航空工业中钛合金锻造工艺分析及应用实例.docx
航空工业中钛合金锻造工艺分析及应用实例1、概述随着我国国民经济、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(Ti-6AL-4V)和TB6钛合金锻件在航空制造中应用较多。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：型合金、a+B型合金和B型合金,其中a和a+B型合金的热塑性与变形速度关系不大,而B型合金有良好的可锻性但温度过低可能引起a相沉淀。钛合金的锻造工艺按锻造温度与B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B转变温度以下锻造的,称为常规锻造。根据坯料在(a+B)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B转变温度以下4050°C加热锻造,此时初生相和B相同时参与变形。变形温度愈低,参与变形的a相数量愈多。与B区变形相比,在下两相区域B相的再结晶过程急剧加快，再结晶形成的新的B晶粒不仅沿变形的原始B晶界上析出，而且在B晶界内和a片层间的B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B/(a+B)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B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“B锻”，分为两种:第一种是坯料在B区加热,在B区开始并完成锻造的工艺方法;第二种是坯料在B区加热,在B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B锻”。与两相区锻造相比，B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760980°C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。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+B型钛合金,组成为Ti-6AL-4V,退火组织为a+B相,含有6%的a稳定元素铝,通过固熔强化使a相的强度得到提高,钢稳定B相的能力较小，因此退火组织中B相的数量较少,大约占7-10oTC4合金在不同的热处理和热加工条件下,基本相a、B的比例、性质和形态是很不同的。TC4合金的B转变温度在100(TC左右，若将TC4加热到950,空冷后所得组织为初生a+B转变组织;如加热到IlOOoC.空冷,则得到粗大的完全转变的B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B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B转变以上,但变形程度足够大,则得到的组织特征是：a相勾划出的B晶界部分被粉碎，条状a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B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+B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：加热温度过高,达到或超过B转变温度；锻件变形程度不够大。3.1.2TC4锻造工艺分析锻造温度对a+B钛合金的B晶粒尺寸与室温性能的影响是随着温度的提高（B相转变以上）B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B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B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:该批锻坯加热时温度过高、超过B转变点;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。锻后热处理温度过高,使TC4锻件温度超过了B转变点,形成魏氏组织，降低锻件性能。3.2TC4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锻造工艺参数同时锻造时注意轻打快打。(注:下料尺寸C50X113,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,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760770°C范围内，这样才能保证TC4锻件的锻造质量。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B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。
