铸造钛合金及其成形工艺

一、铸造钛合金的分类 钛是同素异构体，熔点1720℃，882℃为同素异构转变温度。α-Ti是低温稳定结构，呈密排六方晶格；β-Ti是高温稳定结构，呈体心立方晶格。不同类型的钛合金，就是在这两种不同结构中添加不同种类、不同数量的合金元素，使其改变相变温度和相分含量而得到的。室温下钛合金有三种基体组织（α、β、α+β），故钛合金也相应分为三类。 1. α钛合金 它是α相固溶体组成的单相合金。耐热性高于纯钛，组织稳定，抗氧化能力强，500~600℃下仍保持其强度，抗蠕变能力强，但不能进行热处理强化。牌号有TA7、TA8等。 2. β钛合金 它是β相固溶体组成的单相合金。不经热处理就有较高的强度，淬火时效后合金得到了进一步强化，室温强度可达1373~1668MPa，但热稳定性较差，不宜在高温下使用。牌号有TB1、TB2等。 3. α+β钛合金 它由α及β相组成，α相为主，β相少于30%。此合金组织稳定，高温变形性能好，韧性和塑性好，能通过淬火与时效使合金强化，热处理后强度何必退火状态提高50%~100%，高温强度高，可在400~500℃下长期工作，热稳定性稍逊于α钛合金。牌号有TC1、TC4、TC6等。 二、钛合金的特性 钛及钛合金是一种新型的、很有发展潜力和应用前景的结构材料，具有许多优良特性，主要体现在如下几个方面： 1. 比强度高。钛合金的密度仅为钢的60%左右，约4.5g/cm3，但强度却高于钢，如抗拉强度为686—1176MPa，是现代工程金属材料中最高的。 几种金属材料在不同温度下的比强度，可以看出，用钛合金代替钢和铝合金而降低重量是相当可观的。资料介绍，自20世纪60年代中期起，美国将81%的钛合金用于航空工业，其中40%用于发动机构件，36%用于飞机骨架，甚至 的蒙皮、紧固件及起落架等也使用钛合金，大大提高了飞机的飞行性能。 由于高的比强度，钛合金可能易于替代那些空间受限的铝合金及钢构件，如苏-27飞机起落架线板臂就采用钛合金。 2. 热强性好 往钛合金中加入合金强化元素后，大大提高了钛合金的热稳定性和高温强度，如在300~350℃下，其强度为铝合金强度的3~4倍。 3. 高温和低温性能优良。 在高温下，钛合金仍能保持良好的机械性能，其耐热性远高于铝合金，且工作温度范围较宽，目前新型耐热钛合金的工作温度可达550—600℃；在低温下，钛合金的强度反而比在常温时增加，且具有良好的韧性，低温钛合金在－253℃时还能保持良好的韧性。 4.钛的抗腐蚀性强。钛在550℃以下的空气中，表面会迅速形成薄而致密的氧化钛膜， 故在大气、海水、硝酸和硫酸等氧化性介质及强碱中，其耐蚀性优于大多数不锈钢。 5.与复合材料的相容性好。人们发现钛在与聚合物复合材料基零件接触的部位具有广泛的用途。与铝合金相比，钛及其合金与碳纤维的电势更为接近，且具有较变频器为相近的热膨胀系数。 近年来，世界钛工业和钛材加工技术得到了飞速发展，在航空航天领域、舰艇及兵器等军品制造中的应用日益广泛，在汽车、化学和能源等行业也有着巨大的应用潜力。沟槽 钛合金在航空发动机上已取代铝合金、镁合金及钢构件。目前先进发动机压气机盘、压气机叶片和风扇叶片以及机匣等均由钛合金制造，即实现压气机全钛化方案。如阿波罗飞船，其用钛量高达1180kg。 钛合金在先进飞机上也获得大量应用，如苏-27飞机上各种钛合金零件的重量约占飞机结构重量的15%；美国第三代战斗机F-14和F-15上钛合金零件的总重量占飞机结构重量的比例分别为24%和27%，而美国第四代战斗机F-22上的钛合金用量已达41%。 三、钛合金的铸造性能 1. 化学活性大 钛和钛合金的化学活性大，能与空气中的氧、氮、氢、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、氨气等产生强烈化学反应，且易与铸造中常用的耐火材料发生化学反应，生成硬化层或脆性层，使得脆性加大，塑性下降。 2. 流动性和充填性能差 钛合金的熔点高，难以获得高的过热度，需要在外力的辅助作用下才能成形。浇注前对铸型预热，也可以提高钛合金熔体的流动性 3. 导热性能差、弹性模量小 钛合金的导热系数仅为钢的1/7、铝的1/4；弹性模量为钢的1/2，刚性差、变形大，不宜制作细长杆和薄壁件。 铸造钛合金成形这么困难，为什么还要发展铸造钛合金呢？主要有以下一个方面的原因： 1. 可以直接成形各种复杂形状和尺寸的近净尺寸或者净尺寸的结构件，提高材料的利用率，减少机加工量，缩短生产周期。 2. 相对于当结构件采用铸造方法成形时，其设计有很大的灵活性。 3. 随着铸造工艺的提高和热等静压技术在钛合金铸件方面的成功应用，较好的解决了铸件的质量问题，提高了铸件的可靠性。 四、钛合金的铸造工艺 一）熔炼工艺： 我国的钛铸造90% 以上熔炼与铸造设备都采用真空自耗电极电弧凝壳炉加离心铸造。坩埚采用水冷铜坩埚，钛液的最大浇注量为500 kg。 自耗电极电弧熔炼法是以钛或钛合金制成的自耗电极为阴极，以水冷铜坩埚为阳极；大电流熔炼，钛电极的熔化速度远远大于钛的凝结速度，熔化了的电极以液滴形式进入坩埚，形成熔池；熔池表面被电弧加热，始终呈液态，底部和坩埚接触的四周受到循环水强制冷却，产生自下而上的结晶。这种方法具有结构简单、维持费用低、大型化容易等优点，缺点是浇注温度难以调节和控制，一停弧后，金属液必须在3~5秒内全部从坩埚倒出，否则温度急剧下降，金属液过热度不高，使得液体流动性和补缩能力较差。自耗电极电弧熔炼对电极的质量要求很高，要求电极内部组织致密。熔炼过程中危险性较大，稍微操作不慎将会出现电弧损坏坩埚，造成坩埚外壁强制冷却的循环水进入坩埚，污染钛液，水蒸气损坏真空泵系统。 二）铸件造型工艺： 钛合金铸造的造型工艺主要有金属型、机加工石墨型、金属面层陶瓷型壳、氧化物陶瓷型壳。 1）金属型 金属型在钛合金铸造领域中，用作铸型的金属材料主要有铜、钢、铸铁、钨、钼等，与石墨加工型一起统称为硬模系统。由于存在着工艺上的分型等难点，这种方法很难制造出复杂形状的钛铸件，而大多只在特定的铸件上使用。 2）石墨型 机加工石墨型强度高，退让性不好，对液态钛要产生激冷，常使铸件表面产生裂纹和冷隔，生产成本高、生产周期长。石墨孔隙较大，容易吸潮，所以机加工石墨型使用前必须进行除油、除气处理，否则铸件表面氧化现象严重。铸件尺寸比较大，壁比较厚（≥5mm），形状简单，所需数量只有一件或几件。选择机加工石墨型。 3）陶瓷型 目前航空和航天工业上用的钛合金铸造结构件，98%以上都是熔模精密铸造的。常用于钛合金熔模精密铸造铸型的有钨面层陶瓷型壳、氧化物陶瓷型壳。其差别在于面层使用的耐火填料和撒砂以及粘结剂不同，工艺流程基本上是一样的。 （1）金属面层陶瓷型壳采用难熔金属钨粉作为耐火材料，金属钨的熔点高，与钛液接触时化学稳定性好，但是钨粉应具有较高的纯度，杂质含量不能超过规定标准，否则将影响钛铸件的品质。 （2）氧化物陶瓷型壳是将惰性氧化物做为面层型壳耐火材料。各种氧化物材料按其对熔融钛合金的化学稳定性由低到高排列的顺序如下：SiO2、MgO、Al2O3、CaO、ZrO2、Y2O3、ThO2。ThO2由于具有放射性已基本不用。CaO容易吸潮，所以阻碍了它的应用。现在，用作熔模铸造型壳面层和邻面层的材料主要是Y2O3、ZrO2。 三）铸件成形 目前，铸造钛合金的成形通常采用重力浇铸和离心浇注。除此之外，近年来压力铸造、真空加压铸造、电磁铸造、真空吸铸等也开始发展，不过还没在工业中获得应用。 1. 重力铸造 重力铸造是最早应用的浇注方法，靠浇口杯和直浇道金属压头的作用，使钛合金熔体平稳的充填铸型，并建立铸件顺序凝固的条件，从而铸造出质量合格的铸件。 研究表明，重力铸造时影响钛合金充型能力的最大因素是液态钛在铸型中的流动速度和液态钛的过热度。而钛液在铸型中的流动速度是非常有限的，一般不会超过1.5m/s，因此重力浇铸只适合于铸造一些形状简单的大型厚壁钛合金铸件。 2. 立式离心铸造 钛及其合金在冷型浇注时凝固非常快，而且由于液态钛与铸型相互反应，在铸件成形过程中会出现大量气体，导致铸件出现气孔。解决上述问题的途径是使金属液迅速充填铸型并提高金属液中的压力。有人经过试验发现，要达到这样，金属液在铸型型腔中的运动线速度应当不低于0.8m/s，金属液中的压力应大于0.12Mpa，立式离心机的离心浇注可以满足这些要求。对于航空航天用的一些形状复杂的薄壁结构件，只能采用离心浇注或者其外力辅助的成形方法。 研究表明：采用冷坩埚感应熔炼后进行离心浇注生产钛合金铸件，不仅可以提高钛合金熔体的充型能力、缩短充填时间，还可以节省原材料、降低成本，提高铸件精度，碱性蓄电池消除钛合金铸件的缩松和疏松，可以实现大尺寸、复杂、薄壁铸件的近净成形。