金屬工藝學(xué)論文

1、 大連海洋大學(xué)金屬工藝論文課程名稱： 金屬工藝 專業(yè)班級： 輪工13-1 學(xué) 號： 1302170115 學(xué)生姓名： 王秉瑞 時(shí) 間： 2014.12.25 鈦合金的制造工藝 摘要：鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種結(jié)構(gòu)金屬。鈦合金具有強(qiáng)度高，耐腐蝕性好，耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。世界上許多國家意識到鈦合金的重要性，相繼對其研發(fā)，并應(yīng)用到實(shí)際中去。介紹了鈦合金的發(fā)展現(xiàn)狀、特性、鑄造工藝性能及其熱處理，闡述了鈦合金的生產(chǎn)技術(shù)及其應(yīng)用，對鈦合金的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。 Abstract:Titanium is a kind of metal structure developed in

2、twentieth Century 50. Titanium alloy has high strength, good corrosion resistance, heat resistance and higher sexual characteristics are widely used in various fields. Many countries in the world to realize the importance of titanium alloy, in succession to the R & D, and applied to practice. Ti

3、tanium alloy development status, characteristics, properties and heat treatment of casting process is introduced, elaborated the production technology of titanium alloy and its application, development trend of titanium alloy is discussed.關(guān)鍵詞：鈦合金 結(jié)構(gòu)材料 合金化 性能 Keywords:Titanium alloy Structural materi

4、als Alloying Performance 鈦合金是以鈦為基加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質(zhì)異晶體：882以下為密排六方結(jié)構(gòu)鈦，882以上為體心立方的鈦。合金元素根據(jù)它們對相變溫度的影響可分為三類：穩(wěn)定相、提高相轉(zhuǎn)變溫度的元素為穩(wěn)定元素,有鋁、碳、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素，它對提高合金的常溫和高溫強(qiáng)度、降低比重、增加彈性模量有明顯效果。穩(wěn)定相、降低相變溫度的元素為穩(wěn)定元素，又可分同晶型和共析型二種。應(yīng)用了鈦合金的產(chǎn)品前者有鉬、鈮、釩等；后者有鉻、錳、銅、鐵、硅等。對相變溫度影響不大的元素為中性元素，有鋯、錫等。 氧、氮、碳和氫是鈦合金的主要雜質(zhì)。氧和氮在相中有較大的溶解度

5、,對鈦合金有顯著強(qiáng)化效果,但卻使塑性下降。通常規(guī)定鈦中氧和氮的含量分別在0.150.2和0.040.05以下。氫在相中溶解度很小,鈦合金中溶解過多的氫會產(chǎn)生氫化物，使合金變脆。通常鈦合金中氫含量控制在 0.015以下。氫在鈦中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。 鈦合金制品鈦是同素異構(gòu)體，熔點(diǎn)為1720，在低于882時(shí)呈密排六方晶格結(jié)構(gòu)，稱為鈦；在882以上呈體心立方品格結(jié)構(gòu)，稱為鈦。利用鈦的上述兩種結(jié)構(gòu)的不同特點(diǎn)，添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪兀蛊湎嘧儨囟燃跋喾趾恐饾u改變而得到不同組織的鈦合金（titanium alloys）。室溫下，鈦合金有三種基體組織，鈦合金也就分為以下三類：合金,(+)合金和

6、合金。中國分別以TA、TC、TB表示。編輯本段鈦合金它是相固溶體組成的單相合金，不論是在一般溫度下還是在較高的實(shí)際應(yīng)用溫度下，均是相，組織穩(wěn)定，耐磨性高于純鈦，抗氧化能力強(qiáng)。在500600的溫度下，仍保持其強(qiáng)度和抗蠕變性能，但不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度不高。它是雙相合金，具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進(jìn)行熱壓力加工，能進(jìn)行淬火、時(shí)效使合金強(qiáng) 鈦合金制武器化。熱處理后的強(qiáng)度約比退火狀態(tài)提高50100；高溫強(qiáng)度高，可在400500的溫度下長期工作，其熱穩(wěn)定性次于鈦合金。 三種鈦合金中最常用的是鈦合金和+鈦合金；鈦合金的切削加工性最好，+鈦合金次之，鈦

7、合金最差。鈦合金代號為TA，鈦合金代號為TB，+鈦合金代號為TC。鈦合金按用途可分為耐熱合金、高強(qiáng)合金、耐蝕合金（鈦-鉬，鈦-鈀合金等）、低溫合金以及特殊功能合金（鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金）等。典型合金的成分和性能見表。 熱處理 鈦合金通過調(diào)整熱處理工藝可以獲得不同的相組成和組織。一般認(rèn)為細(xì)小等軸組織具有較好的塑性、熱穩(wěn)定性和疲勞強(qiáng)度；針狀組織具有較高的持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和斷裂韌性；等軸和針狀混合組織具有較好的綜合性能。編輯本段性能鈦是一種新型金屬，鈦的性能與所含碳、氮、氫、氧等雜質(zhì)含量有關(guān)，最純的碘化鈦雜質(zhì)含量不超過0.1，但其強(qiáng)度低、塑性高。99.5工業(yè)純鈦的性能為：密度=4.5g/

8、cm3，熔點(diǎn)為172 矽鈦合金耐磨地坪5，導(dǎo)熱系數(shù)=15.24W/(m.K)，抗拉強(qiáng)度b=539MPa，伸長率=25，斷面收縮率=25，彈性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。強(qiáng)度高熱強(qiáng)度高使用溫度比鋁合金高幾百度，在中等溫度下仍能保持所要求的強(qiáng)度,可在450500的溫度下長期工作這兩類鈦合金在150500范圍內(nèi)仍有很高的比強(qiáng)度，而鋁合金在150時(shí)比強(qiáng)度明顯下降。鈦合金的工作溫度可達(dá)500，鋁合金則在200以下?？刮g性好 鈦合金在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼；對點(diǎn)蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)；對堿、氯化物、氯的有機(jī)物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕

9、能力。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗蝕性差。低溫性能好 鈦合金在低溫和超低溫下，仍能保持其力學(xué)性能。低溫性能好,間隙元素極低的鈦合金,如TA7,在-253下還能保持一定的塑性。因此，鈦合金也是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料。 常用的熱處理方法有退火、固溶和時(shí)效處理。退火是為了消除內(nèi)應(yīng)力、提高塑性和組織穩(wěn)定性，以獲得較好的綜合性能。通常合金和（）合金退火溫度選在（）相轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下120200；固溶和時(shí)效處理是從高溫區(qū)快冷,以得到馬氏體相和亞穩(wěn)定的相,然后在中溫區(qū)保溫使這些亞穩(wěn)定相分解，得到相或化合物等細(xì)小彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)，達(dá)到使合金強(qiáng)化的目的。通常()合金的淬火在()相轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下40100進(jìn)行，亞穩(wěn)定合

10、金淬火在()相轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上4080進(jìn)行。時(shí)效處理溫度一般為450550。 總結(jié)，鈦合金的熱處理工藝可以歸納為： （1）消除應(yīng)力退火：目的是為消除或減少加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。防止在一些腐蝕環(huán)境中的化學(xué)侵蝕和減少變形。 （2）完全退火：目的是為了獲得好的韌性，改善加工性能，有利于再加工以及提高尺寸和組織的穩(wěn)定性。 （3）固溶處理和時(shí)效：目的是為了提高其強(qiáng)度，鈦合金和穩(wěn)定的鈦合金不能進(jìn)行強(qiáng)化熱處理，在生產(chǎn)中只進(jìn)行退火。+鈦合金和含有少量相的亞穩(wěn)鈦合金可以通過固溶處理和時(shí)效使合金進(jìn)一步強(qiáng)化。 此外，為了滿足工件的特殊要求，工業(yè)上還采用雙重退火、等溫退火、熱處理、形變熱處理等金屬熱處理工藝。刀具材料3

11、切削加工鈦合金應(yīng)從降低切削溫度和減少粘結(jié)兩方面出發(fā)，選用紅硬性好、抗彎強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好、與鈦合金親和性差的刀具材料，YG類硬質(zhì)合金比較合適。由于高速鋼的耐熱性差，因此應(yīng)盡量采用硬質(zhì)合金制作的刀具。常用的硬質(zhì)合金刀具材料有YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643、YS2T和YD15等。 涂層刀片和YT類硬質(zhì)合金會與鈦合金產(chǎn)生劇烈的親和作用，加劇刀具的粘結(jié)磨損，不宜用來切削鈦合金；對于復(fù)雜、多刃刀具，可選用高釩高速鋼(如W12Cr4V4Mo)、高鈷高速鋼(如W2Mo9Cr4VCo8)或鋁高速鋼(如W6Mo5Cr4V2Al、M10Mo4Cr4V3Al)等刀具材料，適于制作切削鈦合金的鉆頭

12、、鉸刀、立銑刀、拉刀、絲錐等刀具。 采用金剛石和立方氮化硼作刀具切削鈦合金，可取得顯著效果。如用天然金剛石刀具在乳化液冷卻的條件下，切削速度可達(dá)200 m/min；若不用切削液，在同等磨損量時(shí)，允許的切削速度僅為100m/min。 世界上第一個(gè)研制成功的高溫鈦合金是Ti-6Al-4V，使用溫度為300-350。隨后相繼研制出使用溫度達(dá)400的IMI550、BT3-1等合金，以及使用溫度為450500的IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金。目前已成功地應(yīng)用在軍用和民用飛機(jī)發(fā)動機(jī)中的新型高溫鈦合金有.英國的IMI829、IMI834合金；美國的Ti-1100合金；俄羅斯

13、的BT18Y、BT36合金等。表7為部分國家新型高溫鈦合金的最高使用溫度近幾年國外把采用快速凝固粉末冶金技術(shù)、纖維或顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料研制鈦合金作為高溫鈦合金的發(fā)展方向，使鈦合金的使用溫度可提高到650以上1,27,29,31。美國麥道公司采用快速凝固粉末冶金技術(shù)戚功地研制出一種高純度、高致密性鈦合金，在760下其強(qiáng)度相當(dāng)于目前室溫下使用的鈦合金強(qiáng)度。合金元素根據(jù)它們對相變溫度的影響可分為三類：穩(wěn)定相、提高相轉(zhuǎn)變溫度的元素為穩(wěn)定元素,有鋁、碳、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素，它對提高合金的常溫和高溫強(qiáng)度、降低比重、增加彈性模量有明顯效果。穩(wěn)定相、降低相變溫度的元素為穩(wěn)定元素，又可分同晶型和

14、共析型二種。前者有鉬、鈮、釩等；后者有鉻、錳、銅、鐵、硅等。對相變溫度影響不大的元素為中性元素，有鋯、錫等。氧、氮、碳和氫是鈦合金的主要雜質(zhì)。氧和氮在相中有較大的溶解度,對鈦合金有顯著強(qiáng)化效果，但卻使塑性下降。通常規(guī)定鈦中氧和氮的含量分別在0.15-0.2和0.04-0.05以下。氫在相中溶解度很小，鈦合金中溶解過多的氫會產(chǎn)生氫化物，使合金變脆。通常鈦合金中氫含量控制在0.015以下。氫在鈦中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。鈦合金 - 分類鈦合金鈦合金它是相固溶體組成的單相合金，不論是在一般溫度下還是在較高的實(shí)際應(yīng)用溫度下，均是相，組織穩(wěn)定，耐磨性高于純鈦，抗氧化能力強(qiáng)。在500600的溫

15、度下，仍保持其強(qiáng)度和抗蠕變性能，但不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度不高鈦合金它是相固溶體組成的單相合金，未熱處理即具有較高的強(qiáng)度，淬火、時(shí)效后合金得到進(jìn)一步強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度可達(dá)13721666MPa；但熱穩(wěn)定性較差，不宜在高溫下使用。+鈦合金它是雙相合金，具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進(jìn)行熱壓力加工，能進(jìn)行淬火、時(shí)效使合金強(qiáng)化。熱處理后的強(qiáng)度約比退火狀態(tài)提高50100；高溫強(qiáng)度高，可在400500的溫度下長期工作，其熱穩(wěn)定性次于鈦合金。三種鈦合金中最常用的是鈦合金和+鈦合金；鈦合金的切削加工性最好，+p鈦合金次之，鈦合金最差。鈦合金代號為TA，鈦合金代號

16、為TB，+鈦合金代號為TC。鈦合金按用途可分為耐熱合金、高強(qiáng)合金、耐蝕合金（鈦-鉬，鈦-鈀合金等）、低溫合金以及特殊功能合金（鈦-鐵貯氫材料和鈦-鎳記憶合金）等。典型合金的成分和性能。熱處理鈦合金通過調(diào)整熱處理工藝可以獲得不同的相組成和組織。一般認(rèn)為細(xì)小等軸組織具有較好的塑性、熱穩(wěn)定性和疲勞強(qiáng)度；針狀組織具有較高的持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度和斷裂韌性；等軸和針狀混合組織具有較好的綜合性能。鈦合金的性能(1)比強(qiáng)度高鈦合金的密度一般在4.5g/cm3左右，僅為鋼的60，純鈦的強(qiáng)度接近普通鋼的強(qiáng)度，一些高強(qiáng)度鈦合金超過了許多合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度。因此鈦合金的比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)遠(yuǎn)大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，可制出單

17、位強(qiáng)度高、剛性好、質(zhì)輕的零、部件。在飛機(jī)的發(fā)動機(jī)構(gòu)件、骨架、蒙皮、緊固件及起落架等都使用鈦合金。(2)熱強(qiáng)度高使用溫度比鋁合金高幾百度，在中等溫度下仍能保持所要求的強(qiáng)度，可在450-500的溫度下長期工作這兩類鈦合金在150-500范圍內(nèi)仍有很高的比強(qiáng)度，而鋁合金在150時(shí)比強(qiáng)度明顯下降。鈦合金的工作溫度可達(dá)500，鋁合金則在200以下。鈦合金(3)抗蝕性好鈦合金在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼；對點(diǎn)蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)；對堿、氯化物、氯的有機(jī)物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗蝕性差。(4)低溫性能好鈦合金在低溫和超低溫下，仍能

18、保持其力學(xué)性能。低溫性能好，間隙元素極低的鈦合金，如TA7,在-253下還能保持一定的塑性。因此，鈦合金也是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料。(5)化學(xué)活性大鈦的化學(xué)活性大，與大氣中O、N、H、CO、CO2、水蒸氣、氨氣等產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。含碳量大于0.2時(shí)，會在鈦合金中形成硬質(zhì)TiC；溫度較高時(shí)，與N作用也會形成TiN硬質(zhì)表層；在600以上時(shí)，鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層；氫含量上升，也會形成脆化層。吸收氣體而產(chǎn)生的硬脆表層深度可達(dá)0.1-0.15mm，硬化程度為2030。鈦的化學(xué)親和性也大，易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。(6)導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量小鈦的導(dǎo)熱系數(shù)=15.24W/（m.K）約為鎳的1/4，

19、鐵的1/5，鋁的1/14，而各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)約下降50。鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2，故其剛性差、易變形，不宜制作細(xì)長桿和薄壁件，切削時(shí)加工表面的回彈量很大，約為不銹鋼的23倍，造成刀具后刀面的劇烈摩擦、粘附、粘結(jié)磨損。鈦合金具有強(qiáng)度高而密度又小，機(jī)械性能好，韌性和抗蝕性能很好。另外，鈦合金的工藝性能差，切削加工困難，在熱加工中，非常容易吸收氫氧氮碳等雜質(zhì)。還有抗磨性差，生產(chǎn)工藝復(fù)雜。鈦的工業(yè)化生產(chǎn)是1948年開始的。航空工業(yè)發(fā)展的需要，使鈦工業(yè)以平均每年約8的增長速度發(fā)展。世界鈦合金加工材年產(chǎn)量已達(dá)4萬余噸,鈦合金牌號近30種。使用最廣泛的鈦合金是Ti-6Al-4V(TC

20、4)，Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工業(yè)純鈦（TA1、TA2和TA3）。1鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。60年代中期，鈦及其合金已在一般工業(yè)中應(yīng)用，用于制作電解工業(yè)的電極，發(fā)電站的冷凝器，石油精煉和海水淡化的加熱器以及環(huán)境污染控制裝置等。鈦及其合金已成為一種耐蝕結(jié)構(gòu)材料。此外還用于生產(chǎn)貯氫材料和形狀記憶合金等。中國于1956年開始鈦和鈦合金研究；60年代中期開始鈦材的工業(yè)化生產(chǎn)并研制成TB2合金。鈦合金 - 熱處理鈦合金板常用的熱處理方法有退火、固溶和時(shí)效處理。退火是為了消除內(nèi)應(yīng)力、提高塑性和組織穩(wěn)定性，以獲得較好的綜合性能。通常合金和（）合

21、金退火溫度選在（）相轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下120200；固溶和時(shí)效處理是從高溫區(qū)快冷,以得到馬氏體相和亞穩(wěn)定的相,然后在中溫區(qū)保溫使這些亞穩(wěn)定相分解，得到相或化合物等細(xì)小彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)，達(dá)到使合金強(qiáng)化的目的。通常()合金的淬火在()相轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下40100進(jìn)行，亞穩(wěn)定合金淬火在()相轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上4080進(jìn)行。時(shí)效處理溫度一般為450550。鈦合金的熱處理工藝可以歸納為：（1）消除應(yīng)力退火：目的是為消除或減少加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。防止在一些腐蝕環(huán)境中的化學(xué)侵蝕和減少變形。（2）完全退火：目的是為了獲得好的韌性，改善加工性能，有利于再加工以及提高尺寸和組織的穩(wěn)定性。（3）固溶處理和時(shí)效：目的是為了提高其強(qiáng)度

22、，鈦合金和穩(wěn)定的鈦合金不能進(jìn)行強(qiáng)化熱處理，在生產(chǎn)中只進(jìn)行退火。+鈦合金和含有少量相的亞穩(wěn)鈦合金可以通過固溶處理和時(shí)效使合金進(jìn)一步強(qiáng)化。此外，為了滿足工件的特殊要求，工業(yè)上還采用雙重退火、等溫退火、熱處理、形變熱處理等金屬熱處理工藝。2鈦合金 - 切削鈦合金切削特點(diǎn)鈦合金的硬度大于HB350時(shí)切削加工特別困難，小于HB300時(shí)則容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，也難于切削。但鈦合金的硬度只是難于切削加工的一個(gè)方面，關(guān)鍵在于鈦合金本身化學(xué)、物理、力學(xué)性能間的綜合對其切削加工性的影響。鈦合金有如下切削特點(diǎn)：(1)變形系數(shù)小：這是鈦合金切削加工的顯著特點(diǎn)，變形系數(shù)小于或接近于1。切屑在前刀面上滑動摩擦的路程大大增大，加速刀具磨損。(2)切削溫度高：由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很小(只相當(dāng)于45號鋼的1/51/7)，切屑與前刀面的接觸長度極短，切削時(shí)產(chǎn)生的熱不易傳出，集中在切削區(qū)和切削刃附近的較小范圍內(nèi)，切削溫度很高。在相同的切削條件下，切削溫度可比切削45號鋼時(shí)高出一倍以上。(3)單位面積上的切削力大：主切削力比切鋼時(shí)約小20，由于切屑與前刀面的接觸長度極短，單位接觸面積上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同時(shí)，由于鈦合金的彈性模量小，加工時(shí)在徑向力作用下容易產(chǎn)生彎曲變形，引起振動，