钛合金的应用及其锻压技术

钛合金的应用及其锻压技术

罗伟

天津市特钢精锻有限公司天津市300301

摘要：钛是一种性能优良的金属，在发展经济和国家安全中具有重要战略意义，被称为“太空金属”、“海洋金属”。钛合金最主要的优点是比强度高、热强性好、耐腐蚀性好，在400～500℃时，钛合金的比强度超过了多数不锈钢和抗氧化钢。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重量，因此受到航空和航天工业的极大重视，同时也在汽车、电力、化工、舰船、石油、冶金、医疗等工业越来越得到广泛应用。

关键词：钛合金；应用前景；锻压技术

1、前言

1791年英国的WilliamGregor发现钛元素的存在；1932年卢森堡化学家WilhelmJustinKroll用TiCl4和Ca制取大量的钛，他被称为钛工业之父；第二次世界大战后，钛合金很快成为航空发动机的关键材料；1948年杜邦公司首先开始商业化生产金属钛。金属钛生产成为伴随航空和航天工业发展起来的新兴工业，发展速度很快，超过了任何一种其他有色金属的发展速度。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。

2、钛合金的应用前景

2.1钛合金在航空航天工业中的应用

（1）在飞机机身及其发动机中，称钛为不可缺少的“太空金属”。当飞机作超音速飞行时，飞机外表面与空气强烈磨擦产生热量，机体温度随之升高，飞机的飞行速度越快，机体温度就越高，在这种情况下传统的铝合金和钢铁已经不能胜任，钛合金的出现给飞机克服热障做出了贡献。飞机上的防火壁、蒙皮、大梁、翼肋、舱门、拉杆、风扇叶片、压气机叶片、机身隔框和起落架大都采用钛合金制造。而且飞机和发动机质量每降低1Kg，其使用费用通常可节约220～440美元。飞机使用钛合金不仅能提高性能，而且又能减轻飞机的装备重量，节约的能源也是可观的。随着钛合金价格的下降，民用飞机用钛量一定会大幅增长。

（2）钛及钛合金是航天工业的热门材料，使用它的目的也是为了减轻发射质量，增加射程，节省费用。在航天工业中，使用钛及其合金主要用来制作压力容器，如燃料储箱、火箭发动机壳体、火箭喷嘴导管、人造卫星外壳、载人宇宙飞船船舱及推进系统等。

2.2钛合金在汽车工业中的应用

由于钛是一种质轻高强、耐蚀性好、性能优良的材料，应用于汽车上可提高汽车安全性、舒适度，是实现汽车轻量化的理想材料。随着汽车工业水平的不断提高，为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、瓦轴已开始应用钛合金，不仅可减轻重量，大大提高燃料的利用率，而且可延长使用寿命，提高可靠性。

2.3钛合金在船舰工业中的应用

钛合金由于强度范围很宽、物理性能独特及优异的机械性能、耐腐蚀性、抗冲击性等特性，在船舰上得到广泛的应用。从日本国内现有3艘全钛船舶8年运行情况来看，到目前钛是继木、铁、铝、玻璃纤维及加强塑料之后第5代船体用材已被公认。俄罗斯舰船钛合金应用在泵、过滤器、补给管、灭火系统、压力容器等设备中。核潜艇、深潜器、原子能破冰船、气垫船和扫雷艇等，都用了钛材制造的螺旋桨推进器、潜艇鞭状天线、海水管路、冷凝器和热交换器等。

2.4钛在化工行业中的应用

钛在各种酸、碱、盐介质中，具有很好的稳定性。所以，钛是化学工业中优良的抗腐蚀性材料，得到了越来越广泛的应用。例如，在氯碱工业中使用钛金属阳极和钛制湿氯气冷却器，取得了很好的经济效果，被誉为氯碱工业中的一大革命。

2.5钛在医疗行业的应用

钛合金产品的物理、化学性质十分稳定，与体液、肌肉、骨骼、药品接触不会发生反应，也不会电离，因而被人们称为“亲生物金属”。钛在人体内，能抵抗分泌物的腐蚀，对任何杀菌方法都适应。因此被广泛应用于医疗器械，制造人体髋关节、股骨头、膝关节、肩关节、头盖骨、肱骨、肘关节以及血管扩张器、假体、夹板、紧固螺钉等，取得了良好的效果。对于改善人们的健康状况和提高生活质量，具有重要的民用价值和社会意义。

3、钛的锻压技术

和其他金属一样，钛合金的成形可以采用铸造、粉末冶金、锻造等工艺，对可靠性和强度要求较高的零件一般都采用锻件。钛合金的组织和性能取决于合金的化学成分和热处理，但是锻造温度、变形程度和变形速度等热力参数，对钛合金锻件的组织及性能有很大的影响。钛合金的临界变形量为2-12%，钛合金锻造时，多数钛合金变形程度小于30%时，不能破碎或只能轻微破碎铸造组织，当变形程度大于30%时才能明显细化组织，变形程度大于60%时可将粗针状组织细化，并将其转变为球状组织，获得良好组织的锻件。为了减小各向异性，必须要有足够的变形程度。试验结果表明，工业纯钛TA2在800～1000℃范围内自由锻时，如果总变形程度达到75%～80%时，各向异性可能降低到最小程度。对于TA6、TC6等钛合金，为了得到均匀的组织及各向异性最小，总变形程度应达到90%左右。

钛合金的冷变形抗力大、回弹严重、塑性不高，采用传统方法加工难度大，其塑性加工通常是在高温下进行，所以钛合金多采用等温锻造方法。等温锻造是20世纪60年代末发展起来的锻造新工艺，运用这一新工艺，几乎可以生产出净尺寸的产品。等温锻造是指坯料几乎在恒定的温度下锻造成形，为了保证恒温成形的条件，模具也必须加热到与坯料相同的温度，故称为等温锻造。

与常规锻造相比，等温锻造有许多优点，主要有以下几点：

（1）等温锻造能够锻造形状复杂、精度高的锻件，比常规锻造节省原料，减少机加工量，降低生产成本；

（2）能够实现单道次大变形工艺，从而获得更精细的组织结构，减少锻造作业量，提高了工作效率；

（3）等温锻造对锻压设备的压力要求低，由于温度较高，材料的变形抗力大幅降低，只需要常规锻造压力的20%-30%就可以；

（4）等温锻造可精确控制加工参数，产品具有一致均匀的微观组织，较少出现粗大晶粒，机械性能优于常规锻造；

（5）等温锻件一般无残余应力。

等温锻造模具材料应具有良好的高温强度、高温耐磨性、耐热疲劳及抗氧化能力。钛合金等温锻造时，要求把模具加热到760～980℃。需要由特殊材料制造，一般用镍基高温合金制造，如我国的K3合金，美国的In-100、MAR-M200等。美国Wyman-Gordon公司等采用等温锻造技术制造了Ti-6Al-6V-2Sn钛合金飞机大梁和起落架前轮、Ti-6Al-4V钛合金框架加强板等，在等温锻造技术方面处于领先地位。

随着数值模拟和有限元技术的不断发展，许多研究者用来研究等温锻造技术，可方便的预测和模拟锻造过程中温度分布、应力、应变，以及模具应力情况等，在提高生产效率，缩短产品开发周期以及减少材料消耗等方面具有显著的优势。

4、结语

钛合金是继钢铁、铝之后崛起的“第三金属”，随着科学技术的不断发展，加工制造成本的逐步降低，钛合金以其优异的性能，市场需求将不断增长，必然会在各个工业领域得到更大的发展。

参考文献：

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