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钛合金铸造工艺机能

颁布功夫: 2017-08-23 09:18:20   起源: 银河99905金属    浏览次数:

1.1、常用钛合金铸造工艺机能数据

凭据理论钻研和工厂出产经验,, ,将α型、近α型、α﹢β型和近β型常用钛合金铸造工艺机能数据别离汇总于表1~表4。

从表1~表4的数据能够看出,, ,无数钛合金铸锭的开坯温度在1150℃~1200℃领域内,, ,部门钛合金铸锭开坯的始锻温度在1050℃~1100℃领域内 ;;这两个温度区都位于β相区内,, ,并且前者高于相变温度好多,, ,原因有二:其一,, ,合金在β相区的塑形高、变形抗力低,, ,为了争取更长的铸造功夫,, ,有利于提逾越产率 ;;其二,, ,铸锭开坯的坯料重要是供给锻做作毛坯,, ,其组织经过大变形水平的铸造后,, ,还能够得到改善,, ,不致于影响锻件机能,, ,故选择出产率高的工艺。

从表1~表4的数据能够看出,, ,压力机上模锻的始锻温度不只大大低于铸锭开坯的始锻温度,, ,并且低于α/β相变温度30℃~50℃,, ,无数钛合金的模锻温度在930℃~970℃领域内,, ,这是为了确保在α﹢β相区变形,, ,以获得锻件必要的组织机能。由于锻锤模锻必要屡次进攻,, ,操作功夫较长,, ,其制品锻件的模锻加热温度能够比压力机铸造适当提高10℃~20℃.但是,, ,为了保障钛合金制品锻件的组织和力学机能,, ,所以铸造工序的终锻温度都应节制在α﹢β两相区。

从表1~表4的数据还能够看出,, ,无数钛合金预成形的始锻温度稍微高于相变温度或在相变温度左近。预成形等过渡工序的始α/β锻温度都低于铸锭开坯,, ,高于模锻的始锻温度,, ,在这个温度区变形既关照了出产率,, ,又为锻件筹备了组织较好的毛坯。

表1 α型钛合金的铸造工艺机能数据

合金商标 相变温度/℃ 铸造温度领域/℃ 允许变形水平/%
工业纯钛 α→β:885~900 铸锭开坯:1050~650 预成形:950~650 模锻:950~650 40~50 30~40 30~40
TA7 α→α﹢β:930~970 β→α﹢β:1040~1090 铸锭开坯:1180~900 预成形:1100~850 锤上模锻:1100~900 压力机上模锻:1020~850 30~50 40~70 40~70 40~70
TA13 α﹢β→β:895±10 铸锭开坯:1050~750 预成形:950~700 锤上模锻:880~700 环形件轧制:860~650 30~50 40~70 40~70 40~70
TA16 α﹢β→β:920±20 铸锭开坯:1180~900 预成形:1100~850 锤上模锻:1100~900 压力机上模锻:1020~850 板材轧制:1050~800 管材穿孔与热轧:1120~800 40~50 50~60 50~70 50~70 50~70 50~70

表2  近α型钛合金的铸造工艺机能数据

合金商标 相变温度/℃ 铸造温度领域/℃ 允许变形水平/%
TA11 α﹢β→β:1040 铸锭开坯:1190~900 预成形:1000~800 模锻:1000~800 30~50 30~60 30~60
TA12 α﹢β→β:940±20 铸锭开坯:1200~900 预成形:1040~850 锤上模锻:1040~800 压力机上模锻:1030~800 30~50 30~55 30~55 30~55
TA15 α﹢β→β:1020±30 铸锭开坯:1180~900 预成形:1080~900 锤上模锻:1020~900 压力机上模锻:1000~900 20~30 40~50 40~50 40~50
TA18 β→α﹢β:925±10 铸锭开坯:1050~750 预成形:950~750 模锻:900~700 50~70 50~70 40~50
TA19 α﹢β→β:990±30 铸锭开坯:1150~850 预成形:1000~800 锤上模锻:980~800 压力机上模锻:950~800 30~60 40~70 40~70 40~70
TC1 α﹢β→β:920~930 铸锭开坯:1150~850 预成形:1000~850 锤上模锻:950~800 压力机上模锻:910~750 30~60 40~70 40~70 40~70
TC2 α﹢β→β:940±20 铸锭开坯:1080~850 预成形:980~800 锤上模锻:950~800 压力机上模锻:930~750 30~50 40~70 40~70 40~70

表3  α﹢β型钛合金的铸造工艺机能数据

合金商标 相变温度/℃ 铸造温度领域/℃ 允许变形水平/%
TC4 α﹢β→β: 980~1010 铸锭开坯:1200~850 预成形:1000~800 锤上模锻:980~800 压力机上模锻:950~800 30~60 40~70 40~70 40~70
TC6 α﹢β→β:980±20 铸锭开坯:1150~850 预成形:1050~800 锤上模锻:950~800 压力机上模锻:950~800 等温挤压:940 30~60 40~70 40~70 40~70  
TC11 α﹢β→β:1000±20 铸锭开坯:1200~900 预成形:980~800 锤上模锻:980~850 压力机上模锻:970~800 30~60 40~65 40~65 40~65
TC16 α﹢β→β:860±20 铸锭开坯:1150~850 预成形:1000~850 模锻:950~700 旋转铸造:820~650 30~60 40~70 40~70 10~20
TC17 α﹢β→β:890±15 铸锭开坯:1100~800 α﹢β模锻:845~700 压力机上模锻:950~800 50~70 30~50 β区:40~60 α﹢β区:20~40
TC18 β→α﹢β:750±10 铸锭开坯:1180~850 预成形:1020~800 锤上模锻:950~800 压力机上模锻:840~750 挤压、轧制:1050~750 30~50 40~70 40~70 20~50 20~60

表4  近β型钛合金的铸造工艺机能数据

合金 相变温度/℃ 铸造温度领域/℃ 允许变形水平/% 超塑性温度/℃
TB2 α﹢β→β: 730~750 铸锭开坯:1150~850 30~60 板材750
TB3 α→β﹢β:750±10 铸锭开坯:1150~850 坯料改锻:1050~800 旋转铸造:760~600 30~60 40~70 10~30  
TB5 α﹢β→β:750~770 铸锭开坯:1150~850 坯料改锻:1050~800 旋转铸造:740~600 30~60 40~65 10~20 板材750~800
TB6 α﹢β→β:800±15 铸锭开坯:1150~850 预成形:840~700 锤上模锻:800~680 压力机上模锻:780~680 等温模锻:780~760 50~70 40~60 40~50 40~60 30~50 770
注:在α﹢β变形

1.2、钛合金铸造工艺机能综合分析

凭据表1~表4和他们的热力学参数以及钛合金的金属学个性,, ,现对α型、近α型、α﹢β型和近β型四类钛合金的铸造工艺机能及其影响成分进行综合分析。 

1.2.1 晶体了局的影响

钛有两种同素异性体:在882℃以下为密排六方结构,, ,称为α相 ;;在882℃以上,, ,为体心立方结构,, ,称为β相。在温度低时,, ,因α相的性质密排六方结构变形时能被激活的滑移系数量有限,, ,塑形成形极度难题 ;;当温度升高时,, ,被激活的滑移系数量增多,, ,工艺塑形得以改善。随着温度的升高,, ,变形抗力也显著降低。当变形温度进入β单相区时,, ,体心立方结构的β相拥有相对多的滑移系,, ,变形抗力小,, ,工艺塑形显著提高,, ,能够进行更大变形水平的铸造,, ,并且还降低铸造载荷。大部门的近α型和α﹢β型钛合金两相区进行变形时,, ,其变形抗力和工艺塑形对合金成分、变形温度和变形速度等拥有强烈的敏感性,, ,随着在α﹢β两相区温度的降落,, ,平衡状态的α相比例在增长,, ,β相含量在削减,, ,将显著降低工艺塑形和增大变形抗力,, ,因而,, ,通常来说,, ,当在α﹢β两相区进行变形时,, ,凭据分歧的合金以及对显微组织的分歧要求,, ,始锻温度通常节制在Tβ以下30℃~50℃的领域内,, ,而终锻温度尽量不要太低。

1.2.2 合金元素的影响

合金元素(重要成分)及杂质元素都对钛合金铸造工艺塑形、可锻性和再结晶个性有重大影响。

1. 合金元素对可锻性的影响

如上所述,, ,钛的合金化元素重要有三类,, ,即α不变动元素、中性元素和β不变动元素。参与分歧的合金化元素不仅扭转了在退火状态或亚不变状态下的相组成,, ,并且还扭转了钛合金的相变温度、再结晶温度,, ,这些对钛合金的变形抗力和工艺塑形均有很大影响。 纯钛的热加工工艺塑形和成形性都很好 ;;近β型合金拥有优异的热加工工艺塑形,, ,并且工艺窗口较宽,, ,铸造时坯料理论不容易开裂 ;;α﹢β型钛合金的热加工工艺塑形中等 ;;而近α型合金通常工艺塑形最差,, ,出格是合金化水平高的高温钛合金,, ,因合金中含有的β不变动元素较少,, ,合金在不变状态下根基上以α相为主,, ,并且Al含量高,, ,使相变温度提高,, ,因而,, ,这类近α型钛合金的铸造温度高、变形抗力大、工艺塑形低,, ,并且对变形温度和变形速度敏感性最大。

2. 杂质元素对可锻性的影响

碳和氧等杂质元素的含量对钛合金铸造工艺机能影响很大。随着碳含量的增长,, ,钛合金中碳化钛增多,, ,并且在铸造组织中呈团状或链状散布,, ,使冲击性急剧降落 ;;变形可细化碳化钛并使之均匀散布,, ,从而改善塑形。除碳元素外,, ,尤其是氧对钛合金的工艺塑形影响也很大:氧拥有显著的间隙固溶强化作用,, ,因而,, ,钛合金的变形抗力显著提高,, ,工艺塑形降低。真空自耗熔炼能削减杂志元素含量,, ,提高钛合金的塑形。 

3. 合金和杂质元素对再结晶的影响

合金化元素对钛合金的再结晶温度也有重要影响,, ,而再结晶温度往往是制订钛合金铸造和热处置工艺的重要参数之一。再结晶过程也是影响钛合金的塑形和强度的重要成分。依照合金化或杂质元素对钛合金再结晶温度的影响水平,, ,可将它们分为三类:

(1)显著提高再结晶温度的元素:N、C、O、B、A、Be、Re。

(2)对再结晶温度无影响的元素:Co、Nb。

(3)含量大才对再结晶温度温度有影响的元素:Sn、V、Cr、Fe、Mn。

增长N、C、O、Al等合金元素能够显著提高钛合金的再结晶温度,, ,例如,, ,碘化法纯钛的再结晶温度在400℃~500℃之间,, ,工业纯钛的再结晶起头温度约莫为550℃,, ,在650℃经过1h就能够实现齐全再结晶 ;;增长钛合金中的Al含量将增长合金中的点阵畸变水平,, ,降低原子在合金中的扩散速度,, ,从而显著提高再结晶温度,, ,故障晶粒的长大。通常来说,, ,随着钛合金合金化水平的增长,, ,再结晶温度也急剧提高。α型钛合金的再结晶温度通常为Tβ温度的0.5~0.7,, ,α﹢β型钛合金的再结晶温度通常为Tβ温度的0.85~0.98,, ,β型钛合金的再结晶温度般为Tβ温度的0.6。

1.2.3 环境介质对可锻性的影响

钛合金在高温下与气体介质有很大的化学亲和力,, ,容易产生氧化和吸氢。在高温铸造加热过程中很容易吸收氧、氢和氮等气体,, ,出格是氧,, ,从而在毛坯理论形成硬而脆的氧化层,, ,通常称之为硬α层,, ,硬α层比钛合金坯料内部的母材金属脆得多,, ,对拉应力和拉伸变形极度敏感,, ,当钛合金毛坯理论存在硬α层时,, ,不只急剧降低工艺塑形,, ,并且使锻件机能恶化。因而,, ,铸造加热时应采取适当的理论防护措施,, ,以预防或削减硬α层而降低工艺塑形。

1.2.4 相变温度与可锻性的关系

有表1~表4中的数据能够看出,, ,险些所有钛合金的最佳塑形温度都在相变温度以上的β单相区。由于在1000℃以上甚至1200℃的β相区铸造时,, ,塑形高、变形抗力小和可锻性好。 为了争取更长的铸造功夫,, ,钛合金铸锭开坯加热温度根基都在 Tβ温度以上的最佳塑形温度区间内,, ,其中大无数节制在1150℃~1200℃温度领域内,, ,少部门节制在1050℃~1100℃温度领域内。

为了保障钛合金制品锻件的组织和力学机能,, ,铸造不能在其塑形最佳和变形抗力最小的β单相区领域内进行,, ,而只能在靠近其最佳塑形温度的Tβ温度以下进行。

大无数α型、近α型和α﹢β型钛合金是在表1~表4所示的相变温度Tβ(900℃~1000℃)以下30℃~50℃的温度领域内铸造,, ,例如无数合金压力机上模锻时的加热温度能够在930℃~970℃(非最佳塑形温度)温度领域内 ;;近β型钛合金的Tβ温度较低,, ,通常在740℃~800℃温度领域内,, ,其制品锻件的铸造加热温度通常低于800℃。

1.2.5 变形温度对可锻性的影响

所有类型的钛合金都对铸造变形温度极度敏感。例如对于近α型的TA11、α﹢β型的TC4和近β型的TB6这三类钛合金,, ,当铸造温度降落相对较小时,, ,铸造变形抗力急剧增大,, ,如:当TC4合金的铸造温度降低140℃,, ,变形抗力约莫增长四倍,, ,因而,, ,在进行钛合金铸造时,, ,将坯料从路子运输到铸造设备过程中,, ,应尽量削减金属的温度损失。对于传统的铸造加工,, ,也应尽量削减资料于冷模具的直接接触。

温度变动对常用钛合金铸造变形抗力的影响于合金类型也有亲昵关系。通过对比TA11、TC4和TB6这三种典型合金在10S-1应变速度情况下铸造温度对变形抗力的影响能够看出,, ,在该应变速度前提下,, ,TA11和TC4合金阐发出显著的温度敏感性,, ,二者在900℃和800℃的流变应力别离是1010℃(低于TA11合金的Tβ)和1000℃(刚好或略高于TC4合金的Tβ)的2和3倍 ;;但是TB6的温度敏感性较小,, ,即便在总应变高的前提下,, ,TB6在Tβ以下的760℃与Tβ以上的815℃变形相比,, ,变形抗力只提高50%左右。

与其他金属资料一样的是,, ,在通常铸造前提下,, ,很多钛合金均阐发出了应变软化行为。应变软化重要产生于Tβ温度以下的铸造过程,, ,当在Tβ温度以上变形时,, ,应变软化阐发不显著。这种应变软化行为的区别是由于在Tβ温度以上或以下变形过程中存在分歧的显微组织:在Tβ温度以下变形时,, ,合金拥有β和α两种相,, ,更容易使应变重新散布,, ,并推进位错更有效的活动,, ,从而导致在Tβ温度以下变形时应变软化更凸起。

钛合金铸造的梦想变形抗力值与现实的铸造时的变形抗力值存在误差。然而,, ,变形抗力和铸造工艺的其他参数如温度和应变速度都亲昵有关,, ,所以在制订钛合金铸造工艺时极度重要。再加上其他铸造工艺参数的影响,, ,如模具温度、光滑前提、前期加工汗青和总应变量等,, ,现实上任何一种钛合金铸造所必要的铸造压力都要比梦想的变形抗力高。 

1.2.6 应变速度对可锻性的影响

钛合金比铝合金和合金钢的锻件常用资料拥有更强烈的应变速度敏感性。随着应变速度增长,, ,钛合金的塑形降落和变形抗力增长。当变形温度升高至1000℃以上的β相区时,, ,应变速度对塑形和变形抗力的影响显著降低,, ,即在β相区变形时,, ,各类应变速度前提下的塑形大幅提高、变形抗力大幅降低,, ,应变速度对二者的影响都减小,, ,只管钛合金在β相区领域内塑形很好和变形抗力较小,, ,并且应变速度对可锻性的影响较小,, ,但在α﹢β两相区内,, ,塑形低、变形抗力大、变形温度领域窄,, ,但是为了确保钛合金锻件要求的组织和力学机能,, ,出铸锭开坯外。模锻工序应尽量在α﹢β两相区进行。

当应变速度从10S-1将至0.001S-1时,, ,TA11、TC4和TB6这三种钛合金的铸造流变应力降低90%~80%,, ,例如TC4合金在900℃、60%应变和10S-1应变速度前提下的流变应力为205MPa,而在一样变形温度和应变前提下,, ,当应变速度降落至0.001S-1时,其流变应力则将至50MPa,为原来应变速度(10S-1)下的1/4。 

利用钛合金铸造变形抗力对应变速度敏感的特点,, ,应尽量选取低应变速度。统一钛合金在锻锤上变形(动态)要比液压机上变形(静态)的允许变形水平低好多、变形抗力却高好多,, ,其差距可能达到30%或更高。然而,, ,钛合金传统铸造是在非等温前提进行的,, ,因而,, ,选取模具温度较低的传统铸造步骤,, ,可选择高的应变速度,, ,达到应变敏感性与金属温度损失的优良匹配,, ,以得到优良的变形成效。当模具温度与金属的温度靠近或相称时,, ,钛合金坯料的温降很有限,, ,能够选取低应变速度进行变形,, ,能够大大减小铸造变形抗力。

选取变形速度高的铸造技术,, ,如在锤上和机械压力机上铸造等,, ,必须思考因变形热导致的坯料温升。由于钛合金的导热性差,, ,容易造成锻件内部温度散布不均匀和显著的温度差,, ,从而使合金和锻件的力学机能不合格。因而,, ,在应变速度高的前提下铸造钛合金时,, ,铸造温度要思考热加工温升的成分,, ,预防温升造成的不良后果。 

1.2.7 应力状态的影响

应力状态对钛合金的可锻性也有很大影响,, ,拉应力状态比压应力状态允许的变形水平低好多,, ,但变形抗力较低。例如,, ,压应力状态的挤压和闭塞模锻虽可大大提高塑形,, ,但也增长变形抗力。

1.2.8 组织类型对钛合金可锻性的影响

对比分歧组织的统一钛合金,, ,如铸造状态与铸造状态,, ,铸造状态的塑形降低而变形抗力高 ;;但当温度升高制1000℃以上时,, ,两者的差距减小,, ,这也是无数钛合金铸锭的开坯温度定在1150℃~1200℃的重要原因之一。

1.2.9 临界变形区

通常钛合金在950℃~1000℃以下有较显著的临界变形区,, ,其临界变形水平小于20% ;;在1000℃以上,, ,晶粒普遍急剧长大,, ,固然还能看出变形水平在20%以下的临界变形区,, ,但不显著。因而,, ,为预防锻件晶粒长大,, ,每火的变形水平应节制在20%以上,, ,除铸锭开坯和制坯工序外,, ,终锻工序的加热温度不应超过950℃。

别的,, ,在铸造变形温度领域内,, ,变形水平也对钛合金的再结晶过程有显著影响,, ,变形水平越大,, ,再结晶起头温度越低。 

毛坯加热

1) 加热空气及毛坯防护

钛合金化学性质活跃,, ,极易被加热介质中的氧、氢、氮等有害气体传染。氧和氮在钛合金理论形成一层又硬又脆的α层。在铸造过程中,, ,锻件理论的α层很容易引起铸造裂纹、加快模具磨损、劣化锻件理论质量。钛合金最好在真空或惰性气体 ;;さ牡缏屑尤,, ,弊端是成本较高,, ,因而,, ,通常在箱式或转底电炉的微氧化空气中加热即可。

若不得已而选取煤气炉或油炉加热时,, ,应远隔节制炉内空气,, ,通常需使炉气略带氧化性,, ,切勿在还原性空气中加热。值得指出的是,, ,无论在何种空气中加热,, ,钛合金坯料理论都应该涂覆玻璃防护光滑剂。 

2) 加热温度和终锻温度

铸造加热温度应按下述秩序递降:铸锭开坯、预制坯(预锻)、模锻、切割、弯曲、切边、校对。钛合金铸锭开坯的加热温度均在高于相变温度Tβ的单相区,, ,俄罗斯划定的铸锭开坯加热温度在Tβ以上60℃~100℃,, ,我国划定相应的加热温度在Tβ以上的120℃~200℃ ;;锻锤和压力机上制坯时的加热温度为Tβ以下30℃~50℃ ;;模锻时的加热温度相当于或略低于制坯是的加热温度 ;;在压力机上的模锻加热温度可稍低于在锤上模锻时的加热温度 ;;终锻温度刚好相反。弯曲、校对、切边和切割的加热温度又都应稍低于模锻时的加热温度。 在分歧设备上和分歧工序中铸造钛合金时,, ,应别离选择分歧的加热和终锻温度,, ,主张是为了获得最佳的组织和机能 ;;并在不影响锻件质量的前提下,, ,尽量提逾越产率和节约能量成本。

3)加热速度和保温功夫

由表5所示锻件常用钛合金于合金结构钢的热导率数据可知,, ,钛合金(工业纯钛之外)在100℃以下的热导率多在6W/m·℃~10W/m·℃领域内,, ,只有锻件常用合金结构钢热热导率的1/4~1/7,, ,与高温合金的热导率相当或者更低,, ,因而,, ,钛合金坯料必要缓慢加热,, ,并耽搁保温功夫,, ,以预防因加热速度过快和保温功夫不及而降低塑形,, ,导致锻裂或变形不均匀影响锻件机能。各类规格钛合金毛坯的加热速度和保温功夫见6,, ,表中还给出了坯料在炉中的最长停顿功夫,, ,以预防晶粒急剧长大而影响锻件的组织和机能。

表5 锻件常用钛合金于合金结构钢的热导率的比力

类型 商标 热导率/ m-1·℃-1 类型 商标 热导率/ m-1·℃-1 类型 商标 热导率/ m-1·℃-1
α型 工业纯钛 20℃/19.3 800℃/18.4 近α型 TC1 20℃/19.3 800℃/18.4 近β型 TB2 20℃/19.3 800℃/18.4
TA7 20℃/19.3 800℃/18.4 TC2 20℃/19.3 800℃/18.4 TB3 20℃/19.3 800℃/18.4
TA13 20℃/19.3 800℃/18.4 α+β型 TC4 20℃/19.3 800℃/18.4 TB5 20℃/19.3 800℃/18.4
TA16 20℃/19.3 800℃/18.43 TC6 20℃/19.3 800℃/18.43 碳素钢 20 20℃/19.3 800℃/18.43
近α型 TA11 20℃/19.3 800℃/18.4 TC11 20℃/19.3 800℃/18.4 45 20℃/19.3 800℃/18.4
TA12 20℃/19.3 800℃/18.4 TC16 20℃/19.3 800℃/18.4 渗碳钢 12Cr2Ni4A 20℃/19.3 800℃/18.4
TA15 20℃/19.3 800℃/18.4 TC17 20℃/19.3 800℃/18.4 轴承钢 GCr15 20℃/19.3 800℃/18.4
TA18 20℃/19.3 800℃/18.4 TC18 20℃/19.3 800℃/18.4 调质高强度钢 40CrNiMoA 20℃/19.3 800℃/18.4
TA19 20℃/19.3 800℃/18.4 近β型 TB6 20℃/19.3 800℃/18.4 超高强度钢 40CrNi2Si2MoVA 20℃/19.3 800℃/18.4

表6 钛合金坯料的加热和保温功夫

坯料最大厚度或直径/mm 坯料入炉后升温到始锻温度的功夫(不大于)/mm 保温功夫/min 坯料在炉中的停顿功夫(不大于)/h
(不小于) (不大于)
≤10 5 10 50 1.0
15 8 12 50 1.0
20 10 15 50 1.0
25 10 15 50 1.0
30 10 15 50 1.0
35 15 20 60 1.0
40 15 20 60 1.0
50 15 25 60 1.0
60 15 30 60 1.5
80 15 35 75 2.0
100 20 45 75 2.0
120 20 50 90 2.0
140 25 55 90 2.0
160 25 60 120 2.5
180 30 70 120 2.5
200 30 80 120 2.5
225 35 90 150 3.0
250 35 100 150 3.0
300 40 120 210 4.0
350 40 130 210 4.0
400 50 160 240 4.5
注:大截面的坯料最好分段加热,, ,即先预热至800℃后再在加热炉的高温区或别的的高温炉内加热

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