钛合金材料锻造方法（航空工业中钛合金锻造工艺分析及应用实例）

钛合金材料锻造方法（航空工业中钛合金锻造工艺分析及应用实例）下两相区锻造一般是在β转变温度以下40～50℃加热锻造 此时初生α相和β相同时参与变形。变形温度愈低 参与变形的α相数量愈多。与β区变形相比 在下两相区域β相的再结晶过程急剧加快 再结晶形成的新的β晶粒不仅沿变形的原始β晶界上析出 而且在β晶界内和α片层间的β中间层内出现。经这种工艺生产的锻件强度很高 塑性较好 但其断裂韧性与蠕变性能还有很大潜力。2.1.1 下两相区锻造根据室温显微组织 钛合金可分为三种类型:α型合金、α β型合金和β型合金 其中α和α β型合金的热塑性与变形速度关系不大 而β型合金有良好的可锻性但温度过低可能引起α相沉淀。钛合金的锻造工艺按锻造温度与β转变温度的关系 分为常规锻造与高温锻造。2.1 钛合金的常规锻造常用变形钛合金通常都是在β转变温度以下锻造的 称为常规锻造。根据坯料在(α β)相区加热温度的高低 可细分为上两相区锻造与下两相区锻造。

【能源人都在看，点击右上角加'关注'】

航空工业中钛合金锻造工艺分析及应用实例

随着我国国民经济、科学技术的大发展 航天、航空工业近年迎来了新的发展契机 尤其在国家“大飞机”项目立项后 民用航空制造产业将成为引领国民经济发展的新的经济增长点 有着广阔的发展前景。民用航空制造企业为了不断提高飞机的先进性、可靠性、适用性 增加国产飞机的国际市场竞争力 对航空制造材料的选择要求越来越高;钛合金的主要特点是比重小 强度高 同时具有良好的耐热、耐腐蚀性能 成为现代飞机受力构件的主选材料 大大减轻了飞机重量 其中TC4和TB6钛合金锻件在航空制造中应用较多。

TC4钛棒

2、钛合金及锻造工艺的分类

根据室温显微组织 钛合金可分为三种类型:α型合金、α β型合金和β型合金 其中α和α β型合金的热塑性与变形速度关系不大 而β型合金有良好的可锻性但温度过低可能引起α相沉淀。钛合金的锻造工艺按锻造温度与β转变温度的关系 分为常规锻造与高温锻造。

2.1 钛合金的常规锻造

常用变形钛合金通常都是在β转变温度以下锻造的 称为常规锻造。根据坯料在(α β)相区加热温度的高低 可细分为上两相区锻造与下两相区锻造。

2.1.1 下两相区锻造

下两相区锻造一般是在β转变温度以下40～50℃加热锻造 此时初生α相和β相同时参与变形。变形温度愈低 参与变形的α相数量愈多。与β区变形相比 在下两相区域β相的再结晶过程急剧加快 再结晶形成的新的β晶粒不仅沿变形的原始β晶界上析出 而且在β晶界内和α片层间的β中间层内出现。经这种工艺生产的锻件强度很高 塑性较好 但其断裂韧性与蠕变性能还有很大潜力。

2.1.2 上两相区锻造

它是在β/(α β)相变点以下10-15℃的温度下始锻。其变形后的最终组织含有较多的β转变组织 可提高组织的蠕变性能和断裂韧性;使钛合金塑性、强度、韧性兼得。

2.2 钛合金的高温锻造

也称为“β锻” 分为两种:第一种是坯料在β区加热 在β区开始并完成锻造的工艺方法;第二种是坯料在β区加热 在β区开始锻造 并控制很大变形量在两相区完成锻造的工艺方法 简称为“亚β锻”。与两相区锻造相比 β锻造能得到较高的蠕变强度和断裂韧性 还有利于钛合金周疲劳性能的提高。

2.3 钛合金的等温模锻

该种工艺利用了材料的超塑性及蠕变机理来生产较复杂锻件 要求模具预热并保持在760～980℃的范围内;液压机以预定的值施加压力 压力机的工作速度由毛坯的变形抗力自动调节。由于模具改为加热的 不需要采用那么快的活动横梁去避免急冷。飞机上用的许多锻件都具有薄壁和肋高的特征 故在航空制造中该种工艺得到了应用 如国产某型机的TB6钛合金等温精模锻件工艺。

TC4钛合金棒

3、TC4锻件缺陷分析及工艺改进

3.1 TC4锻件缺陷的出现及分析

某厂按航标进行TC4锻件试生产时 检测出试件几项锻件性能指标不合格 其中“缺口应力断裂”指标小于5小时 针对此问题 首先应从TC4的金相组织形态分析 然后从锻造工艺找原因。

3.1.1 TC4的金相组织形态特征

TC4钛合金属α β型钛合金 组成为Ti―6AL―4V 退火组织为α β相 含有6?的α稳定元素铝 通过固熔强化使α相的强度得到提高 钒稳定β相的能力较小 因此退火组织中β相的数量较少。

TC4合金在不同的热处理和热加工条件下 基本相α、β的比例、性质和形态是很不同的。TC4合金的β转变温度在1000℃左右 若将TC4加热到950℃ 空冷后所得组织为初生α β转变组织;如加热到1100℃、空冷 则得到粗大的完全转变的β相组织 称为魏氏组织。如果加热和变形同时作用 影响更加明显 将TC4合金加热到β转变温度以上 但变形较小 即形成魏氏组织。其组织特征是:塑性、冲击韧性较低 但抗蠕变能力较好。如果开始变形温度在β转变以上 但变形程度足够大 则得到的组织特征是:α相勾划出的β晶界部分被粉碎 条状α相部分被扭曲 称为网篮状组织。其特征是塑性、冲击韧性较魏氏组织好 近似于等轴细晶组织 高温持久和蠕变性能较好。如果加热温度低于β转变温度 且变形程度足够 即得到等轴组织。其特点是综合性能较好 特别是塑性和冲击韧性较高。如果在α β相区高温部分变形后又经高温退火就混合型组织 其综合性能好。

从以上对金相组织的分析可判断若TC4性能下降 可能由锻造过程中两个环节引起:

①加热温度过高 达到或超过β转变温度;

②锻件变形程度不够大。

3.1.2 TC4锻造工艺分析

锻造温度对α β钛合金的β晶粒尺寸与室温性能的影响是随着温度的提高(β相转变以上)β晶粒变大 而延伸率和断面收缩率变小 塑性下降;为了保证TC4锻件具有良好的综合性能 应在β转变温度以下锻造。钛合金变形抗力较高 但导热性较差;锻造时在合金剧烈流动和过重锤击下 产生的变形可能使锻件个别部位温度超过β转变温度 还有变形程度过大、过小等因素都会引起晶粒粗大 使性能下降。综合上述可初步确定可能引起TC4锻件性能不合格的原因:

①该批锻坯加热时温度过高、超过β转变点;

②锻造时单次锤击过重 使单次变形程度过大 引起局部过热和聚集再结晶 使性能下降。

③锻后热处理温度过高 使TC4锻件温度超过了β转变点 形成魏氏组织 降低锻件性能。

3.2 TC4锻造工艺参数改变及试验结果

3.2.1 试验参数的选取和结果

针对以上分析 改变TC4锻造工艺参数(表1)同时锻造时注意轻打快打。(注:下料尺寸￠50×113 锻件尺寸50×65×65)

试验结果:所有性能指标均合格 其中“缺口应力断裂”指标均大于5小时。

3.2.2 试验结果分析

(1)从炉温及始锻温度看 加热温度并没有过高 即使再超过20℃仍可锻出合格件。

(2)试验中采用单次锤击轻打快打 试验锻件性能达标 证明轻打快打是改善锻件性能的一个重要因素。

(3)锻后热处理温度比原参数降低20℃ 也可能是改善性能的一个因素 因为从温度上看 若炉温由于控温偏差达到795℃ 这就超过了生产说明书规定的780℃ 就会导致锻件性能下降。

3.2.3 试验结果验证及结论

为了进一步验证试验结果 又结合生产作了一个试验(表2) 在锤击时仍保持轻打快打的方法;结果锻件检测全部合格 “缺口应力断裂”指标均大于5小时。

试验前后TC4钛合金锻件力学性能见上。通过试验得出结论:在进行TC4钛合金锻件生产时 应严格控制锻造的工艺参数;首先注意锻造中轻打快打 降低单次锤击变形量 其次锻后热处理温度理论值应定在760～770℃范围内 这样才能保证TC4锻件的锻造质量。

钛棒

4、钛合金锻造工艺的发展前景

钛合金的锻造工艺广泛应用于航空、航天制造业 等温锻造工艺已用于生产发动机的零件和飞机结构件上;也越来越受到汽车、电力和舰船等工业部门的欢迎。在国外 钛合金的应用已发展到很高的水平 应用于更高温度的TiAL合金及金属间化合物已被人们所重视 并进行了大量的研究;为了更好地应用这些材料 同时对其变形工艺的也做了许多研究。人们还越来越重视对更高强度的亚β型钛合金的研究。钛合金的应用及锻造工艺的研究仍将是一项热门的课题。

免责声明：以上内容转载自钛之家，所发内容不代表本平台立场。全国能源信息平台010-65367702，邮箱：hz@people-energy.com.cn，地址：北京市朝阳区金台西路2号人民日报社