淺析鈦合金鍛件的應用領域與鍛造技術

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(yī)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(yōu)良的特性和高的穩(wěn)定性。為此，在鈦鍛件的制造過程中要充分發(fā)揮鈦合金特性，以獲得高質(zhì)量的鍛件。鈦合金屬難鍛材，易產(chǎn)生裂紋。所以鈦合金鍛件生產(chǎn)中最重要的就是對鍛造溫度和塑性變形進行適當?shù)目刂啤?/p>

1、鈦合金鍛件的應用

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(jù)報道，波音787飛機的用鈦量已經(jīng)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(jīng)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(fā)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-4MbTi-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(wèi)星推進發(fā)動機的燃料箱、姿控發(fā)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(fā)電用汽輪機葉片

火力發(fā)電的蒸汽輪機增加葉片長度是提高發(fā)電效率的一個有效措施，但葉片加長會增大轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的汽輪機末段使用1m長的Ti-6Al-4V合金葉片，在1991年就已經(jīng)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(chǎn)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(shù)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(chǎn)效率較低，所以在經(jīng)濟性上面臨較大問題。

1）發(fā)動機盤件的鍛造技術

飛機發(fā)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(qū)域使用Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo合金鍛件。傳統(tǒng)的加工方法是在a-β區(qū)鍛造，其組織為β相和等軸a晶粒及細小的針狀a兩相組織，斷裂韌性值較低。為改善這一點，開發(fā)了在β區(qū)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(chǎn)生再結(jié)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10731323K范圍內(nèi)，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*m ^1/2提高到50MPa*m ^1/2。

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(zhuǎn)產(chǎn)生打擊橫向力，故模具要精確設計。現(xiàn)在正在開發(fā)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(huán)件制造技術

發(fā)動機風扇外殼及壓縮機殼等都使用了大型的Ti-6A1-4V合金軋制環(huán)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(fā)動機風扇外殼為例，與環(huán)件切削加工相比，近凈形件的材料用量減少55%以上。

厚環(huán)件加工時，為避免產(chǎn)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(huán)件的溫降。

總之，鈦合金鍛件的生產(chǎn)，要在合適的加工溫度，適當變形才能獲得高質(zhì)量鍛件。

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