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航空工業中鈦合金鍛造工藝分析及應用

文字來源:深圳市圣瑞金屬科技有限公司人氣:844發布時間:2018-10-10

  1 概述
  隨著我國國民經濟、科學技術的大發展,航天、航空工業近年迎來了新的發展契機,尤其在國家“大飛機”項目立項后,民用航空制造產業將成為引領國民經濟發展的新的經濟增長點,有著廣闊的發展前景。民用航空制造企業為了不斷提高飛機的先進性、可靠性、適用性,增加國產飛機的國際市場競爭力,對航空制造材料的選擇要求越來越高;鈦合金的主要特點是比重小,強度高,同時具有良好的耐熱、耐腐蝕性能,成為現代飛機受力構件的主選材料,大大減輕了飛機重量,其中TC4(Ti-6AL-4V)和TB6鈦合金鍛件在航空制造中應用較多。
  2 鈦合金及鍛造工藝的分類
  根據室溫顯微組織,鈦合金可分為三種類型:α型合金、α+β型合金和β型合金,其中α和α+β型合金的熱塑性與變形速度關系不大,而β型合金有良好的可鍛性但溫度過低可能引起α相沉淀。鈦合金的鍛造工藝按鍛造溫度與β轉變溫度的關系,分為常規鍛造與高溫鍛造。
  2.1 鈦合金的常規鍛造
  常用變形鈦合金通常都是在β轉變溫度以下鍛造的,稱為常規鍛造。根據坯料在(α+β)相區加熱溫度的高低,可細分為上兩相區鍛造與下兩相區鍛造。?
  2.1.1 下兩相區鍛造
  下兩相區鍛造一般是在β轉變溫度以下40~50℃加熱鍛造,此時初生α相和β相同時參與變形。變形溫度愈低,參與變形的α相數量愈多。與β區變形相比,在下兩相區域β相的再結晶過程急劇加快,再結晶形成的新的β晶粒不僅沿變形的原始β晶界上析出,而且在β晶界內和α片層間的β中間層內出現。經這種工藝生產的鍛件強度很高,塑性較好,但其斷裂韌性與蠕變性能還有很大潛力。
  2.1.2 上兩相區鍛造
  它是在β/(α+β)相變點以下10-15℃的溫度下始鍛。其變形后的最終組織含有較多的β轉變組織,可提高組織的蠕變性能和斷裂韌性;使鈦合金塑性、強度、韌性兼得。
  2.2 鈦合金的高溫鍛造
  也稱為“β鍛”,分為兩種:第一種是坯料在β區加熱,在β區開始并完成鍛造的工藝方法;第二種是坯料在β區加熱,在β區開始鍛造,并控制很大變形量在兩相區完成鍛造的工藝方法,簡稱為“亞β鍛”。與兩相區鍛造相比,β鍛造能得到較高的蠕變強度和斷裂韌性,還有利于鈦合金周疲勞性能的提高。
  2.3 鈦合金的等溫模鍛
  該種工藝利用了材料的超塑性及蠕變機理來生產較復雜鍛件,要求模具預熱并保持在760~980℃的范圍內;液壓機以預定的值施加壓力,壓力機的工作速度由毛坯的變形抗力自動調節。由于模具改為加熱的,不需要采用那么快的活動橫梁去避免急冷。飛機上用的許多鍛件都具有薄壁和肋高的特征,故在航空制造中該種工藝得到了應用,如國產某型機的TB6鈦合金等溫精模鍛件工藝。
  3 TC4鍛件缺陷分析及工藝改進
  3.1 TC4鍛件缺陷的出現及分析
  某廠按航標進行TC4鍛件試生產時,檢測出試件幾項鍛件性能指標不合格,其中“缺口應力斷裂”指標小于5小時,針對此問題,首先應從TC4的金相組織形態分析,然后從鍛造工藝找原因。
  3.1.1 TC4的金相組織形態特征
  TC4鈦合金屬α+β型鈦合金,組成為Ti―6AL―4V,退火組織為α+β相,含有6?的α穩定元素鋁,通過固熔強化使α相的強度得到提高,釩穩定β相的能力較小,因此退火組織中β相的數量較少,大約占7-10?。
  TC4合金在不同的熱處理和熱加工條件下,基本相α、β的比例、性質和形態是很不同的。TC4合金的β轉變溫度在1000℃左右,若將TC4加熱到950℃,空冷后所得組織為初生α+β轉變組織;如加熱到1100℃、空冷,則得到粗大的完全轉變的β相組織,稱為魏氏組織。如果加熱和變形同時作用,影響更加明顯,將TC4合金加熱到β轉變溫度以上,但變形較小,即形成魏氏組織。其組織特征是:塑性、沖擊韌性較低,但抗蠕變能力較好。如果開始變形溫度在β轉變以上,但變形程度足夠大,則得到的組織特征是:α相勾劃出的β晶界部分被粉碎,條狀α相部分被扭曲,稱為網籃狀組織。其特征是塑性、沖擊韌性較魏氏組織好,近似于等軸細晶組織,高溫持久和蠕變性能較好。如果加熱溫度低于β轉變溫度,且變形程度足夠,即得到等軸組織。其特點是綜合性能較好,特別是塑性和沖擊韌性較高。如果在α+β相區高溫部分變形后又經高溫退火就混合型組織,其綜合性能好。
  從以上對金相組織的分析可判斷若TC4性能下降,可能由鍛造過程中兩個環節引起:
 ?、偌訜釡囟冗^高,達到或超過β轉變溫度;
 ?、阱懠冃纬潭炔粔虼?。
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