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钛及钛合金的铸造锻造焊接成形工艺及应用

发布时间:2021-07-02 16:56:07 浏览次数 :

引言

与普通的金属材料相比,钛具有非常多的优点:在力学性能方面,钛不仅具有较高的比强度,还具有优异的韧性和抗疲劳性;在化学性能方面,钛在自然条件下就可以形成致 密的氧化膜,该氧化膜能抵抗外界多种化学介质的腐蚀,具有优异的耐腐蚀性能;更值得一提的是,钛合金在550℃高温下长期使用,仍能保持较好的持久强度和热稳定性,且当 氧、氢、氮等含量较低时,在超低温度条件下仍具有良好的延性和韧性。目前,钛及钛合金的应用主要分为航空航海和一般工业等传统的应用以及汽车、计算机、体育用品等新的应用领域。

钛及钛合金的化学性能比较活泼,在高温状态极易氧化,对热加工(如铸造、锻造及焊接等)不利。除此之外,钛及钛合金的切削加工也较难,主要是钛在切削加工时容易粘刀,严重影响到钛及钛合金的表面质量。因此,钛及钛合金的加工与普通金属的加工有较大差异,对于钛及钛合金的加工,在方法上有其特殊的要求。目前,随着加工技术的不断革新,可用于加工钛及钛合金的方法也越来越多。

钛环

本文针对钛的不同加工方法进行了探讨,从传统的铸造、锻造及焊接到新近发展起来的新型粉末冶金方法,尤其突出地分析了各种加工方法的优点和不足之处,为不同领域所使用的钛合金成型提供了切实可行的方法,有利于钛及钛合金的进一步推广应用。

1、钛及钛合金铸造成型及应用

1.1 钛及钛合金铸造性能

作为近净成型技术之一,铸造技术可以一次性成型形状复杂的产品,且能提高材料利用率并降低成本。然而,钛及钛合金化学性能非常活泼,在高温下极易被氧化,因此,对钛 合金进行铸造需要采用特种熔炼技术和设备,以防被污染。同时,与其他金属相比,钛及钛合金的铸造性能与充填补缩能力较差。影响钛及钛合金铸件品质的因素颇多,其中主要 影响铸造性能(关于钛及钛合金的铸造性能主要包括流动性、充填性、浇注和凝固过程形成气体缺陷的倾向等)而这些影响因素又与合金的成分和性能、铸型材料的种类以及熔炼、浇注条件相关。

1.2 钛及钛合金熔炼方法

钛工业生产初期,采用非自耗真空电弧炉熔炼法对钛及钛合金进行熔炼,随着各种技术的发展,出现了不同熔炼钛及钛合金的新工艺,主要有以下3种:(1)非自耗真空电弧炉熔炼法(简称NC法)。钛工业起步阶段,采用非自耗真空电弧炉熔炼的电极主要是石墨电极或钨一钍合金电极,目前主要采用水冷铜电极进行熔炼,解决了工业污染问题,从而使非自耗真空电弧炉熔炼法成为钛及钛合金熔炼的重要方法之一。(2)真空自耗电弧炉熔炼法(简称VAR法)。目前,作为工业中生产钛及钛合金铸锭的主要方法,真空自耗电弧炉熔炼法有其自身特点,即熔化速度高、能耗低以及铸锭质量优异的稳定性。该法的主要工作就是电极的制备。常见的方法有单块电极压制并焊成自耗电极法、采用按份加料连续压制的整体电极以及利用其他熔炼方法制备电极等。(3)冷床炉熔炼法(简称CHM 法)。冷床炉熔炼法包括电子束冷床炉熔炼法(EBCHM)及等离子冷床炉熔炼法(PCHM)。电子束熔炼炉的工作原理是利用电子枪对水平传送过来的原料进行加热熔化,然后处于熔融状态的钛合金流向中部的精炼炉体,经过一定时间精炼,最后注入水冷铜坩埚凝固成铸锭。

此外,电子束冷床炉可采用未压制的残料、回收料等作为原料,以提高生产效率,同时避免在熔炼过程中由外界引入杂质。

1.3 造型材料

由于造型材料是决定钛及钛合金铸件质量的关键,因此合理选择造型材料具有举足轻重的意义。目前,用于钛及钛合金铸造的模型主要有石墨型、砂型和陶瓷型。

石墨型具有良好的高温稳定性,能抵抗液体钛及钛合金的剥蚀,石墨型的制备是生产民用钛铸件的主要造型工艺,按工艺不同可分为机加工石墨型和石墨捣实型。应当注意的是,生产质量要求严格的航空铸件,其机加工型和捣实型在浇铸前均需进行真空除气处理。沈阳铸造研究所苏贵桥等 采用红外方法对机加工石墨铸型进行了预热处理,设计出合理的红外线预热装置,得出预热石墨铸型的最佳温度为350~400℃ ,能够满足相机镜座、诱导钛合金轮薄壁铸件的试验、生产要求,消除表面冷隔、皱褶以及浇不足等缺陷,提高了铸件质量。洛阳船舶材料研究所的范善君等利用石墨型铸造制备了钛合金导轮,与精密铸造方式相比,该方法制备的导轮精度高、质量稳定,且不存在蜡模组合时产生的误差对叶片的分布、尺寸等的影响。此外,根据铸型材料性能特点,分型面选择等可不受常规准则的限制,灵活地设计出更为符合特形铸件的铸型结构形式。铸型工艺设计对扩大石墨型铸造的使用范围,提高铸件质量,简化铸型加工工艺以及降低原材料消耗等都有着较大的潜力。

石墨型虽然有很多优点,但是也存在一些问题(如费用高、生产石墨能耗高),不利于钛及钛合金铸造的广泛推广,为了开发石墨铸型的代用品,美国矿山局曾对锆砂一水玻璃铸型进行了研究。锆砂铸型曾用于有色金属的铸造,在普通砂中它的耐火度最高,而水玻璃成本低,生产出的铸型和泥芯干强度高。我国徐发等研究了以氧化锆为涂料的水玻璃锆砂铸型,结果表明,其具有良好的高温性能,能替代石墨粉捣实铸型,并且成本比石墨粉捣实铸型低50 ~60 ,造型及铸型处理周期大大缩短,铸型发气量也比石墨型低得多,通过该工艺能浇铸出16.5 kg的钛泵体铸件,表面污染层仅0.09mm。

陶瓷模壳的性能及制备技术决定了钛合金精密铸件的质量,其制作与传统模壳类似。贾清等研究了不同粉料所配制的料浆对模壳表面质量与强度的影响,讨论了钛合金精铸用陶瓷模壳的制备工艺,指出粉料的粒度分布对模壳的表面质量有极大影响,需要严格控制所用粉料的粒径。当粉料粒度分布过于集中时,应采取相应措施分散粉料,提高模壳的表面质量,进而提高钛及钛合金铸件的表面质量。此外,模壳的强度主要依赖于所用粘接剂的性质,由于粘接剂在高温下的性能变化直接影响模壳的性能,因此,在生产过程中必须根据粘接剂的热分析曲线来确定模壳焙烧温度 。

1.4 钛及钛合金铸造注意事项

钛铸造技术的关键主要有两方面:一是具有性价比高的熔炼炉,二是不与液钛起反应的性能稳定的铸型。随着铸造设备及铸造技术的发展,铸造成型的钛及钛合金产品显示出稳步增长的势头。然而,在今后的推广应用中还有以下几方面的问题需要解决:(1)开发新的熔炼及铸造方法,大幅度降低钛及钛合金铸件的生产成本;(2)开发出钛及钛合金废料回收重熔的新技术,确保在降低成本的同时提高产品的质量;(3)陶瓷型及精密铸件大型化的研发;(4)无损探伤检测标准的修订。

2、钛及钛合金锻造成型及应用

2.1 锻造工艺

钛及钛合金冷变形困难,因此,通常需要经过热加工方法变形成各种坯料和锻件,其中,钛合金的锻造加工是一种应用较普遍的方法。这是因为锻造不仅可以达到尺寸及形状与产品接近,还能改善钛合金组织,从而提高其性能。

在钛合金的热加工中,加热温度极为重要,温度过低,钛合金的变形抗力大,且容易产生裂纹等缺陷,温度过高,组织容易粗化,因此,钛及钛合金的锻造温度范围较窄。钛合金锭的开锻模通常是在高于 相变温度下进行的,因为钛的 相属于体心立方,而体心立方结构具有较高的塑性,所以对锻造压力的要求一般也较低。但终锻一般在低于β相变温度下进行,这样可以防止β晶粒的长大和随之而来的塑性降低。应变速率的变化对α和α+β钛合金可锻性能的影响不大,因此,钛合金的锻造按其β转变温度可分为α+β 锻造和p锻造,近年来又出现了近β锻造、等温锻造等新工艺。

钛丝

钛合金的高温锻造也称“β锻造”,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 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 。β锻造的锻件常存在热稳定性和塑性差等缺点,会导致β脆性出现,但通过采取适当的热锻后热处理及控制好锻后冷却速度等可以制备出具有良好综合力学性能的钛合金锻件。

α+β两相合金、 合金在β转变温度下以中等应变速率锻造的工艺常被称为α+β两相锻造或常规锻造。典型的常规锻造组织具有室温塑性好、强度高等优点,然而其断裂强度、高温性能及断裂韧性等较差,且模具对锻件的冷却容易在锻件表面产生裂纹,锻造后需要进一步加工且加工余量大,材料利用率低,因此,常规锻造钛合金难度较大。但学者们通过研究发现,只要能合理控制锻造温度、变形量和处理制度等,就能获得质量较好的锻件。

近β锻造工艺是将钛合金坯料在相变点以下10~15℃加热锻造,锻后水冷,然后进行高温韧化再低温强化处理 。

由于近β锻造温度控制极为严格,因此如何控制加热锻造温度就成了最大的技术难点。同时,加热锻造温度还会受到加热炉炉温的不均匀性和锻造过程中产生的热效应等因素影响。采用近β锻造工艺对TC11、TC17及TA15钛合金进行锻造,结果表明能获得较好的综合性能,如TC11近β锻造试样520℃ 的高温强度与常规锻造和IMI685合金β锻造500    ℃的性能相当,塑性和热稳定性与常规锻造相当,其疲劳蠕变交互作用寿命长于常规锻造 。

等温锻造是指自始至终模具与工件保持相同的温度,以低应变速率进行变形的一种锻造方法。与常规锻造相比,等温锻造主要有以下优点:可以锻造出尺寸可控、形状复杂、精度高的锻件,节省了原料,降低了成本;锻造工序少,减少了锻造作业量,提高了生产效率;锻造温度较高,使坯料易于充满模具型腔,减少了对模具的磨损;锻件质量好,一般无残余应力。利用等温锻造的诸多优点,可使钛合金的加工变得更加容易,目前大多用于制造航空航天工业中的飞机零部件,如宝钢集团的周建华等将等温锻造技术用于TC4钛合金    翼芯、气瓶等精密优质锻件的生产(如图1所示)。采用等温锻造工艺,利用钛合金超塑性的变形能力,其变形参数易精确控制,并克服了传统锻造中由死区引起的组织不均匀,可生产出表面质量良好、尺寸精确和性能稳定的航天用钛合金精锻件。与普通锻造相比,等温锻件的材料用量可减少30%~60%,且缩短了加工工时,降低了零件成本,同时,等温锻件的组织更均匀、细小,质量更稳定。

然而,等温锻造也有一些缺点:需要温度可控的加热系统;需要耐高温的模具;需要高温下使用的润滑剂以及额外的防止工件和模具氧化的保护装置。

2.2 锻造过程中应注意的问题

在钛及钛合金锻造过程中,应注意以下几方面的问题:

(1)对合金成分的敏感性。个别钛合金的锻造性能和力学性能并不太受合金元素变化的影响,却受间隙元素(如氧、碳和氮)变化的影响。例如钛合金的氧含量由0.1 提高到0.2 ,将使TC4的β转变温度升高40℃ ,强度提高15% 。

(2)污染和缺陷的排除。在空气中对钛进行加热而产生的硬的、富α的皮下层难以用机械加工方法除掉,根据加热时间不同,该层的厚度一般介于0.13~0.64 mm,在氢氟酸中浸 蚀锻件,以0.025mm/min蚀除表层。但污染较严重时,还需要除去厚磷皮,要求进行两次处理,即先在盐槽中完成除磷皮工作,然后再完成上述酸蚀过程。(3)设备的清理。在 锻造时必须小心,以免钛与钢磷皮接触,否则会发生“热剂”类型的反应,使锻模毁坏。钛会使氧化铁在高压高温条件下所爆发的放热反应中得到还原。因为炉膛和锻造设备可能 是钢磷皮的来源,所以在用来加热钛之前,应进行彻底的清理。(4)润滑。钛毛坯在加热时形成的磷皮有很大摩擦作用,引起模具很快磨损,因此有必要使用润滑剂。模锻钢和其他有色金属所用的润滑剂不能满足上述全部要求。石墨与水玻璃和滑油混合的膏状润滑剂会使钛合金表面产生裂纹,其原因是表面上存在脆性的 层,在变形时被破坏,这些裂纹是应力集中源,继续变形时可能向金属内部扩展。对于钛合金来说,玻璃润滑剂是目前所研制的润滑剂中最好的。

在模锻和局部挤压变形条件下,如玻璃涂料的成分选择得当,则能保持液态摩擦。

3、钛及钛合金焊接成型及应用

大多数钛合金可以使用氧乙炔焊的方法进行焊接,并且所有的钛合金均可以使用固态焊接方法进行焊接(如等离子弧焊、激光和电子束焊接),事实上,钛合金焊接接头产生裂纹的倾向性要比黑色金属(如铁合金、镍合金)小得多。尽管钛合金具有如此良好的性质和其他一些优异的焊接特性,但人们还是认为钛合金的焊接是相当困难的,主要在于钛合金焊接对于气体保护的要求特别高。由于在焊接过程中引入的N 、O 和含碳物质使得钛合金的熔化焊接头变脆,因此待焊区一定要清理干净并使用惰性气体保护。含有氧、氮、氢等杂质元素的纯钛的塑性和韧性急剧下降。而气孔的存在更会大大降低接头的强度,为了改善接头强度性能,必须减少焊接接头中的气孔。常用的减少钛合金焊接接头中气孔的措施主要有以下几个方面心 :(1)使用高纯氩气或氦气进行保护;(2)钛合金部件和焊料要保持干燥;(3)待焊钛合金部件的部位与焊料进行彻底清洗,保持清洁。

钛及钛合金的焊接工艺主要有钨极氩弧焊、真空电子束焊及激光焊。 钨极氩弧焊时常被称为TIG焊,是一种在非消耗性电极和工作物之间产生热量的电弧焊接方式;电极棒、溶池、电弧和工作物临近受热区域都是由气体状态的保护隔绝大气混入,对于薄壁件的焊接采用常规焊接方法易出现焊穿、变形大以及焊接性能不稳定等现象。实践表明,对薄壁钛板采用脉冲氩弧焊可避免出现上述现象。王玉文等采用钨极氩弧焊对某型号卫星用钛合金高压气瓶进行了焊接,通过对焊接工艺及参数的控制,摸索出了一套卫星用钛合金高压气瓶焊接方法,提高了焊缝质量和焊接一致性,该方法同样也可用于导弹用钛合金的焊接。

真空电子束焊是利用定向高速运动的电子束流撞击工件使动能转化为热能而使工件熔化,形成焊缝。作为组成物质的基本粒子,电子是一个传导能量的极好介质,当电子受到阻挡减速后,电子以热能的方式精确地在作用点释放能量,而周围的材料依然保持原来的冷状态。由于真空电子束焊具有深度熔化的效应,所以能够加工出非常窄非常深的焊缝。电子束很容易进行偏转,因此能够对其进行精确的控制。真空电子束焊的缺点是焊缝中易出现气孔,结构尺寸易受真空室限制,不适合于大批量生产。电子束焊接时,焊接接头中产生相当大的残余应力,且随焊件厚度的增加而增大。目前主要采用完全真空退火来消除焊接后的残余应力。 

电子束焊接已广泛用于汽车、航空航天、核工业等行业,现已发展到石油、化工、机械、仪表仪器、精密加工等行业。尤其在航空工业中许多零件都需要焊接,如空气导管是某涡 扇发动机上典型的薄壁筒形零件,要求电子束焊后保持极高的精度,如何保证焊后达到技术要求的尺寸精度是主要攻关目标。曲伸等针对TC4这类材料,采用工艺衬套和合适的家

具保证了电子束焊接薄壁空气导管的精度要求。经过试车运转考验,证明电子束焊可完全满足设计要求。激光技术采用偏光镜反射激光产生的光束使其集中在聚焦装置中产生能量巨大的光束,如果焦点靠近工件,工件就会在几毫秒内熔化和蒸发,这一效应可用于焊接工艺。由于激光焊接具有能量集中、焊接成型好、操作简单、易于检测等优势,非常适合焊接各种钛合金材料,在飞机钛合金零部件的焊接中必将成为主导方向。代永朝等对厚度为2mm的TC4合金板材进行了激光焊接。焊缝的宏观形貌如图2所示,可以看到焊缝完全焊透,消除了自熔焊时焊缝的凹陷和咬边 。经研究发现,焊接接头强度可达母材强度的99.5%,满足飞机钛合金结构损伤的修复要求。赵颖等对钛合金蒙皮骨架结构进行了激光焊接,研究了不同激光焊接工艺对其焊缝成型的影响,观察了焊缝的微观组织形貌。结果表明:焊缝熔深、熔宽随着激光功率的升高和焊接速度的降低而逐渐增加;骨架的宽度、厚度以及蒙皮与骨架间的间隙量对熔深、熔宽的影响不大,间隙量增大使焊缝表面咬边、凹陷明显,蒙皮上焊缝的显微硬度值略高于骨架上焊缝硬度值。然而,激光焊接也有一些缺点:焊件位置需非常精确,务必在激光束的聚焦范围内;焊件需使用夹治具时,必须确保焊件的最终位置与激光束将冲击的焊点对准;设备昂贵等。

钛法兰

对于钛及钛合金而言,除上述几种焊接方法外,还有诸如等离子弧焊、电子束焊及扩散焊等方法,在焊接过程中,应注意各自优点,选取合适的方法,尽可能地避免在焊接过程 中出现缺陷。总之,钛及钛合金焊接之前,一定要进行认真的清理,因为污物易在焊缝中产生气孔和非金属夹杂,使焊缝的塑性和耐腐蚀性显著下降。常用的清理方法有切削加 工或喷丸处理等机械清理方法和酸洗再进行清洗等化学清理方法。

4、钛及钛合金粉末冶金及应用

钛及钛合金加工企业主要关注的是降低加工成本,希望通过技术创新解决生产经营难题。在众多的制备方法中,粉末冶金作为一种低成本加工方法在钛及钛合金领域应用极为广泛。考虑到钛液本身易发生化学反应的特点,钛合金必须在惰性气体保护下或高真空环境中进行加工,这将使得传统的锻造工艺成本很高。而采用粉末冶金技术制造钛合金产品,能够提高材料使用效率并且降低加工成本,该项技术已成为研发低成本钛合金工艺的重要研究方向。日本TKK公司以钛粉和混合中间合金粉为原料,通过混料、压坯并烧结,成功制备了钛合金产品。国内利用粉末冶金对钛合金进行加工也做了不少工作,如湖南大学胡紫英等采用粉末冶金法成功制备出力学性能与骨匹配的开孔型多孔钛,其孔隙率分布在8.6 ~34.5 之间,平均孔径随孔隙率的增加而降低;通过应力一应变曲线分析得到其弹性模量在7.2~9.9GPa之间,接近人骨弹性模量,此多孔钛有望成为理想的人工骨修复材料。除上述传统的粉末冶金烧结外,最近还出现了不少新型的粉末冶金技术,主要包括如下几种方法。

4.1 新型高能量源直接烧结钛粉末的冶金加工技术

随着科技进步,利用高能量源直接烧结钛粉末的冶金加工也逐步成熟并走向应用,该技术的特点是基于“分层制造”成形的思想,制造成型的零件尺寸及形状几乎可以达到最终 要求,很适合形状复杂的钛及钛合金零件的加工,其主要包括电子束选区熔覆技术、直接金属激光烧结快速成型技术等。 电子束选区熔覆技术是采用高能量的电子束轰击预先混合均匀的钛混合粉料并逐层烧结的制造技术。钛金属粉末在电子束的轰击下会熔化烧结成一层并与下层已降温成型的一层粘接。钛金属粉末在电子束的轰击下被逐层烧结堆积,直至整个零件的最上面一层烧结完成,而未烧结区域的粉末形态没有变化,扫除后便可得到所需的三维钛合金零件。杨鑫等研究了ELI TA7金属粉末电子束选区熔化快速成型件的显微组织和力学性能。研究结果表明,在一定条件下,Z字型扫描路线可以有效提高烧结件的致密度、室温强度和延伸率。烧结件的相对密度可达97 ,抗拉强度为740MPa,延伸率为8 ,接近锻件的性能 。经分析可知,致密度高的原因是电子束高的能量利用率在烧结过程中产生瞬时液相,同时真空下粉末的表面得到净化,提高了烧结活性;而过快的冷凝过程有助于产生细小的晶粒,同时致密度的提高以及晶粒的细化均有助于烧结件力学性能的提高。

直接金属激光烧结快速成型技术综合运用先进的激光技术、粉体技术和计算机控制技术实现直接加工成型近致密金属零件。德国EOS公司新开发的激光选区熔化设备EOSIN TM 280采用束源质量高的Yb光纤激光器, 将激光束光斑直径聚焦到100um,大幅提高激光扫描的速度,缩短成型时间,其成型零件性能与锻件相当,典型应用如图3所示

4.2 金属粉末注射成型技术(MIM)

金属粉末注射成型技术(MIM) 是目前发展较快的近净成型粉末冶金技术,可制造高精度的复杂钛合金零件,被认为是目前最具优势的钛合金成型技术之一。 粉末注射成型(Powder injection molding, PIM) 是将塑料注射成型引人粉末冶金行业而形成的一项新型粉末冶金成型技术。该项技术自问世以来就得到广泛关注,1992年日 本钨业公司通过该技术制造出首件钛合金运动夹板,随着技术的日益成熟, 钛的MIM产品在医疗器械、牙科植人体、汽车领域、高尔夫球头和表带等方面有广泛应用。李挺等以 氯化钠作为造孔剂,利用金属注射成型工艺制备多孔钛,研究烧结温度、造孔剂粒度和含量对多孔钛孔隙度、微观形貌和力学性能的影响,结果表明,随着烧结温度的升高,多孔钛的孔隙度逐渐下降而抗压强度和弹性模量逐渐升高;并讨论了MIM多孔钛植人体的最佳烧结温度为1100~1200℃,NaCl的最优粒度为150~250um。

目前注射成型工艺已成功用于制造纯钛粉、TiA1、TC4、Ti-Mo-Al和其他一些钛基粉末。

4.3温压成型技术

温压技术是近几年新发展起来的一次压制、一次烧结工艺,制造高密度、高性能粉末冶金结构零件的一项可行的新技术。它是在混合物中添加高温新型润滑剂,然后将粉末和模具加热至150℃左右进行刚性模压制,最后采用传统的烧结工艺进行烧结的技术。与普通的粉末冶金相比,该技术的主要特点就是能够提高烧结零件的致密度。何世文等研究了钛合金粉末的温压成型行为,发现在同一压制力下,钛合金粉末的生坯密度均在140°℃左右达到最大值,高于或低于这一温度, 生坯密度反而降低。在压制压力为500MPa下,温压成型的脱模力比室温成型的脱模力降低27.7%,同时改善了钛合金的显微组织。

4.4 热等静压成型技术

热等静压(Hot isostatic pressing, HIP) 工艺是将制品放置到密闭的容器中,向制品施加各向同等的压力,同时施以高温,在高温高压的作用下,制品得以烧结和致密化。采用热等静压制成的钛合金零部件具有优异的力学性能,且节约成本,几乎可以实现零部件的近净成型,同时制得的零件致密度高,几乎可达到100%。

热等静压是高性能材料生产和新材料开发不可或缺的手段。王亮等采用热等静压预合金粉工艺对TC4粉末冶金技术进行了研究,同时就原料粉状态对粉末钛合金性能的影响进行了初步研究并进行了近净成型工艺试验。结果表明,采用预合金粉工艺制备的TC4粉末合金材料性能优良,且可实现近净成型 。HIP在制备钛制品件方面也显示出极好的应用前景,欧阳洪武等采用径向热压工艺制备了高径比为10.7、密度为3.79g/cm的TiAl基合金汽车发动机排气门,为制备合格的TiAl基合金排气门探索了一条新的途径 。

除上述几类钛合金粉末冶金成型方法外,还有电火花烧结及辐射微波烧结等新型方法。

钛靶材

5、钛及钛合金机械加工及应用

众所周知,钛合金加工性较差,主要有以下几个方面的原因:(1)粘刀现象严重。钛合金材料的粘刀现象极为严重,易产生积屑瘤,引起工件尺寸变化,进而影响到产品装配质量,甚至会导致零件报废。(2)化学活性大。钛合金在600℃以上时,与气体发生剧烈的化学反应。吸收气体后钛合金表面的硬度明显上升,钛与氧、氮产生间隙固溶体,对刀具有强烈的磨损作用。(3)钛合金的弹性模量低,弹性变形大,接近后刀面处工件的回弹量大,因此已加工表面与后刀面的接触面积大,摩擦非常严重。(4)钛合金的热导率低,为铁的1/5,极大地限制了刀尖的冷却条件,使刀具磨损加剧。

鉴于上述原因,在加工钛合金时,首先要求切削速度低,因为切削速度对切削刃的温度影响很大,切削速度越快,则切削刃温度剧增,切削刃温度直接影响刀具寿命,因此要求合适的切削速度;其次,切削深度要大,实践表明,切削深度对刀刃温度影响较小,所以采用低切削速度,大切削深度对钛合金的加工是有利的;再次,采用适当的冷却液,钛合金的加工过程中,使用冷却液可以把刀刃的热量带走,冲走切屑,以降低切削力,因此合理地应用冷却液是提高生产力和改善工件表面质量的有力措施;此外,刀具材料的选择也尤为重要,常用的切削钛合金的刀具材料有YG6、YG8、Wll2CrMo等。

6、结语

目前,钛及钛合金的加工主要针对航空航天领域,而对于民用钛品而言,还不具规模,主要原因是钛制品的成本太高,难以像钢材一样大规模地运用。其中,在钛及钛合金制品中,加工成本又占很大比例。从上述介绍的不同加工方法来看,钛及钛合金存在的主要加工问题有:一是加工难度大。钛合金性能决定了其热加工需要保护性气氛,以防氧化等, 加工中需要注意的事项较多,如锻造温度区间的控制、激光熔覆等加工的零件尺寸小等。二是加工的设备费用较高,如RP技术,普通企业无力承受其高额的设备费用,因此也就无 力进行大规模的钛制品生产。

除此之外,限制钛及钛合金产品大量应用的另一个重要原因是人们对钛合金制品在普通工业中应用的宣传力度不够。其实从长远来看,钛合金制品的成本比普通钢材还低。随着科技的不断进步,钛及钛合金产品的制备技术会越来越简单易行,加工成本也会越来越低,钛及钛合金制品必将在更广泛的领域中彰显出独特的魅力。

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