钛合金论文.doc
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1、钛合金刘工艺 200806102摘要:介绍了钛合金的发展现状、特性、铸造工艺性能及其热处理,阐述了钛合金的生产技术及其应用,对钛合金的发展趋势进行了展望, 认为钛合金具有巨大的应用潜力。关键词:钛合金; 发展现状; 特性; 铸造工艺性能; 热处理; 应用; 发展方向钛合金的发展现状钛及钛合金所具有的密度小、高比强度、耐高温、耐腐蚀、无磁、透声、抗冲击振动等良好的综合性能,为钛及钛合金在各个工业领域开辟了广阔的应用前景。近10年来, 钛及钛合金越来越多地用于化工机械、船舶工业、汽车工业、石油天然气工业, 以及食品、医疗设备等工程。对于钛合金, 精密铸造是最成功也是应用最广泛的近终成形制造技术,
2、它可显著提高原材料的利用率(可达75% 90% ), 降低加工成本。特别是20世纪70年代末以来, 热等静压技术广泛应用于钛合金铸件, 使得某些铸造缺陷得以消除,钛合金铸件的力学性能及其稳定性明显改善, 促使钛合金铸件在宇航工业中取得了广泛的应用。由于钛在液化状态时化学活性非常高, 钛与气体和所有制模成形用的难熔材料都有很高的活性, 因此, 钛合金铸造成形工业化的生产晚于变形钛合金和变形工艺。要掌握钛合金的熔炼技术难度较大。目前, 在俄罗斯和西方一些国家, 实际上还没有开发研制出专门用于复杂结构的铸造钛合金, 而是采用一般工业化钛合金制造技术, 既生产铸造钛合金, 又生产变形结构钛合金和高温钛
3、合金。自海绵钛工业化以来, 钛在工业上的广泛应用推动了钛工业的迅速发展, 钛的生产能力正在逐年提升, 并将陆续超过铅、锌、铜成为名副其实的第三金属。世界上已探明的钛资源(以T iO2 计)共有24.84亿吨, 具有经济开采价值的探明储量(经济储量)13.82亿吨。然而, 由于冶炼困难, 必须使用氯气与惰性气体, 或者在真空中进行, 海绵钛的生产国至今仍限于日本、美国、俄罗斯和中国。目前, 由于国际紧张局势的缓和和军备缩减, 使军用飞机的钛需求量减少, 但民用客机今后可望继续增长。要使钛业得以生存, 普遍认为还是要扩大飞机以外的一般用途。近十几年来, 随着钛工业的发展,钛及钛合金已由军用逐渐转向
4、民用, 由航空工业逐渐转向一般工业。钛合金的性能钛是一种新型金属,钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关,最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1,但其强度低、塑性高。99.5工业纯钛的性能为:密度=4.5g/cm3,熔点为1725,导热系数=15.24W/(m.K),抗拉强度b=539MPa,伸长率=25,断面收缩率=25,弹性模量E=1.078105MPa,硬度HB195。 (1)比强度高钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右,仅为钢的60,纯钛的强度才接近普通钢的强度,一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,见表7-1,可制出单位强
5、度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。 (2)热强度高使用温度比铝合金高几百度,在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450500的温度下长期工作这两类钛合金在150500范围内仍有很高的比强度,而铝合金在150时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500,铝合金则在200以下。(3)抗蚀性好钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作,其抗蚀性远优于不锈钢;对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强;对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。(4)低温性能好钛合金在低温和超低温下,仍能保持其力学
6、性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253下还能保持一定的塑性。因此,钛合金也是一种重要的低温结构材料。(5)化学活性大钛的化学活性大,与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2时,会在钛合金中形成硬质TiC;温度较高时,与N作用也会形成TiN硬质表层;在600以上时,钛吸收氧形成硬度很高的硬化层;氢含量上升,也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.10.15 mm,硬化程度为2030。钛的化学亲和性也大,易与摩擦表面产生粘附现象。(6)导热系数小、弹性模量小钛的导热系数=15.24W/(m.K)约为镍的1/4,铁的1/5
7、,铝的1/14,而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50。钛合金的弹性模量约为钢的1/2,故其刚性差、易变形,不宜制作细长杆和薄壁件,切削时加工表面的回弹量很大,约为不锈钢的23倍,造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。 钛及钛合金的铸造工艺性能由于钛和钛合金的化学活性高,易与空气中的N、O、N发生剧烈化学反应,且易与铸造中常用的耐火材料发生化学反应。钛和钛合金的铸造,特别是熔模精铸要比铝和钢的熔模精铸难度大得多,需借助特殊手段才能实现。铸钛发展初期,由于铸造工艺的发展落后于压力加工工艺,因此,先选用已有一定变形的中强钛合金,如Ti6Al4V,Ti5Al2.5Sn等作为铸造合金材料。
8、这些合金至今还在广泛应用。但随着铸钛工艺的发展和应用领域对铸造钛合金各方面性能要求的提高,以及铸件结构复杂程度的加大,过去那种认为“所有的变形钛合金都适合用作铸造合金”的论点应加以修正。随着合金使用温度和工作强度的提高,合金中所添加元素的数量和加入量也相应增加,但同时必须考虑到合金的铸造性能、流动性凝固区间结晶组织、力学性能等等,即合金的化学成分必须根据铸造工艺的要求进行调整。钛合金的热处理常用的热处理方法有退火、固溶和时效处理。退火是为了消除内应力、提高塑性和组织稳定性,以获得较好的综合性能。通常合金和()合金退火温度选在()相转变点以下120200;固溶和时效处理是从高温区快冷,以得到马氏
9、体相和亚稳定的相,然后在中温区保温使这些亚稳定相分解,得到相或化合物等细小弥散的第二相质点,达到使合金强化的目的。通常()合金的淬火在()相转变点以下40100进行,亚稳定合金淬火在()相转变点以上4080进行。时效处理温度一般为450550。总结,钛合金的热处理工艺可以归纳为:(1)消除应力退火:目的是为消除或减少加工过程中产生的残余应力。防止在一些腐蚀环境中的化学侵蚀和减少变形。(2)完全退火:目的是为了获得好的韧性,改善加工性能,有利于再加工以及提高尺寸和组织的稳定性。(3)固溶处理和时效:目的是为了提高其强度,钛合金和稳定的钛合金不能进行强化热处理,在生产中只进行退火。+钛合金和含有少
10、量相的亚稳钛合金可以通过固溶处理和时效使合金进一步强化。 此外,为了满足工件的特殊要求,工业上还采用双重退火、等温退火、热处理、形变热处理等金属热处理工艺。 钛合金生产技术钛合金材料的生产技术已达到较高水平, 近年在技术量变上不断取得一定进展。在钛合金传统的熔炼、铸造和成型工艺技术基础上开发并应用了不少新工艺、新技术。在熔炼方面, 冷床炉熔炼技术已成功应用于工业化生产, 能熔炼25 t重的无偏析和夹杂铸锭, 残钛回收率增加, 凝壳-自耗电极熔炼技术也在真空自耗熔炼技术基础上增加了不少优点, 使得残钛回收率提高, 投资节省, 冷坩埚熔炼技术进一步发展后, 使得熔化能力大大提高, 解决了凝壳问题。
11、在铸造方面, 冷坩埚+ 离心浇铸技术、真空吸铸和压铸技术已使产品质量进一步提高。冷坩埚感应熔炼后进行离心浇铸生产钛合金铸件, 可以节省原材料, 降低预热成本, 并提高铸件精度, 消除缩孔和疏松。真空吸铸技术广泛用于高尔夫球杆头等薄壁型产品生产,真空压铸法采用金属模取代陶瓷模后, 产品质量较好, 成本降低。在成型方面, 具有代表性的工艺是激光成型技术和金属粉末注射成型技术。前者采用计算机模型直接用金属粉末生产零件, 不需要硬模, 性能在铸造与锻造状态之间, 成本低15% 30% 。注射成型技术用于制造高质量、高精度复杂零件(如武器系统) , 但其原料球形钛粉末成本高, 还不宜民用推广。此外, 生
12、产焊管的带式生产技术、生产无缝管的斜轧穿孔制坯技术、玻璃润滑技术、锻件生产中的快锻机技术等也得到了较大发展和广泛应用。美国和日本在上述新技术的应用方面比较成熟和普及, 而独联体和我国正在积极提高钛合金材料生产工艺技术水平。在我国, 低强、低合金化钛合金无缝管生产技术已经成熟, 中、高强度钛合金管材温轧生产技术尚属空白。由于无缝管成品率低, 约为50%, 造价高,大力发展薄壁焊管便成为当今管材生产的一种趋势。目前, 我国尚不能生产焊管所需钛带, 严重阻碍钛焊管的发展。而在日本、美国, 钛焊管正逐步取代轧制管。钛合金板材按厚度和宽度由大到小可分为中厚板、板材、带材、箔材。随着近些年来对国外先进的钛
13、合金轧制设备的引进, 我国在钛合金板材的产品体系、产品的质量标准上已逐步与国外先进标准接轨。未来我国在板材的生产上应加大高性能的钛合金牌号板材的研发, 要加速超厚板及超薄板材的研制和生产。多年来, 钛的精密铸造依赖于真空自耗电弧熔炼工艺。这种工艺生产效率低, 成本高, 限制了铸件生产能力的提高, 难以满足用户的需要。为此, 法国一家公司开发了一种独特的冷坩埚感应熔炼并进行离心浇铸的精密铸造工艺来生产钛合金铸件。与传统工艺相比, 该工艺具有以下优点:(1)节省原材料,可以使用优质的锻造或轧制边角料; (2)可降低铸模的预热温度, 降低预热成本; (3)可大大减少由于铸模与金属液反应而形成的富氧A
14、 层, 相应地减少清除铸件表面A 层的工作量, 同时又保留了大部分铸造表面, 尺寸精度高。该工艺适合生产从几g 到2 kg的铸件, 铸件的壁厚最小可达0.5 mm。由于采用了离心浇铸和随后的热等压, 铸件几乎不存在缩孔和疏松。真空吸铸法是将悬浮熔炼技术和真空吸铸技术结合在一起的精密铸造方法。该方法铸造速度快, 无滞流及气泡卷入等现象产生, 可制造出壁厚小于1 mm的钛合金铸件。高尔夫球杆头就是用该方法大量生产的。在美国, 真空压铸法作为新的钛铸造方法已进入实用化。以前, 钛铸造的主要铸型为熔模法。该法制作的陶瓷模具与钛熔液反应, 在钛铸件表面生成A 壳层, 随后必须进行酸洗加以清除。而压铸法最
15、大的优点在于: 由于采用了金属模, 不会产生如上所述的表面污染, 质量比较稳定, 也省去了后续的酸洗工序。这种工艺适于制造简单形状的钛铸件。钛合金的应用(1)航空航天业目前, 钛及其合金主要用于航空航天和军事工业。近年来, 美国为了继续保持它的空中优势, 正在发展下一代先进飞机, 如X30, X31等, 将把现有发动机的推力比增加1 倍以上, M 数由3 增加到10以上。这些飞机的发展自然离不开钛, 钛的用量将占飞机结构重量的20% 30%。同时, 这些发展计划也推动了一些新合金如T i62222, B eta21s, T i153等和T ixA ly以
16、及T i基复合材料的发展和应用。作为美国竞争对手的俄罗斯也一直注重航空航天业钛材的使用量。其航空工业主要使用3种钛合金: 板材用合金, 锻件、紧固件用合金以及铸造合金。(2) 船舶行业钛合金在海洋条件下有着极其优良的耐腐蚀性能、高的比强度、无磁等特点, 因而被应用于船舶工业。目前, 钛在舰船上已应用的部位有船体结构、耐压壳体、螺旋桨和桨轴、通海管路、阀及附件、各类管接头、动力驱动装置、热交换器、声学装置零部件、系泊装置等。钛制耐压壳体主要用在深海潜水器和潜艇上, 水面舰船基本没有采用。美国、法国、日本、中国都在不同程度上使用钛的耐压壳体。如美国在20 世纪60年代建造而后经过改造的可潜6 10
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