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航空钛合金材料加工方法和工艺
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航空钛合金材料加工方法和工艺

发布时间 :2020-09-18 06:00:16 浏览次数 :

1、钛及钛合金传统加工方法

钛及钛合金加工的传统方法主要有铸锭冶金(或塑性加工)、铸造和粉末冶金3种。钛及钛合金铸锭冶金的工艺方法是将海绵钛、中间合金或纯金属熔铸成铸锭,再冷热加工成钛材。铸锭加工方法包括锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压和旋压等,其中锻造是必不可少、最基本,也最重要的方法,其次是轧制,少部分钛材是挤压和拉拔成材的,旋压属于补充方式,使用最少。这5种钛材铸锭加工方法各有其特点,具有互补性。在钛及钛合金材料加工过程中,如果一种方法不够,则可以通过几种方法加工制成各种形状和规格的钛合金成品或半成品。钛合金的塑性加工具有变形抗力大、塑性低、屈服强度和抗拉强度比高、回弹大、对缺口敏感、变形过程易与模具黏结、高温加热时易氧化等特点,钛合金塑性加工比钢、铜和铝困难。

钛合金棒

2、钛合金铸锭加工工艺

1)锻造

由于钛合金显微组织容易受到加工变量的影响,显微组织控制是钛合金成功加工的根本,因此锻造的主要目的之一是获得钛材的综合力学性能。钛及钛合金锻造按照加热温度可分为:低于β转变点的(α+β)锻和高于β转变点为主的β锻。在(α+β)区的加工温度越高,冷却时可转变的β相越多。截面尺寸要求是重要的,加工操作的次数是多次,常规锻造要求两次或三次操作,而等温锻造只要求一次。(α+β)锻造对显微组织的影响是累积的,尤其α形貌的变化,因此,每一次成功的(α+β)加工操作对前面操作得到的组织产生变化。锻造期间β合金中的α相转变是不普遍的,因此β合金的典型锻造在β转变点以上。

β锻是一种大部分或全部锻造加工在高于β转变点以上温度完成的锻造技术。β锻合金的组织为转变的β或针状显微组织。尽管β锻后的屈服强度通常不如(α+β)锻造的高,但缺口拉伸强度和断裂韧度比较高。因此,β锻用于提高高温性能和与断裂有关的性能,如蠕变抗力、断裂韧度、疲劳裂纹扩展抗力。事实上,多个近期研制的α合金是设计成β锻,以获得理想的力学性能。与(α+β)锻相比,β锻通常在强度和塑性有损失。β锻加工对显微组织的影响不是累积的;高于β转变点的每一个加工一冷却一重新加热循环,前面加工的影响至少是部分损失,因为高于合金β转变点温度加热引起再结晶。B锻在锻造单位压力具有明显的降低和降低开裂倾向,但必须严格地控制锻造加工条件,以避免不均匀的加工、晶粒急剧的增长或较差的加工组织,所有的条件可能造成锻件或相同锻件的批次与批次之间力学性能是发生较大变化。

应变速率的影响:钛合金在锻造加工中是高应变速率敏感的。β和近β钛合金的锻造温度下的应变速率敏感性更高。然而,α和α-β合金的应变速率敏感性相对较小。钛合金常规锻造中,通常采用中间应变速率,以便获得最佳变形可能。采用快速应变速率锻造技术,如锤或机械压力机锻造,锻造期间的变形热变得很重要。由于钛合金有相对较差的热导率,温度不平衡可能产生,因此在钛合金快速锻造中,金属温度要经常调整到考虑锻造过程温升,或控制锻造过程,减小温度升高。

热模锻和等温锻:模具温度明显高于常规锻造加工的模具温度。这有降低模具冷效和能产生近净形和净形零件的优点,因此这些加工也称为近净形锻造加工。这些加工技术主要用于钛合金制造的飞机结构件和发动机零件上。

钛合金管

在等温锻造加工中,模具温度与金属锻坯的温度相同。这可以完全消除模具冷效现象,维持锻坯在锻造过程中的恒定温度。这种加工允许相当慢的应变速率的应用,因此利用流变应力的应变速率敏感性,能生产净形锻件,容易应用于没有机械加工或少量第二次机加工的净形锻件生产。

热模锻加工的特征为模具温度高于常规锻造模具温度,但低于等温锻造模具温度,典型的热模锻的模具温度比锻坯温度低110℃~225℃。与等温锻相比,较低的模具温度允许较宽的模具材料的选择,也能够具有制造很薄和复杂形状的能力。用于热模锻和等温锻的钛合金包括Ti-64、Ti-6242和Ti-1023。

2)轧制

轧制工艺是一种生产钛和钛合金板棒管材和型材等产品的常用工艺。采用轧制工艺生产的钛合金表面质量较高,内部质量稳定,尤其是可以生产薄壁、变截面型材。近年来发展了多种新型轧机,如钛合金环轧机设备,根据轧制中环形件位置分为立式轧环机和卧式轧机;根据轧制方式又可分为径向环轧机和径向一轴向环轧机。

3)挤压

挤压工艺也是一种生产钛及钛合金棒材、管材和型材等产品的最常用的方法。按金属流动及变形特征分类,挤压可分为正向挤压、反向挤压和特殊挤压。挤压最基本的方法是正向挤压和反向挤压;特殊挤压包括静液挤压、连续挤压、包套挤压、粉末挤压和液态挤压等。按挤压温度分类,挤压可分为热挤压、温挤压和冷挤压。温挤压发展比较晚,目前应用范围比较小。挤压法适合于批量小、品种与规格繁多的钛合金管棒型材和线坯的生产。对于截面复杂或薄壁的管材和型材、直径与壁厚之比趋近于2的超厚壁管材,挤压法是一种理想的塑性加工方法。对于难变形的、脆性大的钛合金材料, 如阻燃钛合金、TiAl基金属间化合物,包套挤压法是最切实可行的压力加工方法。

钛合金板

4)拉拔

随着钛及钛合金的应用扩大,近年来出现了许多新的拉拔工艺,如辊模拉伸、超声振动拉伸、无模拉伸、镀层一包套集束拉伸工艺等。辊模拉伸是将坯料从旋转的两个辊间隙中拉出来,其优点是可以增加道次压缩量,减小拉伸过程的动力消耗,延长工具的使用寿命。无模拉伸工艺是采用感应线圈或激光使钛材局部加热软化,并施加张力使钛材变细,优点是不需要拉模和润滑剂、变形速率大、效率高。应用镀层-包套集束拉伸工艺首先将钛丝表面镀一层低碳钢,再将带镀层的钛丝装人低碳钢管内,然后进行集束加工和中间退火,最后用硫酸去除低碳钢包套和镀层。此工艺可生产5pm~30um规格的钛合金超细丝。

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