在各種鈦合金制品的應用中,鍛件多被用于氣輪機壓縮機盤以及醫用人工骨等要求高強高韌高可靠性的場合。因此,對鍛件不僅要求尺寸精度高,而且要求材料具有優良的特性和高的穩定性。為此,在鈦鍛件的制造過程中要充分發揮鈦合金特性,以獲得高質量的鍛件。鈦合金屬難鍛材,易產生裂紋。所以鈦合金鍛件生產中最重要的就是對鍛造溫度和塑性變形進行適當的控制。
1、鈦合金鍛件的應用領域
(1)宇航領域
世界上50%的鈦材都用于宇航領域。軍用飛機的機體30%使用鈦合金,民用飛機中鈦的用量也在逐漸增加。據報道,波音787飛機的用鈦量已經達到15%以上。機體用鈦合金的代表是Ti-6Al-4V合金,可靠性最高。近β型高強高韌鈦合金Ti-10V-2Fe-3Al已應用于波音777飛機的起落架部件中,A380已經在探討使用Ti-10V- 2Fe-3Al合金大型鍛件作為主起落架的傳動裝置。
若能實用,這將是長達7m的最大的鈦合金鍛件。在飛機發動機中,鈦合金也是不可或缺的材料,主要用于使用溫度在853K以下的風扇和壓縮機零件。典型的使用部位有風扇葉片、外殼、盤件,壓氣機葉片、盤件、短軸、外殼等。使用的鈦合金有Ti-6Al-4V,Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo,Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo(Ti-17),Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr- 0.7Nb-0.5Mo-0.35Si等。在航天領域,鈦合金鍛件被用于火箭及衛星推進發動機的燃料箱、姿控發動機外殼、液體燃料渦輪泵的葉片和吸入泵的入口段。這些部位大多使用低溫韌性極佳的低間隙元素型Ti-5Al-2.5SnELI合金。
(2)發電用汽輪機葉片
火力發電的蒸汽輪機增加葉片長度是提高發電效率的一個有效措施,但葉片加長會增大轉子的負荷。使用鈦合金鍛件作葉片就可以減輕負荷,在高速旋轉的汽輪機末段使用1m長的Ti-6Al-4V合金葉片,在1991年就已經實用化。
2、鈦合金的鍛造技術
在鈦合金的熱加工中,加熱溫度至關重要。溫度越低變形抗力越大,且易產生裂紋等缺陷。同時對變形速度也有很大的依賴性,這些都是鍛造中應該特別注意的地方。鈦合金精密熱模加工過程中,使鍛模的溫度加熱到與鍛件相當或更高,可以抑制鍛造中鍛件溫度的降低。由于該方法變形能力高,用較少的加熱次數就可以鍛造出更薄壁的精密鍛件。但這種方法要使用價格昂貴的Ni基或Mo基高溫合金,且生產效率較低,所以在經濟性上面臨較大問題。
(1)發動機盤件的鍛造技術
飛機發動機用盤件,要求高的疲勞強度和斷裂韌性。在700K左右中溫區域使用Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金鍛件。傳統的加工方法是在α-β區鍛造,其組織為β相和等軸α晶粒及細小的針狀α兩相組織,斷裂韌性值較低。為改善這一點,開發了在β區加熱的β鍛造法。β鍛造法是在β相變溫度之上加熱鍛造,會產生再結晶,所以鍛造溫度和加工變形對材料特性有很大影響,不允許鍛造中進行再次加熱而停止變形。因此,β鍛造中必須嚴格控制鍛造溫度和變形量。對于Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金,加工溫度在1073～1323K范圍內,且要有足夠的加工變形量。
其鍛件組織全部為針狀,斷裂韌性值由原先的30MPa·m1/2提高到50MPa·m1/2。
(2)渦輪機葉片鍛造技術
渦輪機葉片很薄,在鍛造過程中溫降很快,一般都用壓下速度快且單次加工能量大的螺旋壓力機進行鍛造。錘鍛時,因葉片形狀扭轉產生打擊橫向力,故模具要精確設計。現在正在開發有效利用上下打擊能量進行葉片表面成形的工藝,先進行平面鍛造,再彎曲成形,最后再精鍛成形。
(3)環件制造技術
發動機風扇外殼及壓縮機殼等都使用了大型的Ti-6Al-4V合金軋制環件。
對于材料費用相對較高的鈦合金制品,降低材料的投入量對于降低成本非常有效,尤其是近凈成形技術更為有效。以V2500發動機風扇外殼為例,與環件切削加工相比,近凈形件的材料用量減少55%以上。
在厚環件加工時,為避免產生裂紋,要盡可能給予壓應力,而且要注意組織的控制和加工時環件的溫降。
總之,鈦合金鍛件的生產,要在合適的加工溫度,適當變形才能獲得高質量鍛件。
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