热处理对钛合金的影响

第十三章 有色金属及合金

内容提要：

有色金属的产量和用量不如黑色金属多，但由于其具有许多优良的特性，如特殊的电、磁、热性能，耐蚀性能及高的比强度(强度与密度之比)等，已成为现代工业中不可缺少的金属材料。

1．铝及铝合金；

2．钛及钛合金；

3．铜及铜合金；

4．轴承合金。

基本要求：

掌握和了解各种有色金属的牌号、成分、性能和用途。

13.1铝及铝合金

13.1.1铅及铝合金的性能特点及分类编号

纯铝：纯铝具有银白色金属光泽，密度小(2.72 )，熔点低(660.4℃), 导电、导热性能优良。

耐大气腐蚀，易于加工成形 。

具有面心立方晶格，无同素异构转变，无磁性。

1 铝合金及其特点

铝合金常加入的元素主要有Cu、Mn、Si、Mg、Zn等，此外还有Cr、Ni、Ti、Zr 等辅加元素。

①比强度高（>>高强钢）。可用于轻结构件，尤其航空。

②突出理化性能。导电、抗大气腐蚀。

③良好加工性。高塑性、易冷成形；某些合金铸造性能好，宜作压铸件。

2 铝合金分类及分类编号

13.1.2铝合金的强化

1 形变强化

2沉淀强化

3 固溶强化和时效强化：

13.1.3变形铝合金

变形铝及铝合金牌号表示方法：根据国标规定 ，变形铝及铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号或采用国标规定的四位字符牌号。GB 3190-82中的旧牌号仍可继续使用，表示方法为:

• 防锈铝合金：LF+序号

• 硬铝合金： LY +序号

• 超硬铝合金：LC +序号

• 锻铝合金： LD +序号

常用变形铝合金

1 防锈铝合金：主要是Al-Mn和Al-Mg系合金。

Mn和Mg主要作用是提高抗蚀能力和塑性，并起固溶强化作用。

防锈铝合金锻造退火后组织为单相固溶体，抗蚀性、焊接性能好，易于变形加工，但切削性能差。不能进行热处理强化，常利用加工硬化提高其强度。 常用的Al-Mn系合金有 LF21（ 3A21 ），其抗蚀性和强度高于纯铝，用于制造油罐、油箱、管道、铆钉等需要弯曲、冲压加工的零件。常用的Al-Mg系合金有 LF5（ 5A05 ），其密度比纯铝小，强度比Al-Mn合金高，在航空工业中得到广泛应用，如制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。 2 硬铝合金：主要是Al-Cu-Mg系合金，并含少量Mn。可进行时效强化，也可进行变形强化。强度、硬度高，加工性能好，耐蚀性低于防锈铝。常用硬铝合金如LY11 (2A11)、 LY12 (2A12)等，用于制造冲压件、模锻件和铆接件，如螺旋桨、梁、铆钉等.

合金种类合金牌号名义β转变温度/℃TA1,ZTA1900TA2910TA3930α+β型TC4 ZTC4995合金种类合金牌号加热温度/℃保温时间/minTA1, TA2 TA3445-59515-360ZTA1600-75060-240TC4 480-65060-360ZTC4600-80060-240合金牌号加热温度/℃保温时间/min冷却方式合金牌号加热温度/℃ TA1 630-81515-120 TA1 TA2 TA3520-57015-120 TA2 TA3α+β型TC4 700-87015-120空冷或更慢冷TC4 700-850加热温度/℃保温时间/min出炉温度(不高于)/℃温度/℃出炉温度(不高于)/℃TA1, TA2 TA3700-75060200650-680100-150TC480060200700-750150合金种类板材\带材\箔材\管材工业纯钛

45-60保温时间/min棒材\线材\锻件\工业纯钛

630-815空冷或更慢冷工业纯钛

45-60钛及钛合金的β转变温度(Tβ)

α+β型钛及钛合金完全退火工艺钛及钛合金的去应力退火工艺

钛合金固溶处理工艺合金牌号钛及钛合金管材真空退火工艺坯料退火和中间退火成品退火加热温度/℃保温时间/min加热温度/℃α+β型TC4 890-9702-90890-970空冷或水淬合金类型合金牌号时效温度/℃保温时间/hα+β型TC4 480-6902-8冷却方式保温时间/min棒材\线材\锻件\铸件20-120钛合金时效工艺合金类型合金牌号板材\带材\箔材保温时间/min冷却方式60-120空冷或更慢冷锻件\铸件60-120空冷或更慢冷

钛合金的应用前景及其锻压技术

发布日期:2009-11-19

作者:王以华,林健,吴振清,张海英,周煊,王黎

关键字:锻压,钛合金

【摘要】钛以其优异性能，在航空航天、舰船、石化等领域应用迅速发展，我国近年对钛材生产和使用也以30%的年增长率突飞猛进。随着铝、铜及不锈钢价格的上涨，以及钛材价格迅速下降的趋势，钛材在很多领域里会逐步取代不锈钢和部分有色金属。因此，要抓紧对钛及其合金锻压工艺的研究开发，以迎接“钛时代”的到来。

一、概述

钛元素于1791年在英国发现，其主要工业矿是金红石和钛铁矿。通常，先将TiO2转变成四氯化钛，然后用熔融镁还原制成海绵钛，随后将海绵钛压成电极，再用真空自耗电极法熔炼出工业金属钛。直到1945年，第一批钛合金才在美国生产出来。钛元素在地壳的金属元素含量中仅次于铝、铁、镁，居第四位，我国蕴藏丰富。钛的密度为4.54g/cm3，882.5℃有同素异性转变，在882.5℃以下是密排六方晶格，称α相，在882.5℃以上是体心立方结构，称β相或α＋β双相混合组织。钛合金可以通过热处理在较大范围内控制显微组织和性能。

钛是一种性能优良、在发展经济和国家安全中具有战略意义的金属，被称为“太空金属”、“海洋金属”。钛合金与其他结构材料比较，其最重要的优点是比强度高，热强性好，在400～500℃时，钛合金的比强度超过了多数不锈钢和抗氧化钢。钛合金在低温下基本上不变脆（低碳钢在－50℃冲击韧度只是室温时的1/10），α型钛合金在液氢温度（－253℃）下的强度为室温的2倍，同时具有良好的塑性。用钛合金代替不锈钢和高温合金等材料制造零件，可以大幅度地减轻产品质量，因此受到航空航天工业的极大重视，同时也越来越受到汽车、机车、电力、化工、舰船上热交换器和冷凝器等工业部门的青睐。

目前，能生产钛及钛合金原材料的国家只有美国、俄罗斯、日本和中国等国家的少数几个工厂。随着我国国民经济的稳步发展，对钛及钛合金材料产品的需求将不断增长。但是，由于我国钛工业起步晚，经济快速发展仅是近十年才得以实现，我国钛加工材产量、使用量，以及品种、规格、质量等方面与世界三大钛工业强国有着明显的差距。我国自从20世纪60年代开始建立钛工业，经过40多年的努力，至2008年底形成海绵钛55 000t/年、钛加工材产能13 000t/年左右的水平。

钛合金加热的第一个特点是，与铜、铝、铁和镍相比，钛的导热率低，加热的主要困难是：采用表面加热方法时，加热时间相当长。大型坯料加热时，截面温差大。与铜、铁、镍基合金的导热率随着温度的提高而下降不同，钛合金的导热率是随着温度的提高而增加。

钛合金加热的第二个特点是，当提高温度时它们会与空气发生强烈的反应。当在650℃以上加热时，钛与氧强烈反应，而在700℃以上时，则与氮也发生反应，同时形成被这两种气体所饱和的较深表面层。例如，当采用表面加热方式把直径350mm的钛坯料加热到1100～1150时，就需要在钛与气体强烈反应的温度范围中保温3～4h以上，则可能形成厚度1mm以上的吸气层。这种吸气层会恶化合金的变形性能。

在具有还原性气氛的油炉中加热时，吸氢特别强烈，氢能在加热过程中扩散到合金内部，降低合金的塑性。当在具有氧化性气氛的油炉中加热时，钛合金的吸氢过程显著减慢；在普通的箱式电炉中加热时，吸氢更慢。

由此可知，钛合金毛坯应在电炉中加热。当不得不采用火焰加热时，应使炉内气氛呈微氧化性，以免引起氢脆。无论在哪类炉子中加热，钛合金都不应与耐火材料发生作用，炉底上应垫放不锈钢板。不可采用含镍量超过50%的耐热合金板，以免坯料焊在板上。

为了使锻件和模锻件获得均匀的细晶组织和高的力学性能，加热时，必须保证毛坯在高温下的停留时间最短。因此，为解决加热过程中钛合金的导热率低和高温下吸气严重的问题，通常采用分段加热。在第一阶段，把坯料缓慢加热到650～700℃，然后快速加热到所要求的温度。因为钛在700℃以下吸气较少，分段加热氧在金属中总的渗透效果比一般加热时小得多。

采用分段加热可以缩短坯料在高温下的停留时间。虽然钛在低温时导热系数低，但在高温时导热系数与钢相近，因此，钛加热到700℃后，可比钢更快地加热到高温。

对于要求表面质量较高的精密锻件，或余量较小的重要锻件(如压气机叶片、盘等)，坯料最好在保护气氛中加热(氩气或氦气)，但这样投资大，成本高，且出炉后仍有被空气污染的危险，因此生产中常采用涂玻璃润滑剂保护涂层，然后在普通箱式电阻炉中加热。玻璃润滑剂不仅可避免坯料表面形成氧化皮，还可减少α层厚度，并能在变形过程中起润滑作用。