第8章8384钛合金板料热成形.docx
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第8章8384钛合金板料热成形
第8章钛合金板料热成形8.3-8.4
主要内容
一、钛和钛合金的基本特征和应用
二、钛合金的热成形方法、工艺过程和设备
三、真空蠕变成形
四、应力松弛与热校形
五、超塑性成形
一、钛材的种类、特征和应用
1、钛材的种类
按合金组织分3类
大类
细分
再细分
热处理性能
牌号
α合金
近α合金
全α合金
超α合金
α+化合物合金
不能热处理强化，
只能退火处理改善加工性能
工业纯钛TA1~10
α+β
合金
可固溶处理（淬火），时效后达到强化，但效果不如β合金
钛合金TC1~8
β合金
可热处理β合金
热稳定合金
亚稳定β合金
近β合金
β合金可淬火后时效强化，并可退火以改善加工性能
钛合金TB1~2
数量很少
2、基本性能
物理性能、化学性能、机械性能、及其他性能
（1）物理性能
•比重小，4.5g/cm3，仅为结构钢的60%。
•熔点高，1668±10ºC，成形时加热温度也高；
•电阻系数很高，42.5-55.410-6欧/cm，自阻性好；
•热膨胀系数为0.9cm/cm/ºC，与一般钢相当；
（2）化学性能
•耐腐蚀性，耐大气和海水，耐大多数酸、碱和盐溶液；
•氧化现象，在空气中250ºC以上开始氧化，650ºC以上氧化明显；
•氢脆现象，高温时与氢亲和力大，产生氢脆，使性能下降。
（3）机械性能
•高强度钛合金σb≥120KG/MM2,与航空结构钢30CrMnSi篦美
•弹性模量小，1000-12000KG/MM2；
•热强度好，300-400ºC能保持室温机械性能；低温韧性优异；
•高温蠕变性能好，
3、钛板综合成形性能
•成形性能
——σb大，变形安全，不易破裂
——σs大，变形抗力大，机床压力大，模具抗压要求高
——σs/σb（屈强比）大，塑性成形范围小；
——σs/E大，回弹大；
——延伸率小，硬化指数小，常温下难成形；
——弯曲能力差，只有普通材料的1/5，凡弯曲时半径都应加大；
——冷作硬化倾向大，一般工序之间应退火；
成形性能参数
变形性：
指塑性变形的可能与程度。
单向拉伸的相对延伸率δ（包括均匀延伸率δj和细颈延伸率δk）；端面收缩率ψ；
稳定性：
指变形过程是否起皱或缩颈。
受拉稳定性有均匀延伸率δj和硬化指数n,如拉弯或拉形；受压稳定性是指刚度概念。
长度L/厚度t
抗磨损性：
板料与模具接触磨擦损伤的程度。
钛和钛合金抗磨损性很低，滑动状态下很易与其它金属“焊接”粘住。
强行拆开会破坏钛板表面，冲压时要采取表面保护和减磨措施。
回弹：
工件从模具中取出后的精度或帖模程度
衡量指标：
刚刚产生塑性变形时的应变εe作为回弹指标。
值越大成形越低。
εe=σ0.2/E
4、应用
二十世纪末开始发展迅速。
航空航天为主，化工、冶金、石油、兵器、医疗等行业都有使用。
以美国F-22（第四代）、、法国“阵风”、和欧洲2000等大量采用钛合金结构；其中钛合金超塑成形/扩散连接技术不仅用于制造口盖、舱门，而且用于制造飞机的前缘缝翼、鸭翼和减速板。
我国先进的飞机的腹鳍、口盖和发动机整流叶片、管件及先进的导弹弹体部件也大量采用了钛合金薄壁结构，采用先进成形技术制造的钛合金压力容器已经进入了批量生产阶段。
特别是钛合金的超塑成形、超塑成形/扩散连接、热成形技术、钛合金阳极氧化和化铣技术等，有了长足的发展。
发展对钛及钛合金的熔炼、成形、设备、工艺装备有要求。
某空空导弹部件
12号空空导弹钛合金舱体及翼面成型、焊接
某空空导弹的壳体
某空空导弹的壳体
某空空导弹的钛合金零件
某空空导弹的钛合金零件
某空空导弹的钛合金零件
某歼击机减速伞挂钩的接头
扩散焊接（左）
飞机上钛材的应用情况
机种
型号
钛结构
总重%
机种
型号
钛结构
总重%
战斗机
F86M=1
1.0
运输机
波音707
0.5
F101M=1.8
2.9
波音727
1.84
F111AM=2.5
8.0
波音737
2.66
鹞式M=1.25
5.0
波音747
5.5
F14M=2.5
24.4
L-1011
4.5
F15M=2.5
26.5
C-5A
6
F22M=
40.0
协和
2
轰炸机
B52AM<1
0.8
直升机
CH-53A
10
B52G
3.5
B70M=3
8
B1M=2.2—2.5
20.1
我国几种飞机上钛合金使用情况
机型
发展年代
使用项目
使用件数
使用总重KG
比重%
J-7
50
25
71
9.0
0.24
J-8
60
205
805
67
1.4
J-12
70
58
59
13
1.0
Y-7
60
87
171
56.6
0.784
Y-10
70
134
450
56.5
二、钛合金的成形方法和工艺过程
（一）、钛合金的成形方法
1、冷成形
工艺方法：
冷滚、冷拉、冷弯、冷压等。
工艺方式：
一次冷成形
一次预成形（冷成形）+热校形
特点：
1）、设备，常规工装和设备（如滚弯机、拉形机、闸压机、冲床等，及其模具）。
2）、成形范围：
成形范围小，所需成形力大，冷作硬化严重，易开裂，回弹大。
3）、应用范围：
形状简单的零件，如支柱、角片、曲度平缓的蒙皮、型材等。
2、热成形
热成形是借助于温度、压力及时间等工艺来加工零件，包括热成形和热校形．
热成形：
充分利用材料在加热状态下的软化与蠕变性能，使塑性提高，以降低成形力和改善成形性，避免开裂，减少一些回弹。
热校形：
则主要是利用在加热状态下应力松弛的原理，以消除回弹，解决因回弹引起的零件精度不足的问题。
应力松弛与热校形原理
通过加热，提高钛合金的成形性能。
其机理均用到蠕变与应力松弛的原理。
工艺方法：
加热成型,
工艺方式：
一次冷预成形+热校形；
一次加热预成形+热校形；
直接加热成形并热校形。
特点：
1）、设备，常规工装和设备,添加一套加热装置;
2）、成形范围：
成形范围大，成形力小，回弹小;
3）、应用范围：
低塑性回弹大＼形状复杂精度高的零件.
热成形应用范围：
1、低塑性材料
2、整体或局部变形量过大的零件
3、处于强化状态的材料
4、回弹大的材料
5、热处理变形过大的零件
6、高强度或厚板料
7、要求尺寸和形状稳定的零件
8、刚度小，但准确度要求高的零件
9、成形系数超过标准的新结构
10、变厚板，带肋板和复合板等
3、常用加热方法
（1）、加热零件成形法，利用常规的冷成形设备和模具；
（2）、加热模具成形法，利用常规的成形设备；
（3）、加热设备成形法，采用专用的加热压床或装置。
（1）、加热零件的成形法
是最简单、最方便的方法。
方法：
辐射加热法、电阻加热法、火焰加热法、感应加热法、炉内加热法。
特点：
利用常规冷成形的冲压设备和工艺装备，另添置一套加热零件的装置。
1）辐射加热法
利用红外线辐射加热零件。
几乎瞬间红外线石英灯加热能在很短的时间内（几十秒内）将钛板加热到500~600ºC。
2）电阻加热法
利用钛板自身具有较高的电阻率通电后使其自身加热。
特点：
加热快、成形快。
能在十几至几十秒内，将钛板加热到近千度。
主要用于落压、拉弯上，也可用于拉形和冲压上。
3）火焰加热法
在冷冲压加工中，对于难成形的局部采用火焰局部加热，或落压中用火焰加热全部板件。
特点：
简单易行。
在冷成形的工装设备基础上只需附加一套简易的加热装置即可。
但比前两种有更大的氧化和污染问题，且受热不均。
4）感应加热法
利用高频电源感应方法加热。
特点：
加热快，但由于设备的限制，只适用于小型的旋转体零件。
5）炉内加热法
在各种冷成形设备旁边附加一加热炉，将毛料在炉内加热，取出后迅速送到模具上成形。
特点：
毛料散热，仅适用于冲压和落压成形。
（2）、加热模具成形法
方法：
先加热模具，毛料放入模内加热，达温度时压制成形．
特点：
成形过程能保持一定的压力、温度和时间，零件变形时有蠕变过程。
多数在液压机上成形。
有：
1）电热管、电热元件加热模具；
2）炉内加热法；
3）燃气加热；
4）管状或板状加热器加热；
5）感应加热
1）电热管、电热元件加热模具
在模具内直接插入或嵌入电热元件，是模具升温，再加热毛料。
模具加热图1
模具加热图2
2）炉内加热法
将模具和毛料一起放在通用电炉或专用电炉内，靠模具本身重量将毛料压制成形。
（3）、热成形专用机床上加热
采用专用的加热压床或装置。
通过机床上的电热平台内的电热元件加热平台，再将热量传模具上，到达成形温度后，放入毛料或预成形件，加压成形。
加热设备图1
加热设备图2
热成形常用的加热方法
成形工艺
最常用的加热方法
整个模具加热
辐射加热
电阻加热
气体加热（火焰
炉内加热
加热平板加热
热流体加热
热流体固体加热
闸压弯曲
橡皮成形
拉弯
滚弯
模具拉深
蒙皮拉形
落压成形
下陷
压窝
旋压
热成形常用的加热方法（续）
成形工艺
最常用的加热方法
整个模具加热
辐射加热
电阻加热
气体加热（火焰
炉内加热
加热平板加热
热流体加热
热流体固体加热
高能爆炸
低能爆炸
液压成形
电磁成形
橡皮冲压
电液成形
气胀成形
（二）、钛合金热成形的工艺及设备
1、热成形的工艺
（1）热成形的特点：
热成形是借助于温度、压力及时间等工艺来加工零件.
温度的作用：
降低变形抗力，提高材料塑性和改善成形状态；
压力的作用：
平衡成形时的变形抗力；
时间的作用：
满足应力松驰和进入蠕变状态所需。
（2）热成形的类型：
按工序分
1）、热成形;
2）、热成形兼校形;
3）、热成形兼热处理（淬火、固溶、回火、退火及消除应力）;
按工艺规范分
1）、温度，有低温（室温）、中温（回复、再结晶、时效、回火）和高温（淬火、固溶，其他）
2）、加热方式，有恒温、恒温差，变温和局部加温等；
3）、压力，有真空、低压，中压及高压等；
4）、成形介质，有气体（氩、氮、空气、水蒸气），液体（油、水、化合物）和固体（橡胶、纤维、粒子、金属块、复合材料）
（3）热成形工艺参数
1）成型温度
热成形的加热温度，取决于成形的目的，通常有以下几种。
低温
（消除应力温度以下）
中温
（消除应力范围）
高温
（再结晶退火和相变范围）
温度
177～260℃
482～649℃
732～950℃
作用
改善成形性，抑制破裂；
提高塑性，解决回弹和降低成形力．
提高塑性，实现超塑成形和蠕变成形
更具体见有关手册
加热177～260℃，可改善钛板室温下的成形性，抑制破裂。
对许多钛板要避免在288～455℃范围内成形，此温度范围对抑制裂纹不利。
加热482～649℃，提高塑性，解决回弹问题和降低成形力。
加热732～950℃，利用位错和扩散蠕变，显著的降低成形力，提高塑性；利用与温度相匹配的应变速率，实现超塑成形和蠕变成形。
’
某些退火钛合金的热成形温度见下表。
2）成形压力
压力的高低对消除已出现的皱纹有明显的好处，但对抑制卸载后的回弹却作用不大，因此应尽量在所选温度下用最小压力，避免工装变形和节约能源。
3）成形时间
在低温成形时，加载速度对变形抗力和塑性影响不大，而在中温和高温时影响越来越显。
加载速度和温度对TC4钛合金延伸率的影响见图19．9②。
较长的成形时间，会增加钛板表面污染层的厚度。
在不同温度下的最大时间限制，见表19．28。
如采用比表中更高的温度，则应相应的减少时间。
钛合金加热的温度＼时间限制表
2、热成形工艺过程
毛料制备及检查
下料
除油与清洗
预成形
热校形
修剪
热处理与表面清洗
检验
3、热成形工艺新问题
热成形特点
带来的新问题：
——温度（升高）
——压力（加大）
——时间（延长）
——成形速度（降低）
——钣料易氧化和污染
——成形温度还没有好的测定方法。
因无蠕变过程，成形后仍有少量回弹，需进行热校形或手工校正。
优点是可采用常规的设备和模具，不要耐热工艺装备和特殊设备，成本较低，上马快。
—热成形设备
—工装准备
（模具材料）
—加热保护
—加热清洗
—加热润滑
4、热成形工艺新问题解决措施
防氧化、防污染、防划伤、防粘模
综合采取以下措施来解决：
（1）涂料----高温润滑剂（石墨水剂）、化学转换涂层;
（2）清洗——表面阳极化去氧化层及污染，;
（3）热处理——改善组织、提高性能.
（4）采用有惰性气体保护的热处理炉或真空热处理炉；
（三）、热成形设备和模具
在冲床、落锤等设备上冲压钛合金零件，主要问题是速度太快，没有蠕变过程，所以成形的零件出现回弹、不贴模。
若采用有加热装置的液压机床成形钛合金零件，合理地控制成形温度、压力和时间，将能获得基本没有回弹、无须手工修正的零件。
专用的或改装的各种加热成形机床，如电热平台式液压床，电炉式液压床和其他热成形装置。
（1）、热成形设备
——电炉式蠕变成形机
-----蚌壳式加热蠕变成形机
——电热平台式蠕变成形机
该机床
主要用于飞机中、小型的框肋、型材等零件的热校形和热成形。
（２）、热成形模具
１）、热成形模具设计
设计要求
确定成形工序和加热温度。
选择模具材料。
对关键尺寸计算缩尺系数。
计算压力中心，避免侧向和偏心力，增加凸凹模之间定位的可靠性。
受热的导向机构极易擦伤，单向滑动导向的间隙为0．25mm，最好能自动对准。
确定凸凹模的偶合间隙时，要考虑板料的厚度公差和热摩擦。
高温用的模具，应尽量避免用螺拴连接。
不宜用孔定位毛料，因它容易产生取件变形。
尽量限制模具的高度和重量，以缩短升温时间。
热电偶孔应尽量靠近模具的工作表面，上半模和下半模均要开孔，数量至少各一个。
如果是气体或液体加压，需设计气（液）路及其结构设计．
热膨胀差值修正
热成形兼热校形时，对零件间配合的相关尺寸，必须考虑模具材料和钛板在操作温度下热膨胀量的差异，并进行修正，才能保证所制零件冷至室温后的尺寸。
模具和零件尺寸热膨胀的差值或修正量△Ｌs表示如下。
△Ｌs＝Ｌcm—Ｌcj＝KsＬcj，
式中Ｌcm——模具常温下的名义尺寸，mm
Ｌcj——零件常温下的名义尺寸，mm
Ks——缩尺或放尺系数，正放负缩，与钛材的热膨胀系数和模具材料的热膨胀系数有关．
２）、热成形模具材料
钛和钛合金成形温度在600~800ºC，则模具须耐700~900ºC高温，要求模具：
性能要求
达到要求的方法
——抗高温氧化性能
——抗高温生长性能
——高温机械性能
（高温硬度和强度）
——较高的相变温度
——急冷急热性能
——机械加工性能
——表面喷涂
——耐热钢或耐热铸铁模具
——非金属陶瓷材料
（如陶瓷模具）
——表面涂层模具
批生产模具材料：
中硅钼耐热球墨铸铁；
三、真空蠕变成形
1、蠕变的概念
所谓蠕变就是缓慢的变形，即金属在载荷作用下，材料产生缓慢的变形。
随着时间的增加，变形量增加；如果载荷增加或温度增加变形速度也增加。
钛合金加热成形或校形时，零件在模具内于高温下保温保压，使零件贴模。
这个保温保压过程就是蠕变过程。
利用金属和合金的蠕变特性，进行飞机钣金零件成形的方法——蠕变成形工艺。
2、真空蠕变成形
蠕变成形采用的单位压力很低。
为了防止金属在高温下蠕变时产生氧化和污染，采用抽真空成形，此即为真空蠕变成形。
给定温度下不同应力值对蠕变曲线的影响
给定应力下不同温度值对蠕变曲线的影响
3、蠕变成形的装置和特点
成形特点：
高温、长时间、低应力是蠕变成形的特征和条件。
成形速度低，成形压力小，钣料在真空中避免了高温氧化和污染。
适用于大型单曲、双曲度的蒙皮、整体壁板零件成形。
四、应力松弛与热校形
1、热校形概念
利用材料在高温下软化与应力松弛的综合效应。
工艺过程包括：
预成形零件和模具加温合模施压保温保压最件。
热校形可以消除
角度、弯曲半径、型面尺寸和外形超差、
凸弯板上出现的不易清除的波纹，
零件的起皱和扭曲，
腹板的鼓动或翘曲等现象。
2、热校形应力和应变
应力松弛曲线：
σ=σo—sln（1+Vt）
应变关系曲线：
εo=εe+εP=常数
σ为瞬时应力，σo为初应力，t为时间，s和V为松弛系数。
弹性分量转变为塑性应变
应力：
应力松弛是一种依赖于时间的转变过程。
可用曲线方程表达应力与时间的函数关系。
应变：
卸载后零件总应变中的弹性分量转变为塑性应变，消除引起回弹的内力，维持变形终了时的形状。
如图，εo保持恒定，随着时间增加，εP由于εe的减小而增大。
如果经过预成形的零件在高温下由校形模压至贴模程度，则在凸凹模制约下，零件的变形保持恒定。
此时如在恒定的温度下保持一段时间，零件内部的应力将随着时间增加而不断松弛，总应变中的弹性分量不断转化为塑性分量，零件的回弹将越来越小。
当温度达到某一定值时，应力松弛极限趋向于零，而回弹也几乎下降到零。
钛钣零件普遍采用和行之有效的工艺方法，国外大约有90％的钛钣零件是借助冷成形和热校形制造的。
五、超塑性成形
某歼击机上的零件
翼梁超塑成形过程及零件
翼梁超塑成形零件
超塑性成形零件
热成形组件
1、超塑性的概念
工程定义：
凡金属材料在特定的内在条件和外在条件下，呈现无缩颈和异常高的延伸率（即δ值）的特性，通称为超塑性。
内在条件：
指材料成分、组织及相变能力等；
外在条件：
指温度、加热方式、压力及应变速率等。
凡δ>100%的变形称之为超塑性变形；该材料称之为超塑性材料，利用这种特性成形零件的方法称之为超塑性成形。
（1）超塑性变形的宏观特性
大延伸无缩颈小应力易变形
可见，超塑性材料的流动性和填充性极好。
（2）超塑性变形的工程特点
1）改善了材料的成形性
2）提高了产品的质量
3）为设计提供了更多的自由度
4）减小了成形的压力
（3）超塑性变形的工艺参数
1）成形温度0.5–0.7Tm（熔点）
2）应变速率
3）成形压力
4）保压时间
上述四个方面同时也是影响超塑性成形的四个因素。
（4）具备超塑性的条件
1）温度
2）稳定而细小的晶粒（10μmm以下）
3）缓慢的成形速度
（5）钛板超塑性成形的优点
1）一次成形的变形量大
2）可以半模成形
3）成形设备所需的压力（吨位）小
4）零件的形状与尺寸稳定
5）结构灵活性强
6）材料内部组织均匀
7）可以发展新型结构
2、超塑性成形装置和特点
超塑性金属或合金进行超塑性成形必须具备的成形条件——温度和压力。
因此各种成形装置首先要将钣料加热到超塑性温度，然后徐徐加上比较稳定的载荷。
超塑性吹胀成形装置示意图
发动机短舱超塑成形过程
3、超塑成形/扩散连接SPF/DB
——SuperplasticForming/DiffusionBonding
固态扩散连接是靠高温下材料表面的局部塑性变形而使接触面贴紧，以保证连接材料表面层上的互扩散，产生原子量级上的结合，从而获得一种整体接头的技术。
其连接强度可达基材的数值。
——固态金属的连接过程；
——物理性接触；
——接触表面的活化并形成活化中心；
——紧密连接。
钛合金零件的扩散连接是在足够压力下和在保护气体中完成的。
由于加热加压的结果，使工件界面上的分子与原子相互扩散熔为一体，
SPF/DB组合工艺
超塑成形与扩散连接组合工艺的实质是在同一工作温度下同时完成成形与连接。
连接所需的压力是成形的6—10倍。
该工艺具有以下几大优点：
——显著降低了制造成本
——大大减轻了结构重量
——扩大了钛合金结构的应用
*超塑成形/扩散连接零件
*超塑成形/扩散连接零件
F-15后机身部件SPF／DB工艺示范部件
1一SPF龙骨结构；2--SPF／DB隔框；3--SPF／DB
波纹板蒙皮;4--SPF／DB侧壁;5一钎焊的检查门。
F-15后机身部件SPF／DB工艺龙骨结构方案
（a）现行龙骨段；（b）：
SPF龙骨段。
展望
钛与钛合金应用在航空与航天工业上已二、三十年的历史一对改善飞机与发动机的性能起了积极的作用。
但由于钛材价格太贵，加工困难，在用厚板和锻坯加工零件时，切削加工量很大，材料利用率不到lo％；用薄板冲压成形零件时，往往需要热成形和热校形，再用传统的机械连接方法（如铆接、螺接等）进行装配，工作量大，还增加了结构重量，结构效率没有充分发挥。
钛合金超塑性的研究和超塑性成形与扩散连接组合工艺的研究与应用正是要在降低成本、减轻重量、发挥设计的灵活性、提高结构效率等方面收到效益。
当然，由于钛合金超塑性的应用研究的历史很短，组合工艺更是研究中的一个崭新，因此要真正将这种新结构新工艺用于生产，还需要解决许多工艺问题、无损检验、测试技术问题。
关于钛合金的相变超塑性，目前正在进行研究。
钛合金超塑性应用研究，也促进了材料本身的研究。
比如控制钛合金的显微组织，以降低超塑性温度，是冶金方面的一个重要研究课题。
这方面的突破，必将进一步推动钛合金超塑性的实际应用。
（钛板冲压成形技术，理有亲，1986）
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