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钛合金锻件的应用领域与锻造技术

发布时间 :2020-12-10 09:30:45 浏览次数 :

在各种钛合金制品的应用中,钛锻件多被用于气轮机压缩机盘以及医用人工骨等要求高强高韧高可靠性的场合。因此,对锻件不仅要求尺寸精度高,而且要求材料具有优良的特性和高的稳定性。为此,在钛锻件的制造过程中要充分发挥钛合金特性,以获得高质量的锻件。钛合金属难锻材,易产生裂纹。所以钛合金锻件生产中最重要的就是对锻造温度和塑性变形进行适当的控制。

1、钛合金锻件的应用领域

1)宇航领域

世界上50%的钛材都用于宇航领域。军用飞机的机体30%使用钛合金,民用飞机中钛的用量也在逐渐增加。据报道,波音787飞机的用钛量已经达到15%以上。机体用钛合金的代表是Ti-6Al-4V合金,可靠性最高。近β型高强高韧钛合金Ti-10V-2Fe-3Al已应用于波音777飞机的起落架部件中,A380已经在探讨使用Ti-10V-2Fe-3Al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7m的最大的钛合金锻件。在飞机发动机中,钛合金也是不可或缺的材料,主要用于使用温度在853K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。使用的钛合金有Ti-6Al-4V,Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo,Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4MbTi-17) , Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si等。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入泵的入口段。这些部位大多使用低温韧性极佳的低间隙元素型Ti-5Al-2.5SnELI合金。

钛合金法兰

2)发电用汽轮机叶片

火力发电的蒸汽轮机增加叶片长度是提高发电效率的一个有效措施,但叶片加长会增大转子的负荷。使用钛合金锻件作叶片就可以减轻负荷,在高速旋转的汽轮机末段使用1m长的Ti-6Al-4V合金叶片,在1991年就已经实用化。

2、钛合金的锻造技术

在钛合金的热加工中,加热温度至关重要。温度越低变形抗力越大,且易产生裂纹等缺陷。同时对变形速度也有很大的依赖性,这些都是锻造中应该特别注意的地方。钛合金精密热模加工过程中,使锻模的温度加热到与锻件相当或更高,可以抑制锻造中锻件温度的降低。由于该方法变形能力高,用较少的加热次数就可以锻造出更薄壁的精密锻件。但这种方法要使用价格昂贵的Ni基或Mo基高温合金,且生产效率较低,所以在经济性上面临较大问题。

钛方块

1)发动机盘件的锻造技术

飞机发动机用盘件,要求高的疲劳强度和断裂韧性。在700K左右中温区域使用Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金锻件。传统的加工方法是在a-β区锻造,其组织为β相和等轴a晶粒及细小的针状a两相组织,断裂韧性值较低。为改善这一点,开发了在β区加热的β锻造法。β锻造法是在β相变温度之上加热锻造,会产生再结晶,所以锻造温度和加工变形对材料特性有

很大影响,不允许锻造中进行再次加热而停止变形。因此,β锻造中必须严格控制锻造温度和变形量。对于Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金,加工温度在10731323K范围内,且要有足够的加工变形量。

其锻件组织全部为针状,断裂韧性值由原先的30MPa*m 1/2提高到50MPa*m 1/2 

2)涡轮机叶片锻造技术

涡轮机叶片很薄,在锻造过程中温降很快,一般都用压下速度快且单次加工能量大的螺旋压力机进行锻造。锤锻时,因叶片形状扭转产生打击横向力,故模具要精确设计。现在正在开发有效利用上下打击能量进行叶片表面成形的工艺,先进行平面锻造,再弯曲成形,最后再精锻成形。

3)环件制造技术

发动机风扇外壳及压缩机壳等都使用了大型的Ti-6A1-4V合金轧制环件。对于材料费用相对较高的钛合金制品,降低材料的投入量对于降低成本非常有效,尤其是近净成形技术更为有效。以V2500发动机风扇外壳为例,与环件切削加工相比,近净形件的材料用量减少55%以上。

厚环件加工时,为避免产生裂纹,要尽可能给予压应力,而且要注意组织的控制和加工时环件的温降。

钛合金环

总之,钛合金锻件的生产,要在合适的加工温度,适当变形才能获得高质量锻件。

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