钛合金超塑成型工艺

钛合金曲面类零件的热冲压工艺摘要：钛合金具有良好的屈强比、高低温性能、抗疲劳性能和耐腐蚀性能等优点，其复杂薄壁曲面和中空整体结构广泛应用，部分零件兼具耐高温、良好气动性能等。

国内各研究院所及主机厂的研究工作多偏重于成形工艺本身，如模具设计、工艺参数、工艺缺陷、尺寸精度、组合工艺方法、工艺仿真和组织性能、国产热塑性成形机床研制等，高校开始逐渐转向热变形机理及形性控制、新材料开发、新热塑性成形工艺等研究方向。

相比于国外，国内在热塑性变形基础理论、可持续开发的自主仿真软件平台、热塑性成形基础数据库及智能调用等研究上还有一定差距。

本文分析了热塑性成形工艺，讨论了钛合金薄壁件热塑性成形工艺。

关键词：钛合；热冲压；工艺钛合金 (Ti-6Al-4V) 具有比强度高、密度小、抗腐蚀性能强等特点，被广泛用于加工航空发动机涡轮叶片、涡轮盘等复杂曲面等零件。

目前，加工行业普遍采用切削力小、切削速度高的高速铣削方式来满足钛合金材料的高质量、高效率的绿色加工。

然而由于加工工件复杂的几何特性，导致铣削过程中材料去除率不稳定，由瞬时铣削量变化导致铣削热波动，极易加剧刀具磨损，降低工件表面完整性，进而影响加工工件服役性能，故对钛合金复杂曲面高速铣削中铣削热开展研究具有重要意义。

一、钛合金的工艺发展钛合金薄壁件及热塑性成形装备已基本实现“造得出”，并提出“造得精、造得好”的更高要求。

对新型高温钛合金、Ti2AlNb、TiAl 等难加工新材料，其投影面积 2m2 以上的高精度超薄件、局部棱角尖锐的新结构件、带功能的中空复杂结构件等需求增加，迫切需要制造工艺的快速发展。

为此，可开展以下研究。

1、“材料–设计–制造–装备”一体化协同发展。

多层、蜂窝、点阵的热塑性成形方法为混合结构提供了设计空间，结合非均匀材料分布、梯度材料、异种材料连接等，可使钛合金薄壁件结构实现轻量化、自主冷却、吸声隔热等功能，满足装备提出的新要求。

2、形性预测控制及仿真软件。

钛（合金）材塑性成形工艺之锻造---乘钒钛文化之风创钒钛产业之都原创邹建新范兴平杨英丽教授等钛（合金）材塑性变形加工的一般工艺流程如图 4.10.2所示，通过塑性变形可以加工出的钛（合金）材品种有：板材、棒材、锻件、管材、带材、型材、箔材、丝材及各种铸件、异型管件、粉末冶金件等等。

钛材塑性成形方法和钢材等一样，也主要采用轧制、挤压、拉伸及锻造等四种基本方法。

在这四个基本方法中，锻造是必不可少的，铸锭的开坯是首先要进行的工序，即钛的每种塑性成形均需首先使用的方法。

其余的几种方法中，轧制用得较多，挤压主要用作管坯及型材的制造，拉伸主要应用在丝材的制备方面。

1. 锻造原理钛的锻造是指在水压机、快段机、汽锤、各种锻造机床上对钛金属坯料施加外力，使其产生塑性变形，达到改变尺寸、形状及改善组织性能的目的。

用以制造机械零件、工件、工具或毛坯的成形加工方法。

然而，钛及钛合金冷变形困难，所以，在加工钛及钛合金产品时，通常需要经过热加工方法变形成各种坯料和锻件，其中，钛合金的锻造加工是一种应用较普遍的方法。

这是因为锻造不仅可以达到尺寸和形状跟产品接近，而且也能改善钛合金组织从而提高其性能。

根据在不同的温度区域进行的锻造，针对锻件质量和锻造工艺要求的不同，可分为冷锻、温锻、热锻三个成型温度区域。

原本这种温度区域的划分并无严格的界限，一般地讲，在再结晶的温度以上区域的锻造叫热锻，不加热在室温下的锻造叫冷锻，加热到再结晶的温度以下（≤700℃）的锻造叫温锻。

因为钛合金的室温变形抗力大、屈强比高，锻造易开裂，一般不进行冷锻。

图4.10.2 钛材料塑性成形工艺流程图钛合金在700℃以下锻造，氧化皮形成较少，只要控制好温度区间、变形率并保证润滑，700℃以下的温锻可以获得较好的尺寸精度。

热锻时，由于变形能和变形阻力都很小，可以锻造形状复杂的锻件。

坯料在冷锻时要产生变形和加工硬化，使锻模承受高的荷载，因此，需要使用高强度的锻模和采用防止磨损和粘结的硬质润滑膜处理方法。

钛合金热成形技术概述及解释说明1. 引言1.1 概述钛合金热成形技术是一种利用高温和压力对钛合金进行塑性变形的方法。

通过在特定温度下将钛合金加热到其塑性区域，然后施加压力来实现成形。

这种技术在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域中得到广泛应用，并且在近年来取得了显著的发展和突破。

1.2 文章结构本文将从几个方面对钛合金热成形技术进行全面介绍和解释说明。

首先，我们将概述该技术的定义、原理以及其历史发展情况。

然后，我们将详细介绍该技术在不同领域的应用，并探讨其在实际生产中的工艺流程。

接下来，我们将深入分析钛合金热成形技术的优势，并提出当前面临的挑战以及相应的解决方法。

最后，我们将总结主要观点并对该技术未来发展进行展望。

1.3 目的本文旨在全面介绍和解释钛合金热成形技术，并分析其优势和挑战。

通过对该技术的准确理解，读者可以更好地了解钛合金热成形技术在工业生产中的应用和潜力，并为相关领域的研究和实践提供参考依据。

2. 钛合金热成形技术概述2.1 定义和原理钛合金热成形技术是一种通过将钛合金材料加热至其塑性变形温度，然后进行成型的制造工艺。

它基于钛合金在高温下具有良好的塑性和可变形性的特点，通过控制温度和应力来实现对钛合金材料的可控变形。

该技术主要依靠热胀冷缩原理，即在加热过程中，钛合金材料会膨胀并变软，使其容易成形；而在冷却过程中，由于收缩效应，材料会保持所需的形状。

通过精确控制加热、保温、成形和冷却阶段的参数和时间，可以实现对钛合金材料复杂三维几何形状的成型。

2.2 历史发展钛合金热成形技术起源于20世纪50年代。

当时，在航空航天工业领域对功能强大、轻量化及高机械性能要求极高的部件需求推动了该技术的发展。

最初的试验主要集中在单晶和多晶钛合金的热加工方面，通过探索适宜的加热温度和形变速率以及工艺参数的优化，成功实现了钛合金材料的热成形。

随着技术的不断进步和先进材料的开发，钛合金热成形技术得到了广泛应用。

如今，它已在航空、航天、汽车、医疗器械等领域得到广泛应用，并为这些领域带来了许多新的设计可能性和解决方案。

第26卷 第5期2006年10月航 空 材 料 学 报J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LSV o.l 26,N o .5O ctober 2006低温超塑性钛合金的超塑性研究曾立英,赵永庆,李丹柯,李 倩(西北有色金属研究院,西安710016)摘要:对一种超塑性温度相对较低的双相钛合金SPZ 的超塑性能进行了研究。

结果表明:740~800e ,应变速率恒为1.11@10-3s -1时,SPZ 合金的最大拉伸延伸率均超过1600%;760b C ,合金的超塑延伸率可高达2149%。

760e ,应变速率高达1.11@10-2s -1时,合金的超塑延伸率仍可达1380%。

也就是说,700e /1hAC 处理后,SPZ 合金在试验温度范围内具有低温高速超塑性。

SE M 观察发现,超塑变形前,合金的晶粒细小均匀,平均晶粒尺寸只有0189L m;应变速率为2122@10-3s -1,740e ,760e 变形后SPZ 合金的晶粒尺寸分别为1151L m,2133L m 。

超塑性变形的微观机制是以晶界滑动为主,晶内变形以及位错蠕变起了协调作用。

关键词:低温超塑性;双相钛合金;延伸率;细晶组织;变形机制中图分类号:TG 146.23 文献标识码:A 文章编号:2005-5053(2006)05-0006-04收稿日期:2005-04-21;修订日期:2005-10-20作者简介:曾立英(1970)),女,高级工程师,硕士,(E -m a il)ZENG -l y @163.co m 。

一些超塑性钛合金因变形性能优异,在航空航天、汽车制造等工业部门的应用前景越来越广阔,尤其适宜用于制备形状复杂的构件[1]。

目前用途最广泛的超塑性钛合金为T-i 6A -l 4V 合金[1],T -i 6A -l 4V 合金在900e 左右具有最佳超塑性,最大超塑性延伸率可达2000%。

但T-i 6A -l 4V 合金在900e 成形加工的成本较高;模具材料需耐高温和抗氧化;合金的超塑性成型通常需在惰性气体保护中进行;超塑成形后,成型部件需进行表面修磨以去除a 脆性层。

第8章钛合金板料热成形8.3-8.4主要内容一、钛和钛合金的基本特征和应用二、钛合金的热成形方法、工艺过程和设备三、真空蠕变成形四、应力松弛与热校形五、超塑性成形一、钛材的种类、特征和应用1、钛材的种类2、基本性能物理性能、化学性能、机械性能、及其他性能（1）物理性能•比重小，4.5 g/cm3，仅为结构钢的60%。

•熔点高，1668 ± 10ºC，成形时加热温度也高；•电阻系数很高，42.5-55.4 10-6欧/ cm，自阻性好；•热膨胀系数为0.9 cm/ cm/ºC，与一般钢相当；（2）化学性能•耐腐蚀性，耐大气和海水，耐大多数酸、碱和盐溶液；•氧化现象，在空气中250ºC以上开始氧化，650ºC以上氧化明显；•氢脆现象，高温时与氢亲和力大，产生氢脆，使性能下降。

（3）机械性能•高强度钛合金σb≥120KG/MM2,与航空结构钢30CrMnSi篦美•弹性模量小，1000-12000 KG/MM2；•热强度好，300-400ºC能保持室温机械性能；低温韧性优异；•高温蠕变性能好，3、钛板综合成形性能•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，塑性成形范围小；——σs /E大，回弹大；——延伸率小，硬化指数小，常温下难成形；——弯曲能力差，只有普通材料的1/5，凡弯曲时半径都应加大；——冷作硬化倾向大，一般工序之间应退火；成形性能参数变形性：指塑性变形的可能与程度。

单向拉伸的相对延伸率δ（包括均匀延伸率δj 和细颈延伸率δk）；端面收缩率ψ；稳定性：指变形过程是否起皱或缩颈。

受拉稳定性有均匀延伸率δj 和硬化指数n, 如拉弯或拉形；受压稳定性是指刚度概念。

长度L/厚度t抗磨损性：板料与模具接触磨擦损伤的程度。

钛和钛合金抗磨损性很低，滑动状态下很易与其它金属“焊接”粘住。

飞行器生产中钛合金的先进制造技术18.1钛板超塑性成形8.1.1超塑性成形的特征塑性：是金属的主要属性之一，它指的是金属在不遭受破坏的情况下，既具有永久变形能力又具有足够强度的性能。

“超塑性”就是超出一般“塑性”指标的金属的特性。

作为衡量塑性优劣的一个重要指标延伸率δ值，一般金属均不超过百分之几十，如黑色金属不大于40%，有色金属不大于60%（软铝约为50%，而金银一般也只80%），它们即使在高温下拉伸，也难以达到100%。

从材料的提纯、冶炼、锻造和热处理中设法改善金属的塑性，但都不理想，无法大幅度提高塑性指标。

2在长期以来金属变形的研究中，有人发现某些金属在一定条件下具有大大超过一般塑性的特异性能，这些具有超塑性的金属其δ值可超过百分之百，有的甚至达到百分之二千也不产生缩颈现象。

随着研究的深入，普遍认为这种特殊的、巨大的延伸特性并不限于某几种合金；对大多数金属材料，包括钢铁等黑色金属以及一般认为难成形的钛合金等，在特定条件下都可使δ值提高几倍至几十倍。

比如Ti-6Al-4V板材，常温下的δ值约10%，Ti-5Al-4V约14%，前者在加温到760℃时，δ值约为65%，850℃时约90%，即使加温到900℃也只达110%左右。

然而处于超塑性条件下的Ti-6Al-4V，δ值可高达500%以上，甚至1000%以上。

3超塑性是一种奇特的现象。

具有超塑性的合金能像饴糖一样伸长10倍、20倍甚至上百倍，既不出现缩颈，也不会断裂。

金属的超塑性现象，是英国物理学家森金斯在1982年发现的，他给这种现象做如下定义：凡金属在适当的温度下（大约相当于金属熔点温度的一半）变得像软糖一样柔软，而应变速度10毫米/秒时产生本身长度三倍以上的延伸率，均属于超塑性。

4超塑性与传统成形方法相比，具有如下特征：(1)大变形超塑性材料在单向拉伸时δ值极高，表明超塑性材料在变形稳定状态方面要比普通材料好得多。

(2)无缩颈超塑性材料表现出很强的抗颈缩能力，无明显的局部缩颈。

特种塑性加工方法概述摘要：现在应用比较多的特种塑性加工方法主要有以下几种：超塑性成形、粉末锻造、液态模锻、旋压等，下面将主要围绕这几种特种塑性加工方法，对其成形原理、应用范围以及发展现状分别进行讨论。

关键词：超塑性成形；粉末锻造；液态模锻；旋压；应用；发展1 超塑性成形1.1 超塑性的定义超塑性是指在特定的条件下，即在低的应变速率(ε=10-2～10-4s-1)，一定的变形温度（约为热力学熔化温度的一半）和稳定而细小的晶粒度(0.5～5μm)的条件下，某些金属或合金呈现低强度和大伸长率的一种特性。

其伸长率可超过100%以上，如钢的伸长率超过500%，纯钛超过300%，铝锌合金超过1000%。

目前常用的超塑性成形的材料主要有铝合金、镁合金、低碳钢、不锈钢及高温合金等。

1.2 超塑性成形的特点1)金属塑性大为提高过去认为只能采用铸造成形而不能锻造成形的镍基合金，也可进行超塑性模锻成形，因而扩大了可锻金属的种类。

2)金属的变形抗力很小一般超塑性模锻的总压力只相当于普通模锻的几分之一到几十分之一，因此，可在吨位小的设备上模锻出较大的制件。

3)加工精度高超塑性成形加工可获得尺寸精密、形状复杂、晶粒组织均匀细小的薄壁制件，其力学性能均匀一致，机械加工余量小，甚至不需切削加工即可使用。

因此，超塑性成形是实现少或无切削加工和精密成形的新途径。

1.3 超塑性成形的应用1)板料深冲锌铝合金等超塑性板料，在法兰部分加热，并在外围加油压，一次能拉出非常深的容器。

如果在冲头下部和拉伸好的筒部采用冷却装置，深冲比H/dp=1，是普通拉深的15倍，而且拉深速度在5000毫米/分时深冲系数不变。

超塑性成形件最大特点是没有各向异性，拉伸的杯形件没有制耳。

2)板料吹塑成形(气压成形)这是在超塑性材料的延伸率高和变形抗力小的前提下，受到塑料板吹塑成形的启发而发展起来的新工艺。

用于Zn-22%A1, A1-6 %Cu-0.5%Zr和钛合金的超塑性板料成形。

低成本钛产品生产技术王镐，李献军，文志刚，冯军宁，胡志杰（宝钛集团有限公司，陕西宝鸡721014）摘要：钛具有比强度高、耐腐蚀、无磁、超导、形状记忆、生物相容性好等优点，特别适合作为结构材料和特种材料使用，但与不锈钢、铜、镍等材料相比，钛材的价格明显偏高，这极大地影响了钛在一般工业的推广应用。

降低钛产品成本一直是钛业内人士追逐的目标，也是进一步扩大钛应用的重要条件。

本文概述了近年来国内外低成本钛产品的生产技术，包括金属钛提取技术、熔炼、粉末冶金、加工技术、低成本钛合金研制等，旨在拓展钛的新应用市场。

关键词：低成本；钛；生产技术Production technology for low-cost titanium products Wang Hao，Li Xianjun，Wen Zhigang，Feng Junning，Hu Zhijie（Baoti Group Ltd．，Baoji，Shaanxi，721014）Abstract：Titanium has many advantages such as high specific strength，corrosion resistance，non-magnetic，superconduct-ing，shape memory and good biocompatible and so on．It is especially suitable for using as structural and specialty materials．However，its prices are significantly higher than those of stainless steel，copper，nickel etc．，which greatly block its applica-tions in general industries．The researchers in titanium industry are always seeking to reduce the cost of titanium products，and this is an important condition to expand titanium application．Production technologies，including extraction titanium metal，melting，powder metallurgical technique，processing and research on low cost titanium alloys etc．are summarized in order to develop titanium new application market in this paper．Key words：low cost；titanium；production technology1引言钛具有比强度高、耐腐蚀、无磁、超导、形状记忆、生物相容性好等优点，被誉为“太空金属”、“海洋金属”和“智慧金属”，特别适合作为结构材料和特种材料使用，但与不锈钢、铜、镍等材料相比，钛产品的价格明显偏高，这极大地影响了钛在一般工业的推广和应用。