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钛合金超塑性技术的研究及应用现状谢辉(武汉理工大学,材料科学与工程学院湖北武汉430070)摘要:介绍了钛合金超塑性原理,介绍了国内外超塑性成形技术的研究情况、钛合金超塑性成形(SPF)的方法以及超塑性成形模具材料选择等,并对钛合金超塑性成形的特点作了归纳。最后对超塑性成形技术在钛合金加工领域的应用前景做了展望。关键词:钛合金;超塑性成形技术;超塑性成形方法ResearchandApplicationoftitaniumsuperplastictechnologyXIEHui(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430070,China)Abstract:Thesuperplastictheoryoftitaniumalloysisintroducedinthispaper.Emphasishasbeenputonmethodofsuperplasticforming(SPF)intitaniumalloysandprogressofitsdevelopmentovertheworld.Besides,selectingprincipleofsuperplasticformingmoldisalsopresented.Atlast,thedevelopmentofsuperplasticformingoftitaniumalloysisprospected.Keyword:titanium;superplasticformingtechnology;superplasticformingmethod引言钛合金是一种重要的轻合金结构材料,具有比强度高和耐腐蚀性好等优异性能,在航空航天等工业领域得了日益广泛的应用。然而,钛合金锻造温度区间小、变形抗力大,加工比较困难,制造成本很高,从而阻碍了钛合金的推广应用。近年来发展的超塑性成形技术改善了钛合金成形这一状况。金属在超塑性状态下具有极好的填充性能和较低的流动应力,通常仅有普通金属加工变形抗力的几分之一,因此有利于进行多种形式的超塑性成形。为了实现现代工业化条件下的钛合金成形加工,研究开发超塑性钛合金及其超塑性成形技术成为推动钛合金实际应用的必然要求。1钛合金超塑性的研究1.1超塑性理论超塑性是指材料在一定的内部(组织)条件(如晶粒形状及尺寸、相变等)和外部(环境)条件下(如温度、应变速率等),呈现出异常低的流变抗力、异常高的流变性能(例如大的延伸率)的现象[1]。一般使用材料的延伸率来衡量。金属在超塑性状态下的宏观变形有如下特点:大变形、无颈缩、小应力、易成形。按变形效应的机理来分,可以将金属的超塑性分为如下三大类:第一类是具有细小等轴晶粒(晶粒细化的程度要达到0.5~5μm,一般不超过10μm)的材料在较高变形温度和较低应变速率下表现出的超塑性称为微晶超塑性或结构超塑性。第二类是在变形过程中由反复的循环相变或同素异形转变诱发的超塑性称为相变超塑性或动态超塑性。第三类是其他类超塑性。如在消除应力退火过程中,在应力作用下金属可以得到超塑性[2]。为了描述超塑性过程中的力学特征美国的Backofen提出应力与应变速率的关系式[3]:σ=K𝜀𝑚式中:σ表示流动应力;K表示材料系数,与变形温度、显微组织和结构缺陷等有关;ε表示应变速率;m表示流动应力对应变速率的敏感性指数。m值是材料超塑性能的重要特征,它反映了材料在拉伸变形过程中的抵抗缩颈发展的能力,其值等于应力-应变速率对数曲线的斜率,通常m值越大,抵抗缩颈发展的能力越好,则伸长率越大,超塑性越好。对于一般金属及合金m≤0.3;对超塑性材料m0.3,一般在0.3~0.8之间。1.2钛合金的超塑性钛合金根据室温条件下晶体结构的不同分为α-Ti合金、β-Ti合金以及α+β-Ti合金,α-Ti合金是密排六方结构(如图1a所示),β-Ti合金为体心立方结构(如图1b所示)。(a)密排六方结构(b)体心立方结构图1钛合金的晶体机构含有铝锡和(或)铅的钛合金为α钛合金主要有TA4(Ti3Al)、TA5(Ti4Al0.005B)、TA6(Ti5Al)和TA7(Ti5Al2.5Sn)这类钛合金组织稳定耐热性高焊接性优良适宜于制造在高温和低温下使用的零部件如飞机蒙皮、压气机叶片等。其缺点是可锻性差不能通过热处理强化。Ti13V11Cr3Al、Ti8Mo8V2Fe3Al等钛合金是β钛合金这类钛合金强度较高、冲压性能较好、抗脆断性能好、易于焊接还可以通过热处理进一步强化。主要用于制造宇航工业用的结构件。其缺点是热稳定性较差不宜于制造高温下工作的零部件。TC1(Ti2Al1.5Mn)、TC2(Ti3Al1.5Mn)等钛合金属于α+β钛合金。这类钛合金塑性好,容易锻造和冲压成形,可时效强化,退火后有良好的低温性能、热稳定性能及焊接性能。主要用于制造火箭发动机外壳、舰艇耐压壳体等等。根据文献[4]得知,超塑性特性最好的是α+β型钛合金,α型和β型钛合金稍差。因为α+β型钛合金为两相合金,晶粒本来就细小,在超塑性加工过程中两相相互制约,晶粒难以长大,细晶粒能长时间保持下来,利于超塑性变形。相反,α型和β型钛合金的晶粒不能细化,且α型钛合金中不存在有助于提高超塑性的β相。β型钛合金中,由于不存在α相,β相晶粒可迅速长大。2钛合金超塑性成形的方法2.1超塑性等温锻造等温锻造是近年来国外发展的一种新工艺,利用在一定条件下超塑性状态完成锻造。钛合金通常使用IN100等Ni基耐热合金模具在大气中进行锻造。锻造时,模具用高频感应加热线圈包围进行加热[5],使模具与坯料在成形中始终保持相同的温度。从而保证金属能在超塑性温度及变形速率下变形,得到更接近成品尺寸的工件,无需后续精加工,提高成形性并降低成本。与普通锻造方法相比,等温锻造具有整个锻造过程中,锻模和锻材始终处于相同的加工温度;锻造速度慢,应变速率小;没有模具激冷、表面氧化和局部过热倾向小;可获得更理想的微观组织和机械性能等优点,故采用等温锻造方法生产的锻件,具有锻件精度高、表面质量好、锻件材料的利用率高和锻件尺寸稳定等优点[6]。2.2等通道转角挤压等通道转角挤压(Equalchannelangularpressing,ECAP)是一种通过纯剪切变形制备高性能材料的独特的加工方法,它可以有效地细化合金组织,得到具有高强度和优异超塑性能的超细晶材料。经ECAP变形后,Ti6Al4V的晶粒细化到300nm以下,屈服强度和极限强度都明显的提高,材料的疲劳性能也显著的改善。对超细晶Ti6AI4V的超塑性性能研究表明:采用ECAP方式获得的超细晶钛合金有利于提高钛合金的超塑性[7]。等通道转角挤压的模具由两个成一定角度的等径通道组成,可以在不改变试样尺寸的前提下进行多次挤压变形,增大总应变量。等通道转角挤压的原理示意图如图2所示。将试样放入等径的弯曲通道中,试样在压力p作用下通过通道,在弯曲处产生均匀的纯剪切变形。ECAP过程中材料的变形机理是通过剪切形变的交互作用使晶粒细化。变形初期的塑性变形导致了高密度的位错缠结,相互缠结的位错间会相互作用并重新排列。随着变形程度增加,在亚晶内部产生更多的位错,并且这些可动位错被亚晶界进一步吸收,从而使得亚晶间的位向差增加,以至于亚晶界逐渐形成小角度晶界,然后又演化为大角度晶界,从而实现组织的超细化。影响通道转角加压工艺,细化钛合金的晶粒,提高钛合金超塑性的工艺参数有[8]:(1)挤压次数。随着挤压次数的增加,累积的塑性变形量就会越大,晶粒细化的程度增高,当达到一定的加压数目后晶粒的几何尺寸基本不再变化。如下图所示TA15钛合金随着挤压次数的增加晶粒变细,且分布均匀,等轴化程度高。(a)初始试样(b)挤压2次(c)挤压3次图3不同挤压次数后试样TAl5的组织(2)具通道转角。钛合金是难变形材料,在选取相应的挤压角度时要充分考虑材料的变形难度。当模具内角Φ过小时,变形抗力大,不易挤压;而Ψ过大时,单次变形获得的等效应变小,达不到晶粒细化的效果。(3)在金属ECAP变形中,随着温度的升高,原子动能增加,位错活动性提高、滑移系增多,晶粒容易发生回复和再结晶,金属的塑性得到提高,有利于挤压的进行和晶粒的细化。但温度升高,晶粒尺寸会明显变大,不容易形成大角度晶界。因此,ECAP变形过程中温度对晶粒细化必然产生重要影响。还有其他工艺参数也会影响最后钛合金的晶粒细化效果,例如挤压路径、加压速率、背压、摩擦条件。由于篇幅所限在此不再一一叙述。但这里要说的是影响晶粒细化效果的各因素不是简单的叠加作用,而是有着相互影响、相互制约的多样性和复杂性。如何获得材料的最佳工艺参数。获得均匀分布的超细晶组织,并通过反复试验探寻ECAP。细化晶粒的内在影响因素和作用机理,将是今后研究的主要方向。2.3超塑性成形与扩散连接的结合超塑性成形与扩散连接结合技术——即SPF/DB技术。它是利用钛合金在特定的显微组织、温度及拉伸量下,合金的延伸率超过100%的特性进行超塑成形;同时在同等条件下,把温度控制在合金的熔点以下进行焊接,在足够的热量和压力之下,使加工金属的接触面上的原子和分子相互扩散,从而连接成一个整体。钛合金工件在封闭模具中成形,然后在真空或惰性气体环境中进行扩散连接,由于两者加工温度相近,可同时进行这两项工艺,使得钛合金的大型复杂结构件可一次加工成型,得到的工件性能良好且加工成本得到降低。SPF/DB技术在国外已经得到广泛的应用。美国是开展钛合金SPF/DB技术研究与应用最早的国家。目前,美国至少有12家较大的公司具有生产钛合金SPF/DB结构件的能力。而且20世纪80年代麦道公司生产的F-15战斗机上就有钛合金结构件约22个,在F-18战斗机上也有。在罗尔公司生产的CF6-80发动机上约有7000个这样的结构件。钛合金SPF/DB技术在我国开展研究已有十多年。目前,钛合金结构件的研制已从次承力构件发展到主承力构件,从二层结构件发展到三层、四层、夹层结构件,从一般结构件发展到精密结构件的制造,已接近国外先进水平[9]。除了以上介绍的几种方法外,还有深冲、无模拉拔等其他方法。也有利用材料在超塑性状态下易焊合的特点进行金属间的固相焊合、粉末成形以及利用相变超塑性进行的切削和切断加工等。归纳起来超钛合金塑性加工的优点有以下几个方面:(1)能极大降低金属的流动应力,显著提高塑性,便于特殊、复杂形状零件的成形;(2)制件表面光洁度高,尺寸较精确不需要或减少了后续加工,既节约加工费用又减少材料单耗;(3)回弹减少,尺寸稳定;(4)组织均匀,使用性能好;(5)节省能源,节约工时、劳动力,提高生产率;(6)设计成本低,对模具的要求低。3钛合金超塑性成形技术模具材料的选用。成形模具所用材料是由钛合金超塑性成形的特点所决定的。(1)该模具材料应该具有良好的高温机械性能和抗蠕变性能。在超塑性成形和扩散连接工艺中为了保证产品的质量,通常气压为1-3MPa,为此模具必须在高温下能承受此压力而不致破坏和变形。同时由于此工艺工作时间较长,所以还要求高的抗蠕变性。(2)模具材料还要具有良好的抗氧化能力。金属材料在高温下和空气中一般都会发生氧化,生成氧化皮。如果氧化皮较疏松,则会脱落,无法保持模腔的形状和尺寸。超塑性成形模具必须具有良好的抗氧化性,要求在模具表面生成致密的氧化膜,以保护内层金属不再继续氧化,从而保持模腔原有的尺寸和形状。(3)模具材料应该具有好的急冷急热性能和热稳定性。超塑性成形在高温下进行,取零件、放毛料会使模具表面温度急剧下降,使模具内外产生温差,引起热应力,造成模具变形甚至开裂。为避免此类现象产生,要求模具材料的急冷急热性能良好,材料的导热系数越高模具内外温差就越小,热应力也就越小。模具抗高温生长性能、尺寸稳定性能要好,膨胀系数最好与钛合金相接近。这样模具材料对钛合金零件不产生污染。(4)良好的铸造、锻压和机加工性及可焊性也是模具材料所应该具有的性能。超塑性成形模具毛坯一般来说最好采用
本文标题:钛合金超塑性研究的进展
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