9钛合金在飞行器制造中的应用(2)

1在一定的高温状态下（500℃以上），钛板的塑性可得到明显的改善，延伸率增加，成形性显著提高。加热成形，就是利用金属的加热软化性质，以降低板料的变形抗力，增加板料在成形中所能达到的变形程度，减少弹性回弹，提高零件的成形准确度。大多数钛合金的成形操作是在高温下进行的，所有常规的钣金工技术都能用来进行热成形，如闸压弯曲、落压、旋压、冲压、拉深、拉弯、拉形等。6.3钛板的热成形26.3.1热成形温度的确定温度对塑性变形有很大的影响。温度增加，金属软化，是由于产生回复和再结晶；新滑移体系的介入；新的塑性变形方式—热塑性的产生等现象的结果。塑性强度温度热脆区3当温度增至550℃之后，塑性指标开始迅速增长，但不可盲目追求高温下的高塑性，因为温度过高，会带来如下问题：●钛的氧化和吸氢现象严重；●晶粒长大与合金组织变化，使机械性能降低；●使成形设备复杂化，提高模具成本和零件的加工成本。为此，应合理地选择加热成形的温度。一般只要达到所需的变形程度，尽量选用较低的热成形温度。如果要有最佳的成形性，应在能保持零件的机械性能与使用性前提下的最高成形温度进行。46.3.2热成形的加热方法●零件的加热：包括辐射加热、自阻加热、炉内加热、感应加热与火焰加热、喷灯加热等；●模具的加热：包括整个模具加热、电阻加热、炉内加热等；●设备的加热：包括热成形机加热、热流体加热、热流动固体加热等。51.火焰加热用喷灯或焊枪对形状简单而局部变形量较大的零件，在变形区局部加热以制作零件。可将工件和模具夹在虎钳上，边加热边手工敲打出所需的形状和尺寸。也可将工件放在模具上，用喷灯将其加热后模压出需要的零件。优点：方法简便，不需要专门设备，不需要复杂模具，适用于产品试制或零件精度要求不高、产量较小的情况。缺点：很难用准确的测温仪器测量温度，只能凭操作者的经验观察工件颜色来判断。同时，加热时间较长，需要几个人同时操作，技术水平要求较高，劳动量大。62.自阻加热成形室温下钛的电阻系数约为铝的1.7倍、铁的4.8倍。自阻加热就是利用钛板本身具有高电阻，在钛板上直接通电加热到所需要的成形温度。可在落锤上用自阻加热法成形（右图），也可在闸压床、普通压床上自阻加热压弯成形。1—锤头；2—上模；3—钛板；4—端接板；5—压紧圈；6—铜电极；7—下模；8—锤座7对自阻加热成形所用毛料的几何形状有一定的要求－适用于矩形，特别是窄条形毛料。对于不规则断面、有缺口或中间开口以及曲线外形毛料，由于电流流经毛料各断面上的电流密度不同，加热温度不均匀，会带来局部过热问题，应避免使用。8自阻加热成形可利用工厂现有设备，投资少，工艺装备制造较易，制造周期较短，需要增加的设备较简单，只要配备一台变压器和一套夹持工件两端以便接通电源的夹头就行。自阻加热的一个特点就是低电压、大电流（通常用0~36伏，电流可达数千安），因此可在很短的时间内（约十几秒至几十秒）将工件加热到所需温度。同时，电极与毛料两端的夹紧是一个很重要的问题。电极应均匀、紧密而牢靠地夹紧在毛料上，以使电流分布均匀，防止过热。9自阻加热成形存在的问题：(1)测温问题因加热速度快，较难设计有效的测温装置。不可能用对速度改变反应较慢的热电偶来测温；可采用红外线测温方法测定热平衡时的温度，但操作较麻烦，也不太准确。因此一般仍凭操作者的实际经验。(2)变形回弹量大自阻加热成形一般用于落压或冲压，虽成形速度较快，然而毛料接触冷模具后温度下降仍极为迅速，故成形后的零件内应力大，回弹量大，变形严重，一般均需以手工或喷灯加热手工校正。103.感应加热成形感应加热是使置于感应圈内的工件与模具受到电磁场的磁力线切割，而在其中产生感应的涡电流，涡电流受金属电阻的作用产生热效应，感应产生的热量使工件与模具同时加热。钛板毛料可通过感应加热，升至合适的成形温度将毛料成形出需要的零件。1—零件加热螺圈用的2~7兆周输出装置；2—夹头；3—辐射式测温计；4—零件与模具加热用的温度控制记录器；5—模具加热用的4.2千周电动发电机；6—450千周射频发生器感应加热成形法一般适用于棒、管、盘类工件的锻造、上述条料的拉拔成形以及型材拉弯、滚弯成型等。114.辐射加热成形主要是指石英灯红外辐射加热成形。石英灯装置是由一排或多排石英灯灯管与反射罩组成，以有效地辐射红外线，将钛板加热到需要的温度，然后再利用冲压设备（如蒙皮拉形机、压床、落锤等），将加热后的钛板按模具成形出零件。1—反射罩；2—石英灯管；3—钛板；4—机床钳口；5—模胎125.炉内加热成形炉内加热成形主要是指将钛板毛料放在电炉内加热到合适的温度，然后迅速移至压床上冲压成形，也就是镁合金成形常用的一种方法。因模具不加热，对模具材料无特殊要求，就可用一般材料制作，便于生产，成本较低。钛合金成形也常用这种方法。6.与热模具接触加热成形可直接在模具中插入电热元件，靠毛料与模具接触进行加热(图)。7.专用机床加热1—压床；2—水冷板；3—隔热层；4—上模；5—下模；6—电热管；7—钛板136.3.3热成形的测温方法热成形是钛和钛合金板材成形的主要方法。从以上介绍的加热方法来看，准确而及时地测定毛料温度，使其能在规定的温度范围内成形非常重要。测温方法可分为直接测量和间接测量两种。前者所用感温元件有热电偶、电阻温度计、半导体温度计、水银温度计等；后者有光学高温计、辐射高温计、超声温度计和激光测温计等。钛板成形温度大致在300～600℃之间，最常用的感温元件是热电偶，有时也可采用红外线辐射温度计。146.3.4热成形工艺过程钛板热成形的全过程包括：●毛料的制备；●预成形件的制作；●零件的热成形与热校形；●成形零件的剪修；●热处理与表面清洗；●零件的检验。151.毛料的制备(1)对原材料供应状态的要求钛合金的一次变形—在冶金工厂轧制成板材，性能的重复性差。为了保证零件质量，首先应确保原材料的质量。从库房领用的钛和钛合金板料，应备有生产厂出厂合格证和本厂复验合格证并保存。所有板材均要求呈退火状态供应。为了保证零件的质量，应清除板材表面的氧化膜和其它污染。钛板表面不得有裂纹、起皮、压皱、夹杂物等缺陷，以及经过酸洗的痕迹。板料应平直并包纸出库。在以后的下料、成形、装配、运输和存放过程中，都应注意防止表面划伤。16(2)下料各种钣金件所用的毛料制备方法，有很多相似之处。由于使用的钛板厚度一般均在2mm以下，并且厚度为1.5mm以上的零件很少，因此钛板的下料均可利用现有的设备在室温下进行。即采用常规的冲切、剪切、铣切与锯切等方法。由于钛板强度大，因此与铝合金下料有所不同。17(2)下料制造直线外形的毛料或零件，可在龙门剪床上进行切割。采用带锯下料加工效率较高，生产准备方便，但不适于加工太薄的材料，常用于切割厚度在3mm以上的钛板。采用冲切方式下料时，一般是在冲床上一次冲切出所需形状的毛料。通常对形状简单的毛料，最大下料厚度约3mm。铣切下料时可用铣刀铣切一叠钛板至所需的外形。铣切头沿铣切样板运动，或用大型数控钣金铣床自动铣切。钛板也可利用激光技术下料，并且这种方法所需切削力小，热影响区也小。18激光切割机19(3)成形前的除油与清洗在进行任何热成形前，都应清除表面的油脂或其它污物，以免加热时对钛产生污染。此外，毛料表面的氧化物会降低材料的塑性，在成形前应该清除。202.预成形件的制作钛和钛合金零件可以直接由毛料一次冲压成形，在成形的同时完成校形，制出最终零件，即所谓一步成形法；也可以先将毛料作成预成形件，再对预成形件进行一次或多次热校形，即所谓两步成形法。目前在加热成形方案中，以两步成形法应用最多。外形比较复杂或变形程度大的零件，常需要用两步成形法，可避免一次成形时表面划伤和毛料定位不准的问题。21预成形件的制作可分为冷预成形和加热预成形两种形式。(1)冷预成形冷预成形即在室温下预成形，采用传统成形方法，并尽量利用现有设备。常用的有橡皮压床、液压机、摩擦压力机、冲床、闸压床、落锤、拉弯机及弯板机等常规设备，个别情况用手工敲打。冷预成形的工艺准备比较简单，无需特殊要求的模具，根据零件的具体形状可制作要求不太高的偶合模具，也可只做半模或不做模具。因此冷预成形当尽量采用之。但对于室温下难以预成形的、形状复杂的零件以及室温下难以成形的材料（如TC3、TC4、TA7等钛板）则不能用。22橡皮压床闸压机23(2)加热预成形加热制作预成形件也利用毛料通电加热、电炉加热、红外线辐射加热、通过热模具接触加热，以及使用喷灯、氧炔焰等方法加热。后一种方法很少采用。所有加热方法都应注意毛料的加热温度不超过允许的最高温度，加热时间尽可能缩短，以防氧化加剧。在可能时，应尽量减少热校形后留下的工作量（如剪修、开孔口等），防止零件再次变形。除留必要的工艺余量外，预成形件剪切到零件尺寸，零件上可以预先制孔。预成形件应去除毛刺和锐角。243.零件的热校形零件的热校形有两种：热成形和热校形两个工序一次成形；预成形后再热校形。后者是将预成形件放在已加热的模具上，预热到规定温度，在压力作用下，保持一定的时间，进行第二次成形或热校形，然后取出零件。热校形通常是用来减小由其它成形工序制成的预成形件的尺寸误差或畸变，改善零件质量。通过热校形可在很大程度上减小零件的角度与型面尺寸的偏差、外形偏差、弯曲半径偏差、凸弯边上的波纹、所形成的皱折与扭曲，以及腹板的翘曲或鼓动等，获得符合最终型面要求、质量合格的零件。25(1)钛板热校形规范的确定为使热校形成功，必须选择合适的加热温度、保温时间与成形压力。热校形时对零件施加的压力，只要能保证把零件压贴在模具中即可，再大的压力对于校形来说作用不大，反而可能导致模具和工作台的变形。因此，影响热校形效果的主要是温度和时间，而温度又是决定的因素。为了满意地消除回弹，只有在一定温度下进行。所谓热规范，主要是确定校形温度与时间。26钛板成形的合适的热规范，必须保证零件在校形后满足下列几项基本要求：●零件贴模良好，基本上不需要手工修整。外形、尺寸及表面质量符合钛板零件检验要求；●材料机械性能基本稳定，在室温和使用温度下的主要性能指标符合规定；●零件内部的残余应力基本消除；●热校形后材料的平均氢含量不超过允许值150PPM；●氧化皮与渗气层的总厚度不得超过板料厚度允许负偏差的一半；●材料的金相组织无变化，晶粒无明显长大与过热等现象；在满足上述要求的前提下，温度要尽量低，时间要尽量短，压力以保证将零件压贴为宜。27(2)热校形的基本工艺过程284.成形零件的修剪钛和钛合金零件的边缘一般均应倒圆。所有微小的裂纹、凸起与凹痕、划伤以及粗糙部分都必须排除。零件边缘的剪切，可用切边模具（包括切断模、切开模等）冲切，也可用振动剪。对厚度小于1mm的薄料零件，在产量不大时，也可用手剪刀来剪切边缘。一般可用砂轮磨或锉削的方法去毛刺、打光和倒圆，磨削方向平行于材料表面。对较厚的零件则用机械加工的方法清理边缘。295.热处理和表面清洗钛板零件的热处理有工序间热处理与最终成品零件热处理两种。工序间热处理的目的是消除加工硬化，恢复塑性，便于进一步成形。最终零件的热处理主要是消除冲压件的残余应力。热处理或热成形、热校形后，零件表面的氧化皮应及时清除，以便为随后的工序提供洁净的表面。306.零件的检验(1)对零件表面质量的要求在成形过程中，零件表面不允许出现缺陷；产生的新划伤、擦伤或轻微凹坑允许用细砂布打磨光滑。(2)对零件边缘质量的要求所有的零件边缘都要去毛刺和修光，不得有裂纹。(3)对零件弯边的角度公差要求对与其它零件配合的成形弯边，保持在2°以内；对于无配合要求的90°加强弯边，保持在5°以内。(4)对零件的厚度变薄量要求零件由成形引起的厚度变薄量一般不应超过名义厚度的5%；拉深件或带有拉深性质的复杂弯曲件和冲压件，允许局部变薄到名义厚度的70%。(5)其它检验方法用荧光渗透法检查零件表面裂纹。必要时，可用X射线应力分析仪测定零件表面的残余应力，检查热校形后的消除应力效果。通过金相分析，观察零件组织的变化情况。用显微硬度计测定显微硬度的变化梯度，检查钛板零件加热氧化的情况等。31工件检测车3