10-钛合金成形

第十章钛合金成形一、钛合金的性能、种类及应用二、钛合金的成形工艺三、钛合金的热成形四、真空蠕变成形五、超塑性成形六、热成形设备和模具七、特种成形方法二十世纪末，钛合金在航空航天领域的应用日益扩大、逐渐成熟。以美国F-22为代表的第四代飞机，钛合金用量已占机体总重量的40%，法国的“阵风”和欧洲2000也大量采用钛合金结构；其中钛合金超塑成形/扩散连接技术不仅用于制造口盖、舱门，而且用于制造飞机的前缘缝翼、鸭翼和减速板。我国先进飞机的腹鳍、口盖和发动机整流叶片、管件及先进的导弹弹体部件也大量采用了钛合金薄壁结构，采用先进成形技术制造的钛合金压力容器已经进入了批量生产阶段。特别是钛合金的超塑成形、超塑成形/扩散连接、热成形技术、钛合金阳极氧化和化铣技术等，有了长足的发展。战斗机上钛材的应用情况型号M数钛结构总重（%）F8611.0F1011.82.9F111A2.58.0鹞式1.255.0F142.524.4F152.526.5F2240.0我国几种飞机上钛合金使用情况机型发展年代使用项目使用件数使用总重量比重（%）J-75025719.00.24J-860205805671.4J-12705859131.0Y-7608717156.60.784Y-107013445056.5某空空导弹部件1212号空空号空空导弹钛合金舱体及翼面成型、焊接导弹钛合金舱体及翼面成型、焊接某空空导弹的壳体12号空空导弹壳体某空空导弹的壳体12号空空导弹壳体扩散焊接某空空导弹的钛合金零件某空空导弹的钛合金零件某空空导弹的钛合金零件某歼击机减速伞挂钩的接头扩散焊接（左）某歼击机上的零件翼梁超塑成形过程及零件翼梁超塑成形零件一、钛合金的性能、种类及应用1.性能：——物理性能——化学性能——机械性能——其它性能——物理性能——比重4.5g/cm3——熔点1668±10ºC——膨胀系数0.9×10-6cm/cm/度——电阻率171×10-6——化学性能耐腐蚀性由于氧对钛的亲和力很高，在钛表面常有一层薄而坚固的氧化膜，这层氧化膜的存在使得钛在许多强腐蚀介质中呈钝化状态，因而钛具有十分突出的耐腐蚀性。——机械性能——屈服极限高——比强度高——弹性模量低，回弹大——成形范围小，易破裂——高温蠕变性能好——缺口敏感性强——其它性能（焊接性能良好）以纯钛为最好，随合金元素的增多或不同而变坏。一般来说，钛合金的焊接强度与母体材料几乎相同，但延伸率和冲击韧性稍有下降。钛合金的综合性能•比重小，强度大，比强度高•耐多种介质腐蚀，尤其是耐海水腐蚀•高温下化学性能活泼，易受污染•屈强比高，塑性变形区小，常温下难加工•弹性模量低，回弹大•对缺陷敏感，易产生裂纹、擦伤，易粘接•延伸率较低，热传导率小2、钛和钛合金的种类及牌号工业纯钛TA1~10α型稳定型——这类合金不能依靠热处理来改善性能，但有良好的焊接性、高温强度和韧性及抗氧化能力。钛合金TC1~8α+β型固溶型——这类合金能通过热处理来提高和改善它的机械性能和加工性。钛合金TB1~2β型共析型——这类合金数量很少，可以通过热处理进行强化，并通过退火处理改善加工性能。3、钛和钛合金的应用•意义钛是一种重要的战略物资•应用广泛航空航天领域为主，化工、冶金、石油、兵器、医疗等等行业都有使用•发展中的困难熔炼、成形、设备、工艺装备二、钛合金的成形工艺1、钛合金的成形性能2、提高成形性能的方法——加热成形1、钛合金的成形性能——σb大，变形安全，不易破裂——σs大，变形抗力大机床压力大、模具抗压要求高——σs/σb（屈强比）大，成形范围小——σs/E大，回弹大，成形后不易贴模——延伸率小，常温下难成形（但随着温度的升高延伸率增大）综合如下：——比强度高——耐腐蚀性强——高温下的化学性能活泼，易受污染——屈强比高，塑变区域小，室温难成形——弹性模量低，回弹大2、提高成形性能的方法（加热成形）——温度（升高）——压力（加大）——时间（延长）——成形速度（降低）——应力状态——材料组织——应力集中、各向异性综合：——钛合金冷成形困难——钛合金适用于高温、低速、长时间、低压力的成形方法解决的方法——采用热成形带来的新问题：——热成形设备——工艺准备（模具材料）——加热保护——加热清洗——加热润滑三、钛合金的热成形钛合金冷成形塑性低，回弹大。特别是零件形状较复杂的更是难以成形，因此，常采用加热成形的方法。钛合金加热成形能使零件贴模，基本消除手工校正量。但也带来许多问题：如工装问题、设备问题和工艺问题。而其中主要是加热的设备、装置、耐高温模具、高温下的润滑和防止污染等问题。三、钛合金的热成形1、加热零件成形法2、加热模具成形法3、其它加热成形法4、热成形的工艺问题——加热成形法常见的加热方式有三种：一是利用常规的冷成形设备和模具，对零件进行加热；二是利用常规的成形设备，对模具进行加热；三是采用专用的加热压床或装置。1、加热零件的成形法这种方法是加热成形中最简单、最方便的方法。其特点是可以利用一般冷成形的冲压设备和工艺准备，另添置一套加热零件的装置，其加热零件的方法有以下几种：——辐射加热法——电阻加热法——火焰加热法——感应加热法——炉内加热法——辐射加热法利用红外线辐射加热零件。红外线石英灯加热能在很短的时间内（几十秒内）将钛板加热到500~600ºC。——电阻加热法利用钛板自身具有较高的电阻率通电后使其自身加热。能在十几秒或几十秒内，将钛板加热到接近千度。这种方法主要用于落压、拉弯上，也可用于拉形和冲压上。这种方法的特点是加热快、成形快。——火焰加热法在冷冲压加工中，对于难成形的局部采用火焰局部加热，或落压中用火焰加热全部板件。这种方法也是一种简易的办法。在冷成形的工装设备基础上只需附加一套简易的加热装置即可。这种方法主要问题是比前两种有更大的氧化和污染问题，且受热不均。——感应加热法这是一种利用高频电源感应方法加热。其特点是加热速度快，但由于设备的限制只适用于小型的旋转体零件。——炉内加热法在各种冷成形设备旁边附加一加热炉，将毛料在炉内加热，取出后迅速送到模具上成形。由于毛料散热，故仅适用于冲压和落压成形。以上几种方法的特点是加热速度快，快速成形，因无蠕变过程，故成形后的零件仍然有少量的回弹，还需进行热校形或手工校正。另外，以上各种加热法的成形温度还没有好的测定方法。其次，加热时钣料容易氧化和污染。但它的优点是采用常规的设备和模具，不要耐热工艺准备和特殊设备，成本较低，上马快。2、加热模具成形法此法是先加热模具，然后毛料放入模内加热，达到一定的温度时压制成形。成形过程中，能保持一定的压力和温度，零件变形时有蠕变过程。因此，容易贴模，温度也容易控制。由于要保持一定压力，一定时间，因此多数在液压机上成形。——电热管、电热元件加热——炉内加热法3、其它加热成形法——模具和材料一起加热——简易的爆炸成形装置，它是利用高温固体（热砂等）加热毛料和模具的4、钛合金热成形的工艺问题•保护——防氧化、污染•润滑——防划伤、粘模上述两个问题结合起来考虑，采取以下措施来解决：涂料（石墨水剂）、阳极化、化学转换涂层•清洗——去氧化层及污染，使表面恢复光亮•热处理——改善组织、提高性能1212号空空号空空导弹钛合金舱体及翼面成型、焊接导弹钛合金舱体及翼面成型、焊接某导弹上钛合金部零件12号空空导弹壳体12号空空导弹壳体扩散焊接1212号空空号空空导弹钛合金舱体及翼面成型、焊接导弹钛合金舱体及翼面成型、焊接翼面蒙皮（TC4厚度0.8mm）舵面蒙皮（TC4厚度1.0mm）四、真空蠕变成形钛合金加热成形或校形时，零件在模具内于高温下保温保压，使零件贴模。这个保温保压过程就是蠕变过程。1、蠕变的概念所谓蠕变就是缓慢的变形，即金属在载荷作用下，材料产生缓慢的变形。随着时间的增加，变形量增加；如果载荷增加或温度增加变形速度也增加。利用金属和合金的蠕变特性，进行飞机钣金零件成形的方法——蠕变成形工艺。2、蠕变成形的装置和特点蠕变成形采用的单位压力很低。为了防止金属在高温下蠕变时产生氧化和污染，采用抽真空成形，此即为真空蠕变成形。这种成形方法的特点是：成形速度低，成形压力小，钣料在真空中成形避免了高温氧化和污染。这种方法适用于成形大型单曲和双曲度的蒙皮零件。五、超塑性成形1、超塑性的概念2、超塑性成形装置和特点3、超塑成形/扩散连接（SPF/DB）*超塑性成形零件我国航空625研究所采用超塑成形法制造的零件*热成形组件1、超塑性的概念金属超塑性在工程上的定义是：凡金属材料在特定的内在条件（指材料成分、组织及相变能力等）和外在条件（指温度、加热方式、压力及应变速率等）下，呈现无缩颈和异常高的延伸率（即δ值）的特性，通称为超塑性；凡δ100%的变形称之为超塑性变形；该材料称之为超塑性材料，利用这种特性成形零件的方法称之为超塑性成形。——超塑性变形的宏观特性*大延伸*无缩颈*小应力*易变形基于上述特性，超塑性材料的流动性和填充性极好。——超塑性变形的工程特点*改善了材料的成形性*提高了产品的质量*为设计提供了更多的自由度*减小了成形的压力——超塑性变形的工艺参数*成形温度*应变速率*成形压力*保压时间上述四个方面同时也是影响超塑性成形的四个因素。——钛板超塑性成形的优点*一次成形的变形量大*可以半模成形*成形设备所需的压力（吨位）小*零件的形状与尺寸稳定*结构灵活性强*材料内部组织均匀*可以发展新型结构——具备超塑性的条件*温度0.5–0.7Tm(熔点)*稳定而细小的晶粒（10μm以下）*缓慢的成形速度2、超塑性成形装置和特点超塑性金属或合金进行超塑性成形必须具备的成形条件——温度和压力。因此各种成形装置首先要将钣料加热到超塑性温度，然后徐徐加上比较稳定的载荷。*超塑性吹胀成形装置示意图3、超塑成形/扩散连接SPF/DB——SuperplasticForming/DiffusionBonding固态扩散连接是靠高温下材料表面的局部塑性变形而使接触面贴紧，以保证连接材料表面层上的互扩散，产生原子量级上的结合，从而获得一种整体接头的技术。（国际焊接年会1973年定义）从70年代开始对钛SPF/DB进行研究。美国在1974~1976年内完成了“低成本、先进的钛合金结构”的研究发展计划，耗资1400万美元（国家投资，不计企业投资）。在最后的报告中指出：改组合工艺结构重量降低30％，成本降低40～50％。这对飞机设计和制造来说，是两个可观的指标。这项计划应用在F－15型飞机的后机身整个壳体。F-15型战斗机——固态金属的连接过程——物理性接触——接触表面的活化并形成活化中心——紧密连接钛合金零件的扩散连接是在足够压力下和在保护气体中完成的。由于加热加压的结果，使工件界面上的分子与原子相互扩散熔为一体，其连接强度可达基体材料的数值。——SPF/DB组合工艺的优点钛合金零件的超塑成形与扩散连接组合工艺的实质是在同一工作温度下同时完成成形与连接。该工艺具有以下几大好处：——显著降低了制造成本——大大减轻了结构重量——扩大了钛合金结构的应用*超塑成形/扩散连接零件*超塑成形/扩散连接零件*超塑成形/扩散连接零件六、热成形设备和模具在冲床、落锤等设备上冲压钛合金零件，主要问题是速度太快，没有蠕变过程，所以成形的零件出现回弹、不贴模。若采用有加热装置的液压机床成形钛合金零件，合理地控制成形温度、压力和时间，将能获得基本没有回弹、无须手工修正的零件。因此，随着钛合金应用日益广泛，现已出现专用的或改装的各种加热成形机床如电热平台式液压床，电炉式液压床和其他热成形装置。1、热成形设备——电热平台式蠕变成形机该机床主要用于飞机中、小型的框肋、型材等零件的热校形和热成形。——电炉式蠕变成形机——蚌壳式加热蠕变成形机2、热成形模具钛和钛合金热成形温度在600~800ºC左右，因此模具必须有以下要求：——具有良好的抗高温氧化性能——具有良好的抗高温生长性能——具有良好的高温机械性能——具有较高的相变温度——具有良好的急冷急热性能——具有良好的机械加工性能*目前采用的方法有：——表面涂层模具——耐热钢或耐热