鈦合金材料的研究與應(yīng)用

鈦合金材料的研究與應(yīng)用

純ti是純灰色金屬，密度為4.54g/cm3。在al和fe之間，溶劑重量約為1668，高于鐵，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性差，可塑性好，強(qiáng)度低，易于加工和形成?？梢允菆A形和薄金屬。鈦合金的強(qiáng)度很高,抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)1400MPa,與某些高強(qiáng)度合金鋼相近,此外還具有良好的低溫力學(xué)性能。Ti在大氣和海水中有優(yōu)良的耐蝕性,在硫酸、鹽酸、硝酸、氫氧化鈉等介質(zhì)中都很穩(wěn)定,其抗氧化能力優(yōu)于大多數(shù)奧氏體不銹鋼。鈦和鈦合金從實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)至今才50多年,由于其密度小,比強(qiáng)度高,耐腐蝕,以及線膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異特性,同時(shí)鈦在地殼中蘊(yùn)藏量豐富,因此發(fā)展非?？?短時(shí)間內(nèi)已顯示出了它強(qiáng)大的生命力,成了航空航天、能源、海上運(yùn)輸、化學(xué)及醫(yī)療保健等工業(yè)領(lǐng)域不可缺少的材料。鈦和鈦合金在熔融狀態(tài)下具有高化學(xué)活性,會(huì)與常用的各種耐火材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),熔煉和鑄造成形難度大,導(dǎo)致其加工條件復(fù)雜,成本較昂貴,在很大程度上限制了它的應(yīng)用。因而,鈦及鈦合金的發(fā)展和應(yīng)用遠(yuǎn)落后于鋼、鐵、鋁、銅等金屬及合金。一、某飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的鈦合金鑄件航空航天用鑄造鈦合金的應(yīng)用實(shí)例很多,如衛(wèi)星空間相機(jī)的基座、框架,某衛(wèi)星的攝像系統(tǒng)框架、鏡身、中框、聯(lián)接件、鏡筒、底框及支架等均采用鈦合金精鑄件。此外還應(yīng)用于宇宙飛船上的部件主要相關(guān)部件,如由某研究所為神舟系列飛船研制的分離密封板、支架等20余種鈦合金精鑄件。附圖所示為某飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的鈦合金鑄件。采用熔模鑄造成形的小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的Ti-6A1-4V壓氣機(jī)葉輪,公差為±0.127mm,表面粗糙度Ra=3.2μm。同時(shí)采用熱等靜壓(HIP)工藝來(lái)提高鑄件內(nèi)部的整體性,這種工藝能夠生產(chǎn)極簿的葉型(0.56mm)。也用熔模鑄造法制造出小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的直徑為200mm的Ti-6A1-2Sn-4Zr-6Mo整體鑄造轉(zhuǎn)子,獲得的葉型表面是無(wú)余量的,還有非旋轉(zhuǎn)的空心葉型,如空心導(dǎo)向葉片等。北京航空材料研究所與航天部三院31所共同努力下,采用了鈦合金精密鑄造方法,研制出某型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵件之一(后封頭),并通過(guò)冷熱試車考核證明,精密鑄造鈦合金封頭取代原來(lái)的30CrMnSiA鍛鋼件封頭后,大大地減輕了零件質(zhì)量,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能。國(guó)外雖已將鈦合金廣泛用于導(dǎo)彈零件,但未見(jiàn)到采用鑄造方法生產(chǎn)這類重要承力件的報(bào)道。二、鈦及其合金鑄件的研制與生產(chǎn)我國(guó)的鈦鑄造始于1964年,當(dāng)時(shí)由北京航空材料研究所率先開(kāi)展了鈦的熔煉和鑄造技術(shù)的研究工作,隨后西北有色金屬加工廠安裝了150kg的鈦熔煉設(shè)備。目前,國(guó)內(nèi)主要有10家科研和生產(chǎn)單位在研制和生產(chǎn)鈦及其合金鑄件。國(guó)內(nèi)鑄鈦的主要造型工藝仍以機(jī)加工石墨型和搗實(shí)石墨型為主,而精密鑄造工藝應(yīng)用并不廣泛,與國(guó)外的鑄造水平仍有一定的差距。鈦的熔點(diǎn)高、活性大,在熔融狀態(tài)下能迅速溶解幾乎所有的已知物質(zhì),因而大大增加了熔煉、澆注與造型工藝的困難,使鑄造鈦合金的發(fā)展及應(yīng)用長(zhǎng)期落后于變形鈦。近年來(lái),隨著鑄造工藝的改進(jìn)和設(shè)備的日益更新,鑄造鈦合金生產(chǎn)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,目前已能鑄造700kg以下的各種鑄件,其中精密鈦鑄件在質(zhì)量上已接近鋼鑄件的水平。1.自耗電弧鑄造法鈦在液態(tài)下和氧、氮、氫和碳的反應(yīng)相當(dāng)快,因此鈦合金熔煉必須在較高的真空度或惰性氣體(Ar或Ne)保護(hù)下進(jìn)行。熔煉用坩堝采用水冷銅坩堝,具體的熔煉工藝按熱源分類有:真空自耗電極電弧熔煉法、真空非自耗電極電弧熔鑄法、電子束熔鑄法、真空感應(yīng)熔鑄法和等離子束熔鑄法。但從耗電量、熔化速度、成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比來(lái)看,真空自耗電極電弧爐(含凝殼爐,具體熔煉操作要點(diǎn)略)熔煉仍是目前最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的熔煉方法,在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛。真空電弧爐是將自耗電極直接熔化在坩堝內(nèi),然后鑄成鑄錠;真空凝殼爐雖然也是將自耗電極熔化在坩堝內(nèi),但先在坩堝壁上凝固為一薄層“凝殼”,起到保護(hù)鈦液不被坩堝材料污染和隔熱作用,以便在坩堝內(nèi)形成一個(gè)熔池,當(dāng)熔液達(dá)到需要量時(shí)便翻轉(zhuǎn)坩堝,將金屬液注入鑄型,形成鑄件。實(shí)踐證明,利用真空感應(yīng)熔煉和真空自耗電弧熔煉都能較好地熔煉Ti-Cu合金,其化學(xué)成分和力學(xué)性能指標(biāo)均滿足焊料和合金添加劑用質(zhì)量要求。相比較而言,真空自耗電弧熔煉產(chǎn)品優(yōu)于真空感應(yīng)熔煉產(chǎn)品,但是真空自耗電弧熔煉操作及工藝控制復(fù)雜,難度大,一般生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)不足的廠家慎用。從鈦開(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn)以來(lái),世界上幾乎所有的鈦和鈦合金都是用真空自耗電極電弧熔煉方法生產(chǎn)出來(lái)的。自耗電極電弧爐對(duì)電極的質(zhì)量要求很高,對(duì)原料要求也較高。電子束爐、等離子弧爐要求電源功率較大,成本相對(duì)提高。另外,這些熔煉方法所造成的熔池較淺,增大熔池體積只有增大表面積,相應(yīng)地增大了蒸汽壓,從而導(dǎo)致元素的揮發(fā)損失,這對(duì)控制合金成分是不利的。此外,還有等離子弧熔鑄法、真空感應(yīng)熔鑄法、電子束熔鑄法等熔煉鈦合金的方法,由于應(yīng)用很少,在此不作過(guò)多介紹。2.澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)鈦和鈦合金鑄件的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下要求:(1)能使液態(tài)鈦迅速平穩(wěn)地從同一方向自下而上平穩(wěn)填充鑄型型腔,不產(chǎn)生紊流、噴射和斷流,并讓型腔中的氣體能順利地排出鑄型外。為此,通常都采用底注式澆注系統(tǒng),必要時(shí)也可采用側(cè)注式澆注系統(tǒng)以及綜合式澆注系統(tǒng)。(2)能有效地調(diào)節(jié)鑄件各部分的溫度,應(yīng)盡可能為鑄件創(chuàng)造良好的補(bǔ)縮和順序凝固的條件。(3)從澆注系統(tǒng)到鑄件型腔的距離應(yīng)盡可能短,使液態(tài)鈦以最短的時(shí)間和最快的速度平穩(wěn)充滿型腔,澆注系統(tǒng)應(yīng)不能妨礙鑄件的收縮,防止鑄件變形或出現(xiàn)冷裂。(4)應(yīng)采用開(kāi)放式的澆注系統(tǒng),各部分之間的比例應(yīng)是直澆道:橫澆道:內(nèi)澆道=1∶2∶2.5或1∶3∶4,有時(shí)甚至要達(dá)到1∶3∶5或更大。在設(shè)置內(nèi)澆道時(shí),應(yīng)注意避免金屬流直接沖刷型腔,同時(shí)還要注意避免通過(guò)單位截面內(nèi)澆道的金屬液流量過(guò)大,延續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),致使該區(qū)域急劇過(guò)熱,形成物理熱節(jié),造成嚴(yán)重粘砂或縮孔缺陷。(5)熔模精密鑄造的澆注系統(tǒng),要便于脫盡型腔中的蠟,必要時(shí)可設(shè)輔助脫蠟口,脫完蠟后再補(bǔ)上。(6)在保證鑄件質(zhì)量的前提下,結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單,以提高生產(chǎn)效率,減少澆注系統(tǒng)的重量,提高金屬利用率。熔模精密鑄造的澆注系統(tǒng),還應(yīng)有足夠的強(qiáng)度,以支撐起整個(gè)模組,保證在型殼整個(gè)制備過(guò)程中不損壞。3.材料和粘結(jié)劑鈦和鈦合金鑄造的造型材料包括兩大部分:主要材料和輔助材料。主要材料為耐火材料和粘結(jié)劑等。輔助材料包括造型時(shí)所需的添加劑(如潤(rùn)濕劑、消泡劑等)和精鑄用的模料、分型劑及清洗劑等。從20世紀(jì)50年代初開(kāi)始,經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的探索,已經(jīng)找到了幾種可用于鈦和鈦合金鑄造的造型材料,但還難以完全滿足上述要求,在工藝性和經(jīng)濟(jì)性上最適合于鈦和鈦合金鑄造的造型材料,仍然在研究、試驗(yàn)和尋找中。目前,可以用于鈦和鈦合金鑄造的耐火材料有:石墨、部分金屬(鑄鋼、鑄鐵、鑄銅和難熔金屬等),以及部分難熔化合物和氧化物。石墨熔模型殼的撒砂粒度為:面層和鄰面層0.5~0.1mm(35~150目),背層2.5~0.5mm(8~35目),型殼一般涂掛8~9層,厚度約為10mm。型殼預(yù)熱溫度不宜過(guò)高,一般為400℃左右,否則型殼與液體鈦會(huì)發(fā)生反應(yīng)。石墨熔模型殼的缺點(diǎn)是,澆出的鈦鑄件表面存在較厚的脆性層,需用噴砂、酸洗等方法處理。由于澆注時(shí)鑄件各部位受熱條件不同,層也不均勻,所以清除不徹底,會(huì)影響鑄件性能;清除過(guò)多,又難以保證鑄件精度。氧化物陶瓷型殼是目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的一種先進(jìn)工藝。面層耐火材料為ThO2、ZrO2、Y2O3或稀土氧化物(REO)等難熔金屬氧化物。粘結(jié)劑也采用難熔金屬氧化物膠體或金屬有機(jī)化合物。金屬鎢面層陶瓷型殼是美國(guó)Rem公司研發(fā)的一種型殼系統(tǒng)。該工藝的特點(diǎn)是采用金屬有機(jī)化合物,鋯鹵化物或膠體金屬氧化物作為粘結(jié)劑,以金屬鎢粉作面層耐火材料?？刹捎玫恼辰Y(jié)劑可分為兩類:碳質(zhì)粘結(jié)劑和氧化物粘結(jié)劑。碳質(zhì)粘結(jié)劑用于制備搗實(shí)石墨型和熔模精鑄石墨型殼,這類粘結(jié)劑有合脂及合成樹(shù)脂;氧化物粘結(jié)劑有二醋酸鋯、硅溶膠、碳酸鋯銨等,其中工藝性能最好、使用最多的是二醋酸鋯。鈦和鈦合金熔模精鑄型殼除面層粘結(jié)劑外,還需背層粘結(jié)劑,國(guó)內(nèi)外都是采用硅酸乙酯或硅溶膠。三、過(guò)冷度區(qū)域的晶粒鈦合金鑄件從液相冷卻至固相過(guò)程中,除非有特別大的過(guò)冷度,通常形成較粗大的晶粒。這種鑄造晶粒的邊界結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,非常穩(wěn)定,不可能通過(guò)相變?cè)俳Y(jié)晶處理而細(xì)化。1.反應(yīng)物的質(zhì)量控制(1)鈦合金鑄件熱處理前應(yīng)對(duì)爐子的加熱電源、控溫和控制系統(tǒng)進(jìn)行檢查,清理爐內(nèi)的污染物,如金屬屑、碳化物等,防止污染鑄件。(2)鑄件表面應(yīng)清理或清洗干凈,盡量避免存在型殼及其與鈦的反應(yīng)物,真空退火的鑄件表面應(yīng)吹砂、酸洗。取放時(shí)應(yīng)戴干凈的手套,禁止直接用手拿,所用的工夾具也需清洗干凈。(3)壁厚差別懸殊的鑄件不能裝在同一爐中處理,但處理工藝相同的不同牌號(hào)的鈦合金鑄件允許裝在同一爐內(nèi)處理。(4)裝爐時(shí)應(yīng)注意鑄件在爐內(nèi)的放置方式,保證爐內(nèi)氣氛在鑄件間能自由流通;大型鑄件堆之間應(yīng)留出20mm以上的間隔,鑄件間避免堆壓,以防變形。(5)為了減少加熱引起鑄件變形,對(duì)于易變形的鑄件在淬火時(shí)效或消除應(yīng)力時(shí),如果條件允許,可使用夾具。(6)除采用惰性氣氛保護(hù)或真空爐熱處理外,用其他加熱爐處理的鑄件,均應(yīng)在溫度升至工藝規(guī)定值后再入爐。2.化元素鈦合金熱處理(1)退火處理一般分為普通退火和消除應(yīng)力退火。普通退火處理可使各種合金組織穩(wěn)定并獲得較均勻的性能。消除應(yīng)力退火是消除鑄件由于鑄造、焊接、機(jī)加工等造成的殘余應(yīng)力。再結(jié)晶退火目的是消除加工硬化,純鈦一般采用550~690℃,鈦合金用750~800℃,保溫1~3h,空冷。對(duì)于表面質(zhì)量要求高的鑄件,必須采用真空退火消除應(yīng)力。真空度一般在7Pa以下,其他方面與真空除氫退火相同。消除應(yīng)力退火升溫速度,可不作要求,以防止鑄件不發(fā)生變形為準(zhǔn);對(duì)冷卻速度的要求不是十分嚴(yán)格,但對(duì)冷卻的均勻性要求嚴(yán)格,尤其是在320~500℃的范圍內(nèi)不能采用油淬或水淬來(lái)加速冷卻,否則會(huì)由于冷卻不均勻?qū)е鲁霈F(xiàn)新的殘余應(yīng)力。為此,一般的鑄件保溫結(jié)束后,都應(yīng)采用空冷或爐冷。對(duì)于大型薄壁易變形的鑄件,保溫結(jié)束后應(yīng)控制冷卻速度,以防鑄件變形。(2)淬火和時(shí)效處理主要目的是提高鈦合金的強(qiáng)度和硬度。α鈦合金和含β穩(wěn)定化元素較少的(α+β)鈦合金,自β相區(qū)淬火時(shí),發(fā)生無(wú)擴(kuò)散型的馬氏體轉(zhuǎn)變?chǔ)隆痢?α′為馬氏體,是β穩(wěn)定化元素在α-Ti中的過(guò)飽和固溶體,具有密排六方晶格,硬度較低,塑性好,是一種不平衡組織,加熱時(shí)效時(shí)分解成α相和β相的混合物,強(qiáng)度和硬度有所提高。β鈦合金和含β穩(wěn)定化元素較多的(α+β)鈦合金淬火時(shí),β相轉(zhuǎn)變成介穩(wěn)定的β相,加熱時(shí)效后,介穩(wěn)定β相析出彌散的α相,使合金的強(qiáng)度和硬度提高。α鈦合金一般不進(jìn)行淬火和時(shí)效處理,β鈦合金和(α+β)鈦合金可進(jìn)行淬火時(shí)效處理,以提高強(qiáng)度和硬度。鈦合金的淬火溫度一般選在α+β兩相區(qū)的上部范圍,淬火后部分α保留下來(lái),細(xì)小的β相轉(zhuǎn)變成介穩(wěn)定β相或α′相(或兩種均有,決定于β穩(wěn)定化元素的含量),經(jīng)時(shí)效后獲得良好的綜合力學(xué)性能。假若加熱到β單相區(qū),β晶粒極易長(zhǎng)大,則熱處理后的韌性很低。一般淬火溫度為760~950℃,保溫5~60min,水中冷卻。鈦合金的時(shí)效溫度一般在450~550℃之間,時(shí)間為幾小時(shí)至幾十小時(shí)。熱處理加熱時(shí)應(yīng)防止污染和氧化,并嚴(yán)防過(guò)熱。β晶粒長(zhǎng)大后,無(wú)法用熱處理方法挽救。淬火時(shí)效處理也可作為一種挽救熱處理的方法,應(yīng)用于鈦合金鑄件的工業(yè)生產(chǎn)。例如,用量最大的Ti6Al4V合金,它的熱處理規(guī)范為退火,而在生產(chǎn)中,因成分問(wèn)題或熱等靜壓處理問(wèn)題,某些批次的鑄件力學(xué)性能達(dá)不到技術(shù)條件指標(biāo)時(shí),采用淬火時(shí)效處理工藝,調(diào)節(jié)合金強(qiáng)度和塑性,可能補(bǔ)救這批鑄件。(3)真空除氫退火鈦合金在電加工、化學(xué)銑削、酸洗、焊接及熱處理等過(guò)程中,由于與各種氣氛和介質(zhì)接觸而吸氫,以致合金中的氫含量過(guò)高,使鑄件在使用過(guò)程中發(fā)生氫脆而提前失效。當(dāng)氫含量超過(guò)規(guī)定值時(shí),可以利用氫在鈦中的溶解過(guò)程的可逆反應(yīng)進(jìn)行真空除氫處理。除氫處理可以全面改善和提高鈦合金鑄件的力學(xué)性能,使它達(dá)到或超過(guò)變形鈦合金的水平。(4)熱等靜壓處理鈦精密鑄造獨(dú)特的工藝是采用了含氧、氮量高的材質(zhì),目的是去除同鑄型的反應(yīng)層的化學(xué)腐蝕或者是增大抗拉強(qiáng)度,但凝固時(shí)容易產(chǎn)生針孔。為消除這種針孔及縮孔,可采用熱等靜壓(HIP)工藝。鈦合金鑄件經(jīng)熱等靜壓處理后,會(huì)使合金的顯微組織發(fā)生一定的變化,內(nèi)部孔洞與疏松被擠壓而焊合,致密度和力學(xué)性能均能得到改善。熱等靜壓工藝規(guī)范取決于合金在不同溫度下的屈服極限,工藝溫度一般要比相變溫度低15~20℃,以ZTC4合金為例,其規(guī)范為920℃、103MPa,保溫保壓2h。熱等靜壓時(shí)采用的介質(zhì)通常用純度為99.90%的氬氣,處理后鑄件表面的污染層約為0.1mm。需注意的是,鈦合金在熱處理前必須進(jìn)行X射線檢查,確定鑄件內(nèi)部缺陷的性質(zhì)、部位和面積。對(duì)于那些與表面連通的缺陷,必須補(bǔ)焊封閉,否則處理這些缺陷不能起到修復(fù)的作用。經(jīng)吹砂和酸洗處理后表面光潔的鈦鑄件才能裝筐準(zhǔn)備處理。鑄件裝入處理筐后,最好在鑄件上面覆蓋干凈的鈦屑,以保證鑄件處理后表面清潔。熱等靜壓的效果是否顯著,在很大程度上取決于熱等靜壓的效果是否顯著,在很大程度上取決于處理前鑄件的質(zhì)量,低質(zhì)量的鑄件經(jīng)處理后,其性能大大改善,通常可提高10倍。高質(zhì)量的鑄件本來(lái)就致密,成分和性能也比較均勻,經(jīng)過(guò)處理后疲勞性能會(huì)有大的改善,其他方面性能的改善就不十分明顯。如果該鑄件對(duì)疲勞性