钛合金的发展现状及应用前景
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钛合金材料的生产技术已达到较高水平, 近年在 技术量变上不断取得一定进展。在钛合金传统的熔 炼、铸造和成型工艺技术基础上开发并应用了不少新
112
舰船科学技术
第 31卷
工艺、新技术。在熔炼方面, 冷床炉熔炼技术已成功 应用于工业化生产, 能熔炼 25 t重的无偏析和夹杂铸 锭, 残钛回收率增加, 凝壳- 自耗电极熔炼技术 也在 真空自耗熔炼技术基础上增加了不少优点, 使得残钛 回收率提高, 投资节省, 冷坩埚熔炼技术进一步发展 后, 使得熔化能力大大提高, 解决了凝壳问题。在铸 造方面, 冷坩埚 + 离心浇铸技术、真空吸铸和压铸技 术已使产品质量进一步提高。冷坩埚感应熔炼后进 行离心浇铸生产钛合金铸件, 可以节省原材料, 降低 预热成本, 并提高铸件精度, 消除缩孔和疏松。真空 吸铸技术广泛用于高尔夫球杆头等薄壁型产品生产, 真空压铸法采用金属模取代陶瓷模后, 产品质量 较 好, 成本降低。在成型方面, 具有代表性的工艺是激 光成型技术和金属粉末注射成型技术。前者采用计 算机模型直接用金属粉末生产零件, 不需要硬模, 性 能在铸造与锻造状态之间, 成本低 15% ~ 30% 。注 射成型技术用于制造高质量、高精度复杂零件 ( 如武 器系统 ) , 但其原料球 形钛粉末成本高, 还不宜 民用 推广。
由于钛在液化状态时化学活性非常高, 钛与气体 和所有制模成形用的难熔材料都有很 高的活性, 因
此, 钛合金铸造成形工业化的生产晚于变形钛合金和 变形工艺。要掌握钛合金的熔炼技术难度较大。目 前, 在俄罗斯和西方一些国家, 实际上还没有开发研 制出专门用于复杂结构的铸造钛合金, 而是采用一般 工业化钛合金制造技术, 既生产铸造钛合金, 又生产 变形结构钛合金和高温钛合金 [ 2] 。
100 0 ( 100 4) 970( 975 3 )
目前, 由于国际紧张局势的缓和和军备缩减, 使 军用飞机的钛需求量减少, 但民用客机今后可望继续 增长。要使钛业得以生存, 普遍认为还是要扩大飞机 以外的一般用途。近十几年来, 随着钛工业的发展, 钛及钛合金已由军用逐渐转向民用, 由航空工业逐渐 转向一般工业。 1 1 铸造钛合金与变形钛合金
钛合金板材按厚度和宽度由大到小可分为中厚 板、板材、带材、箔材。随着近些年来对国外先进的钛 合金轧制设备的引进, 我国在钛 合金板材的产品 体 系、产品的质量标准上已逐步与国外先进标准接轨。 未来我国在板材的生产上应加大高性能的钛合金牌 号板材的研发, 要加速超厚板及超薄板材的研制和生 产 [ 6] 。
多年来, 钛的精密铸造依赖于真空自耗电弧熔炼 工艺。这种工艺生产效率低, 成本高, 限制了铸件生 产能力的提高, 难以满足用户的需要。为此, 法国一 家公司开发了一种独特的冷坩埚感应熔炼并进行离 心浇铸的精密铸造工艺来生产钛合金铸件。与传统
工艺相比, 该工艺具有以下优点: ! 节省原材料, 可 以使用优质的锻造或轧制边角料; ∀ 可降低铸模的 预热温度, 降低预热成本; # 可大大减少由于铸模与 金属液反应而形成的富氧 A 层, 相应地减少清除铸 件表面 A 层的工作量, 同时又保留了大部分铸造表 面, 尺寸精度高。该工艺适合生产从几 g 到 2 kg的 铸件, 铸件的壁厚最小可达 0 5 mm。由于采用了离 心浇铸和随后的热 等压, 铸件几乎不 存在缩孔和疏 松。
第 31卷第 12期 2009年 12月
舰船科学技术 SH IP SC IENCE AND TECHNOLOGY
V o.l 31, No. 12 Dec. , 2009
钛合金的发展现状及应用前景
陈国琳 1, 吴鹏炜1, 冷文军 1, 吴兰鹰 2, 王自东 2
( 1. 武汉第二船舶设计研究所, 湖北 武汉 430064; 2. 北京科技大学, 北京 100083)
组成选择轧制温度, 在 相区或 + 相区给予大于 30% ~ 40% 的变形量。对于变形抗力高、热轧加工塑 性差的高合金化钛合金如 TA7 厚板坯, 选择加热温 度在 相区更有利于变形, 能充分利用合金塑性而减 少回火次数。温轧与热轧比较, 显著降低了金属的氧 化及吸气程度, 可以获得表面质量好的带材, 减轻了 去掉氧化吸气层的工作量。温轧与冷轧相比, 显著降 低了金属变形抗力, 有较好的塑性, 可以强化轧制过 程, 减少中间退火次数, 以及可将难变形钛合金轧成 薄板材。一般情况下, 不同温度的轧制工艺要组合进 行, 如钛合金薄带及箔材的生产工艺过程的主要工序 由制备热轧带卷坯料、温轧及冷轧带坯、多辊轧机轧 制薄带材 组成 [ 4] 。冷轧可 提高板坯的尺寸 精度, 是 薄带及箔材最后压力加工的主要工序。为减少加工 硬化, 常在轧制过程中辅以退火。
此外, 生产焊管的带式生产技术、生产无缝管的 斜轧穿孔制坯技术、玻璃润滑技术、锻件生产中的快 锻机技术等也得到了较大发展和广泛应用。美国和 日本在上述新技术的应用方面比较成熟和普及, 而独 联体和我国正在积极提高钛合金材料生产工艺技术 水平。在我国, 低强、低合金化钛合金无缝管生产技 术已经成熟, 中、高强度钛合金管材温轧生产技术尚 属空白。由于无缝管成品率低, 约为 50% , 造价高, 大力发展薄壁焊管便成为当今管材生产的一种趋势。 目前, 我国尚不能生产焊管所需钛带, 严重阻碍钛焊 管的发展。而在日本、美国, 钛焊管正逐步取代轧制 管 [ 5] 。
( T iO2 conversion va lue)
m illion t
国家
钛铁矿
天然金红石
合计
澳大利亚
ห้องสมุดไป่ตู้
160
31
191
印度
210
20
230
越南
59
59
莫桑比克
21
06
21 6
挪威
220
24
244
乌克兰
60
60
加拿大
13
25
15 5
美国
36
36
巴西
59
18
60 8
其他
90
20 5
110 5
合计
850( 854 9)
摘 要: 综述了近年来国内外钛合金的生产工艺技术 及应用情况, 对钛 合金的发展 趋势进 行了展望, 认 为钛
合金具有巨大的应用潜 力, 提出了实现钛合金低成本化的建议。
关键词: 钛合金; 铸造; 压力加工; 综述
中图分类号: U668. 2
文献标识码: A
文章编号: 1672- 7649( 2009) 12- 0110- 04 DO I: 10 3404 / j issn 1672- 7649 2009 12 029
K ey w ords: t itan ium a lloys; foundry; press processing; summ ary
0引 言
钛及钛合金所具有的密度小、高比强度、耐高温、 耐腐蚀、无磁、透声、抗冲击振动等良好的综合性能, 为钛及钛合金在各个工业领域开辟了广阔的应用前 景。近 10年来, 钛及钛合金越来越多地用于化工机 械、船舶工业、汽车工业、石油天然气工业, 以及食品、 医疗设备等工程。对于钛合金, 精密铸造是最成功也 是应用最广泛的近终成形制造技术 [ 1] , 它可显著 提 高原材料的利用率 ( 可达 75% ~ 90% ), 降低加 工成 本。特别是 20世纪 70年代末以来, 热等静压技术广 泛应用于钛合金铸件, 使得某些铸造缺陷得以消除, 钛合金铸件的力学性能及其稳定性明显改善, 促使钛 合金铸件在宇航工业中取得了广泛的应用。
铸造钛合金和经过热变形的钛合金一样, 也存在 随合金强度的提高, 塑性下降的倾向。无论是持久强 度还是蠕变强度, 铸造钛合金都与变形钛合金相近。 铸造钛合金的另一个显著特点是疲劳强度较低。铸 造钛合金的热处理与变形钛合金的热处理制度基本 相同。
钛合金在冷状态下塑性低, 冷变形加工硬化快, 变形抗力高, 其变形加工的大部分变形都是在一定温 度下进行。如钛合金板材的加工过程按轧制温度区 分有热轧、温轧 ( 轧制温度 550 ~ 840 )、冷轧。由 于 相、 相具有不同的变形特点, 相区的工艺塑 性比 相区工艺塑性好, 变形抗力低, 但加热温度高 使吸气层深度增加, 在不均匀变形的作用下, 表面会 产生严重的裂纹, 而且口相区抗氧化能力差, 易使晶 粒粗大, 有产品性能恶化的危险。一般根据合金相的
2. U niversity o f Science and T echno logy B eijing, Be ijing 100083, Ch ina)
Abstract: T he product ion process techno logy and applicat ion o f titan ium alloys both here and abroad for late years have been summ arized in this paper. Authors speculate the developm ent trend o f t itan ium alloys and deem that titan ium a lloys possess vast poten tial applicat ion and o ffer the proposal to realize the low cost product ion of titanium alloys.
钛合金管材可分为无缝管和有缝管, 无缝管按加 工方法又分为挤压管或轧制-挤压管; 有缝管有焊接 管或焊接- 轧制管。旋压 法一般用来制造长度较小 且直径与壁厚比值相当大的超薄无缝钛合金管。钛 合金管材的挤压工艺包括挤压坯料制备、加热、挤压、 精整和检验 5部分。由于钛是化学活性金属, 钛合金 在大气中加热时容易被污染, 因此挤压坯在加热时必 须设法加以保护以免受或少受气体污染。保护的办 法有包套、涂层、盐浴加热等; 为减少挤压过程中的氧 化, 防止钛合金与模具粘结, 挤压时应采用润滑剂, 包 套挤压一般采用润滑脂, 而裸体挤压多采用玻璃润滑 剂, 在挤压温度的作用下, 具有一定粘度的玻璃润滑 剂均匀附着在制品表面。钛合金无缝管的轧制生产 工艺过程包括管坯制备、轧制、热处理、精整及检验等 5 个部 分。 钛 合 金 焊 接 管 的生 产 工 艺 过 程 包 括 钛 带 开卷、成型、焊接、矫直、检验等, 焊接-轧制管与焊接 管的不同点在于焊接成管坯, 再进行轧制, 其尺寸精 度和表面质量得 到改善。钛合金焊接管或焊 接-轧 制管的主要特点是生产周期短、成材率高并可生产定 尺长的薄壁管材, 但它对钛带质量要求高。有些工作 条件恶劣的设备或部件, 如置于数千米海水中的海洋 勘探仪器外壳及承受较大压力通入腐蚀介质的管道、 航空液压管路系统 等, 从安全因素考 虑多采用无缝 管。 1 2 钛合金生产技术
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舰船科学技术
第 31卷
工艺、新技术。在熔炼方面, 冷床炉熔炼技术已成功 应用于工业化生产, 能熔炼 25 t重的无偏析和夹杂铸 锭, 残钛回收率增加, 凝壳- 自耗电极熔炼技术 也在 真空自耗熔炼技术基础上增加了不少优点, 使得残钛 回收率提高, 投资节省, 冷坩埚熔炼技术进一步发展 后, 使得熔化能力大大提高, 解决了凝壳问题。在铸 造方面, 冷坩埚 + 离心浇铸技术、真空吸铸和压铸技 术已使产品质量进一步提高。冷坩埚感应熔炼后进 行离心浇铸生产钛合金铸件, 可以节省原材料, 降低 预热成本, 并提高铸件精度, 消除缩孔和疏松。真空 吸铸技术广泛用于高尔夫球杆头等薄壁型产品生产, 真空压铸法采用金属模取代陶瓷模后, 产品质量 较 好, 成本降低。在成型方面, 具有代表性的工艺是激 光成型技术和金属粉末注射成型技术。前者采用计 算机模型直接用金属粉末生产零件, 不需要硬模, 性 能在铸造与锻造状态之间, 成本低 15% ~ 30% 。注 射成型技术用于制造高质量、高精度复杂零件 ( 如武 器系统 ) , 但其原料球 形钛粉末成本高, 还不宜 民用 推广。
由于钛在液化状态时化学活性非常高, 钛与气体 和所有制模成形用的难熔材料都有很 高的活性, 因
此, 钛合金铸造成形工业化的生产晚于变形钛合金和 变形工艺。要掌握钛合金的熔炼技术难度较大。目 前, 在俄罗斯和西方一些国家, 实际上还没有开发研 制出专门用于复杂结构的铸造钛合金, 而是采用一般 工业化钛合金制造技术, 既生产铸造钛合金, 又生产 变形结构钛合金和高温钛合金 [ 2] 。
100 0 ( 100 4) 970( 975 3 )
目前, 由于国际紧张局势的缓和和军备缩减, 使 军用飞机的钛需求量减少, 但民用客机今后可望继续 增长。要使钛业得以生存, 普遍认为还是要扩大飞机 以外的一般用途。近十几年来, 随着钛工业的发展, 钛及钛合金已由军用逐渐转向民用, 由航空工业逐渐 转向一般工业。 1 1 铸造钛合金与变形钛合金
钛合金板材按厚度和宽度由大到小可分为中厚 板、板材、带材、箔材。随着近些年来对国外先进的钛 合金轧制设备的引进, 我国在钛 合金板材的产品 体 系、产品的质量标准上已逐步与国外先进标准接轨。 未来我国在板材的生产上应加大高性能的钛合金牌 号板材的研发, 要加速超厚板及超薄板材的研制和生 产 [ 6] 。
多年来, 钛的精密铸造依赖于真空自耗电弧熔炼 工艺。这种工艺生产效率低, 成本高, 限制了铸件生 产能力的提高, 难以满足用户的需要。为此, 法国一 家公司开发了一种独特的冷坩埚感应熔炼并进行离 心浇铸的精密铸造工艺来生产钛合金铸件。与传统
工艺相比, 该工艺具有以下优点: ! 节省原材料, 可 以使用优质的锻造或轧制边角料; ∀ 可降低铸模的 预热温度, 降低预热成本; # 可大大减少由于铸模与 金属液反应而形成的富氧 A 层, 相应地减少清除铸 件表面 A 层的工作量, 同时又保留了大部分铸造表 面, 尺寸精度高。该工艺适合生产从几 g 到 2 kg的 铸件, 铸件的壁厚最小可达 0 5 mm。由于采用了离 心浇铸和随后的热 等压, 铸件几乎不 存在缩孔和疏 松。
第 31卷第 12期 2009年 12月
舰船科学技术 SH IP SC IENCE AND TECHNOLOGY
V o.l 31, No. 12 Dec. , 2009
钛合金的发展现状及应用前景
陈国琳 1, 吴鹏炜1, 冷文军 1, 吴兰鹰 2, 王自东 2
( 1. 武汉第二船舶设计研究所, 湖北 武汉 430064; 2. 北京科技大学, 北京 100083)
组成选择轧制温度, 在 相区或 + 相区给予大于 30% ~ 40% 的变形量。对于变形抗力高、热轧加工塑 性差的高合金化钛合金如 TA7 厚板坯, 选择加热温 度在 相区更有利于变形, 能充分利用合金塑性而减 少回火次数。温轧与热轧比较, 显著降低了金属的氧 化及吸气程度, 可以获得表面质量好的带材, 减轻了 去掉氧化吸气层的工作量。温轧与冷轧相比, 显著降 低了金属变形抗力, 有较好的塑性, 可以强化轧制过 程, 减少中间退火次数, 以及可将难变形钛合金轧成 薄板材。一般情况下, 不同温度的轧制工艺要组合进 行, 如钛合金薄带及箔材的生产工艺过程的主要工序 由制备热轧带卷坯料、温轧及冷轧带坯、多辊轧机轧 制薄带材 组成 [ 4] 。冷轧可 提高板坯的尺寸 精度, 是 薄带及箔材最后压力加工的主要工序。为减少加工 硬化, 常在轧制过程中辅以退火。
此外, 生产焊管的带式生产技术、生产无缝管的 斜轧穿孔制坯技术、玻璃润滑技术、锻件生产中的快 锻机技术等也得到了较大发展和广泛应用。美国和 日本在上述新技术的应用方面比较成熟和普及, 而独 联体和我国正在积极提高钛合金材料生产工艺技术 水平。在我国, 低强、低合金化钛合金无缝管生产技 术已经成熟, 中、高强度钛合金管材温轧生产技术尚 属空白。由于无缝管成品率低, 约为 50% , 造价高, 大力发展薄壁焊管便成为当今管材生产的一种趋势。 目前, 我国尚不能生产焊管所需钛带, 严重阻碍钛焊 管的发展。而在日本、美国, 钛焊管正逐步取代轧制 管 [ 5] 。
( T iO2 conversion va lue)
m illion t
国家
钛铁矿
天然金红石
合计
澳大利亚
ห้องสมุดไป่ตู้
160
31
191
印度
210
20
230
越南
59
59
莫桑比克
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21 6
挪威
220
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244
乌克兰
60
60
加拿大
13
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美国
36
36
巴西
59
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60 8
其他
90
20 5
110 5
合计
850( 854 9)
摘 要: 综述了近年来国内外钛合金的生产工艺技术 及应用情况, 对钛 合金的发展 趋势进 行了展望, 认 为钛
合金具有巨大的应用潜 力, 提出了实现钛合金低成本化的建议。
关键词: 钛合金; 铸造; 压力加工; 综述
中图分类号: U668. 2
文献标识码: A
文章编号: 1672- 7649( 2009) 12- 0110- 04 DO I: 10 3404 / j issn 1672- 7649 2009 12 029
K ey w ords: t itan ium a lloys; foundry; press processing; summ ary
0引 言
钛及钛合金所具有的密度小、高比强度、耐高温、 耐腐蚀、无磁、透声、抗冲击振动等良好的综合性能, 为钛及钛合金在各个工业领域开辟了广阔的应用前 景。近 10年来, 钛及钛合金越来越多地用于化工机 械、船舶工业、汽车工业、石油天然气工业, 以及食品、 医疗设备等工程。对于钛合金, 精密铸造是最成功也 是应用最广泛的近终成形制造技术 [ 1] , 它可显著 提 高原材料的利用率 ( 可达 75% ~ 90% ), 降低加 工成 本。特别是 20世纪 70年代末以来, 热等静压技术广 泛应用于钛合金铸件, 使得某些铸造缺陷得以消除, 钛合金铸件的力学性能及其稳定性明显改善, 促使钛 合金铸件在宇航工业中取得了广泛的应用。
铸造钛合金和经过热变形的钛合金一样, 也存在 随合金强度的提高, 塑性下降的倾向。无论是持久强 度还是蠕变强度, 铸造钛合金都与变形钛合金相近。 铸造钛合金的另一个显著特点是疲劳强度较低。铸 造钛合金的热处理与变形钛合金的热处理制度基本 相同。
钛合金在冷状态下塑性低, 冷变形加工硬化快, 变形抗力高, 其变形加工的大部分变形都是在一定温 度下进行。如钛合金板材的加工过程按轧制温度区 分有热轧、温轧 ( 轧制温度 550 ~ 840 )、冷轧。由 于 相、 相具有不同的变形特点, 相区的工艺塑 性比 相区工艺塑性好, 变形抗力低, 但加热温度高 使吸气层深度增加, 在不均匀变形的作用下, 表面会 产生严重的裂纹, 而且口相区抗氧化能力差, 易使晶 粒粗大, 有产品性能恶化的危险。一般根据合金相的
2. U niversity o f Science and T echno logy B eijing, Be ijing 100083, Ch ina)
Abstract: T he product ion process techno logy and applicat ion o f titan ium alloys both here and abroad for late years have been summ arized in this paper. Authors speculate the developm ent trend o f t itan ium alloys and deem that titan ium a lloys possess vast poten tial applicat ion and o ffer the proposal to realize the low cost product ion of titanium alloys.
钛合金管材可分为无缝管和有缝管, 无缝管按加 工方法又分为挤压管或轧制-挤压管; 有缝管有焊接 管或焊接- 轧制管。旋压 法一般用来制造长度较小 且直径与壁厚比值相当大的超薄无缝钛合金管。钛 合金管材的挤压工艺包括挤压坯料制备、加热、挤压、 精整和检验 5部分。由于钛是化学活性金属, 钛合金 在大气中加热时容易被污染, 因此挤压坯在加热时必 须设法加以保护以免受或少受气体污染。保护的办 法有包套、涂层、盐浴加热等; 为减少挤压过程中的氧 化, 防止钛合金与模具粘结, 挤压时应采用润滑剂, 包 套挤压一般采用润滑脂, 而裸体挤压多采用玻璃润滑 剂, 在挤压温度的作用下, 具有一定粘度的玻璃润滑 剂均匀附着在制品表面。钛合金无缝管的轧制生产 工艺过程包括管坯制备、轧制、热处理、精整及检验等 5 个部 分。 钛 合 金 焊 接 管 的生 产 工 艺 过 程 包 括 钛 带 开卷、成型、焊接、矫直、检验等, 焊接-轧制管与焊接 管的不同点在于焊接成管坯, 再进行轧制, 其尺寸精 度和表面质量得 到改善。钛合金焊接管或焊 接-轧 制管的主要特点是生产周期短、成材率高并可生产定 尺长的薄壁管材, 但它对钛带质量要求高。有些工作 条件恶劣的设备或部件, 如置于数千米海水中的海洋 勘探仪器外壳及承受较大压力通入腐蚀介质的管道、 航空液压管路系统 等, 从安全因素考 虑多采用无缝 管。 1 2 钛合金生产技术
