等温 锻造逐渐在我国的航空航天工业上得到应用。 于卫 敏等人采用等温锻造工艺，在 3000 t 液压机上，利用 两相区锻造方法，两次锻造，成功试制出 BT25 钛合 金精密锻件第四、第五级高压压气机盘，锻件的各项 性能指标全部满足技术条件的要求，且锻件的组织和 性能稳定。 宝钢集团上海五钢有限公司庞克昌等人运 用等温锻造技术生产出表面光洁、 外形精确的 TC11钛合金收敛段、扩张段，TC4 钛合金翼芯、气瓶等航天 精密优质锻件；中国南方航空发动机械公

17、司等温锻造 课题组采用等温锻造技术成功锻造出了压气机 12级盘，支撑架、前轴承座、风扇整流器内环、指针和摇 臂等合格的锻件；贵航集团安大锻造公司成功生产出 组织性能均匀、变形抗力小、工艺可控性好、成形性 好、锻件的质量稳定性好的高温合金锻件15。2 钛合金锻件的应用21 航空航天方面钛合金锻件已经广泛地应用于航空、 航天制造业中。近 型高强高韧钛合金 Ti1023 已应用于波音777 飞机的起落架部件中， 使得波音 777 飞机上的 钛用量几乎翻了一番， 每架飞机减重近 270 kg。 A380 已经在探讨使用 Ti1023 合金大型锻件作为主 起落架的传动装置。 若能实用，这将是长达 7 m

18、 的最 大的钛合金锻件。 俄罗斯也将 BT22 钛合金锻造构 件应用在了 Su-27、IL-76、IL-86、IL-96，安 -124 和图-204 等主干线客机和重型运输机的机体和起落架 的大型承力构件和部件中16。 在飞机发动机中，钛合 金锻件也是不可或缺的材料， 主要用于使用温度在853 K 以下的风扇和压缩机零件。 典型的使用部位 有风扇叶片、外壳、盘件，压气机叶片、盘件、短轴、外壳等。 我国研究人员经过先采用 锻造得到一个网 篮（条状）组织的叶盘预制坯件，再通过控制变形量， 使叶盘预制坯件外缘（叶片部位）局部大变形以球化 条状 获得等轴组织， 得到了叶片为等轴组织，轮Hot Work

19、ing Technology 2010, Vol.39, No. 2336上半月出版CastingForgingWelding 金属铸锻焊技术盘为网篮组织的发动机整体盘件，如图 7 所示。在航 天领域， 钛合金锻件被用于火箭及卫星推进发动机 的燃料箱、姿控发动机外壳、液体燃料涡轮泵的叶片 和吸人泵的入口段。 通常使用的卫星推进系统成品 油箱的壁厚不到 1 mm， 由 25 mm 厚的半球形壳体 锻件加工而成。图 7 发动机整体叶盘Fig.7 Impeller of engine22 其他方面使用钛合金锻件作为火力发电的蒸汽轮机叶 片， 可增加蒸汽轮机的叶片长度， 从而提高发电效 率，减小转子的

20、负荷。 早在 1991 年就已经把 1 m 长的 Ti-6Al-4v 合金叶片应用在了高速旋转的汽轮机 末段。在体育器材方面，钛合金锻件可用于高尔夫球 杆上，由于 型钛合金锻件的强度高，从而可以采 用板厚低于 3 mm 的锻件充当击球面， 使得弹性击球面通过 较长的冲击作用时间来储存或 释放能量以缓和冲击， 从而球 员不需要用力挥棒便可将球击 得很远。 钛合金高尔夫球杆击 球面锻件如图 8 所示。 此外，钛合金锻件在海洋和近海领域、 图 8 钛合金高尔夫球杆击球面锻件汽车工业、 建筑业和医疗器械 Fig.8 Golf head of 业中都有较广泛的应用。 titanium alloy3 结束

21、语随着钛合金越来越多的应用于各个领域， 钛合金锻造工艺作为钛合金重要的加工手段， 也将在钛合金的生产中变得越来越重要。 由于我国的钛合金 加工起步较晚，跟国外发达国家还有不少的差距。目前，国内的钛合金锻造还是主要以常规锻造为主。由于温控等技术方面的原因， 近 锻造虽然有研究，但真正的应用还十分有限； 由于成本太高以及等温 模具的寿命太短等问题， 等温锻造仅仅应用在航空 航天等关键领域。不过随着对近 锻造等新型钛合金锻造工艺 的研究，并且正在加以应用。 CADC AEC AM 一体 化、 人工智能技术和有限元技术为钛合金的等温模 锻注入了新的发展活力，不仅可以降低成本，而且使 成形复杂形状的精密

22、锻件成为可能。 热模锻造作为 另一种近净成形手段， 有着与等温锻造钛合金相似 的优势， 而成本要明显低于后者， 因此具备很大的 发展潜力。随着钛合金锻造工艺难题的解决，钛合金 锻件必将有越来越多的应用。参考文献：1 李文平， 钛合金的应用及发展前景 J 轻金属，2002(5)：53-552 王金友，葛志明，周邦彦航空用钛合金 M上海：上海科 技出版社，19853 曹春晓，钛合金在大型运输机上的应用J稀有金属快报，2006，25 (1)：17-214 黄伯云，李成功，石力开中国材料工程大典-有色金属材料 工程(上)M北京：化学工业出版社，2006.5 张行健，吕宏军，王琪，等钛合金模锻工艺的研究

23、进展J材料导报 2007，(21)：95-986 张喜燕，赵永庆，白晨光钛合金及应用M北京：化学工业 出版社，2005175-1767 周义刚，张宝昌钛合金近 锻造研究J航空学报，1989，(1)：61-668 侯会喜 钛合金锻造成形过程热力参数与微观组织研究 D 西安：西安理工大学，20079 于卫敏，吴跃江，潘跃进锻造温度对 BT25 钛合金组织和性 能的影响J热处理，2009，(24)：36-4010 周义刚，曾卫东， 俞汉清近 锻造推翻陈旧理论发展了三 态组织J 中国工程科学， 2001，3(5)：62-6611 周义刚 TC11 钛合金强化和韧化工艺 J 稀有金属1997，21（Suppl.）：172-17412 郭鸿镇合金钢与有色合金锻造M西安：西北工业大学出 版社，199913 丁平平，杨屹，刘剑，等钛合金等温锻造工艺优化研究J锻压技术，2009，(6)：121-12314 于卫敏，周建华，庞克昌，等BT25 钛合金压气机盘等温精锻 件的研制J上海钢研，2006，(1)：35-3815 周建华，庞克昌，王晓英航天用钛合金等温锻件的研制J上海航天，2003，(6)：54-5816 王乐安难变形合金锻件生产技术M北京：国防工业出版 社，2005热加工工艺 2010 年第 39 卷第 23 期37