钛合金板材加工工艺(钛合金板材加工工艺手册)

本篇文章给大家谈谈钛合金板材加工工艺，以及钛合金板材加工工艺手册对应的知识点，希望对各位有所帮助，不要忘了收藏本站喔，本文目录一览：，1、，钛合金丝加工工艺有那些？，2、，钛合金的切削工艺措施有哪些？

本篇文章给大家谈谈钛合金板材加工工艺，以及钛合金板材加工工艺手册对应的知识点，希望对各位有所帮助，不要忘了收藏本站喔。

本文目录一览：

1、钛合金丝加工工艺有那些？
2、钛合金的切削工艺措施有哪些？
3、钛合金的热处理工艺是什么？
4、钛合金用途和生产工艺

钛合金丝加工工艺有那些？

钛及钛合金丝由于具有良好的耐蚀性、比强度高、无磁性、与人体的亲和性好和形状记忆功能等特点, 因而不但广泛应用于航空航天等高技术领域, 而且正越来越多地进入各种民用领域。例如在航天领域广泛应用的钛合金丝紧固件, 不仅可以达到减重、耐腐蚀的目的, 而且是钛合金、碳纤维复合材料等结构件必需的连接件；汽车领域采用钛合金丝制成的弹簧, 同钢弹簧相比, 可减重60%~70%；医疗领域采用的钛合金丝由于具有无毒、质轻、耐生物腐蚀及良好的生物相容性等特性而受到医生及患者的青睐；在海水养殖方面, 用钛丝织成的养殖网使用15 年后仍毫无损坏。

钛及钛合金属于难加工材料, 由于钛的屈强比较高, 一般为0.70~0.95, 弹性较好, 变形抗力大, 而其弹性模量相对较低, 故加工时变形抗力大, 回弹性也较严重；而且在加工过程中的粘着问题对制品的表面质量也产生了极为恶劣的影响。目前, 钛合金丝材的制备工艺通过不断改进、完善,并采用各种新兴技术使钛合金丝材产品的质量迅速提高, 种类不断增加, 应用领域进一步扩大。拉拔仍是现今生产钛合金丝所采用的最普遍方法,通常丝材的生产工艺流程为: 原料→铸锭熔炼→锻造→轧制→拉拔→热处理→检验→成品。本文以丝材的生产工艺流程为主线, 重点介绍丝材的拉伸工艺, 简单介绍丝坯的制备工艺(熔炼、锻造、轧制)以及丝材加工技术。

1 丝坯制备工艺

1.1 熔炼工艺

钛是非常活泼的金属, 在液态下与氧、氮、氢及碳的反应相当快, 因此钛合金熔炼必须在较高的真空度或惰性气体(Ar 或Ne)保护下进行。熔炼技术主要有真空自耗电极电弧炉熔炼、真空自耗电极凝壳炉熔炼、电子束冷床炉熔炼、等离子冷床炉熔炼、真空感应炉熔炼等。从耗电量、熔化速度、成本技术经济指标对比来看, 前两种仍是目前最经济适用的熔炼方法。但真空电弧熔炼对消除钛合金中高密度夹杂和低密度夹杂的能力有限, 而冷床炉熔炼在这方面有独特的优势。熔炼铸锭的质量将影响后续加工工艺以及成品质量, 可通过精选原材料, 选择合理的熔炼工艺参数(熔炼电流、电弧电压、真空度、漏气率、冷却速度、搅拌磁场强度), 严格控制工艺过程, 得到高质量的铸锭。由于丝材尺寸较小, 加工工艺比较复杂, 对合金内部冶金缺陷(偏析、夹杂)的敏感性增加, 因此熔炼工艺对精确控制成分, 减少合金中的杂质含量, 确保丝材优良的性能非常关键。

1.2 锻造工艺

锻造的目的是改善组织、提高金属的综合性能, 为轧制工序提供坯料。其工序基本流程为: 铸锭→加热→开坯锻造→冷却→表面清理→变形坯料→加热→锻棒→检验→成品。

铸锭和变形坯料的加热应选择合适的加热温度、加热速度和加热时间, 并控制好炉内气氛, 才能保证产品质量。加热温度应选择变形塑性好、锻件质量高、变形抗力低的温度范围。铸锭的开坯加热是在(α+β)/β相变点以上100~200℃(β钛合金除外)的范围内; 经过锻造变形的坯料, 粗大的铸造组织已得到一定程度的破碎, 内部组织得到改善, 塑性提高, 因此再锻造加热温度可随退火次数增加而逐渐降低; 成品前的锻造加热, 为防止β脆性的发生, 获得良好的组织及综合性能, 对于α合金和α+β合金应在相变点以下的温度进行, 对于β合金, 实际上是在β区加热和锻造的。由于钛的导热系数低, 在室温下为0.0397K/cm·s·℃, 约是中碳钢的1/4, 在高温时却又相近。因此, 在较低温度加热时应采用慢速, 避免加热过程中表层与中心层形成很大温度差。在高温时, 钛的导热系数增加, 可采用稍快的速度加热。

锻造加工中, 变形温度、变形量以及变形速度对锻件质量有重要的影响, 必须正确控制。如前所说, 一般将锻前的铸锭加热到相变点以上, 因为在此温度下变形抗力低、塑性高, 但若铸锭开坯的变形量过低, 铸态组织将不能得到有效地破碎, 其性能较差, 也将直接影响到后续加工。锻造过程中,若变形量选择不当将严重影响合金的组织与性能。如TC4 合金, 当加热温度高于相变点之上, 而变形量不够大时, 往往得到粗大的片状或针状α间β组织, 也称粗大魏氏组织。这种组织的强度变化不大, 但塑性显著下降。当变形量增大时则出现歪扭程度不同的条状α+β组织, 称为网篮状组织。这种组织的高温性能和断裂韧性有所改善, 而塑性有所下降。应当选择合适的变形量, 得到较细小的具有一定量的等轴初生α加转变的β组织。这种组织的综合性能较好。变形速度对锻件质量也有很重要的影响, 当变形速度过快时, 不仅使变形抗力提高, 而且变形热效应使锻件局部或整体温度过高, 得到的锻件组织和综合性能较差。最后须指出的是: 变形温度、变形速度和变形量绝不是孤立的影响锻件的质量。例如加热温度稍高, 但是用足够大的变形量和较低的变形速度也可以得到较好的组织和性能。

1.3 轧制工艺

轧制加工主要为丝材拉伸提供丝坯, 进一步改善合金组织, 提高金属的综合性能。同锻造工艺一样, 对丝材的组织以及表面质量都有重要的影响。其主要工艺参数有: 加热温度、轧制速度和热轧加工率。

(1) 加热温度

经锻造加工后, 坯料组织均匀性和致密性已经大大提高, 故加热温度可略低于锻造温度。α+β型合金的轧前加热温度一般都稍低于(α+β)/β相变温度, 即在(α+β)相区进行加热, 使轧制过程在(α+β)相区完成, 保证产品的组织性能较好; α型合金的加热温度也在(α+β)相区内, 此时热加工性能良好且室温性能较好; β型合金的加热温度在高于β相变转变温度以上进行, 使其变形在β相区完成, 此时合金的变形抗力小、塑性较好。不同的加热温度对合金的组织性能有很大影响, 如对TC9 棒材在1050 ℃轧制时, 由于其轧制温度在β转变温度以上, 得到的是针状组织, 性能较差。在α+β相区(980 ℃以下)轧制时, 得到的是等轴组织, 其性能较好。

(2) 轧制速度

目前, 钛及其合金轧制时, 由于产量不大, 钛制品长度较短, 大多采用手工操作, 所以不适宜高速轧制。而且轧速过快将造成轧件快速升温, 影响最终产品组织性能。理论计算表明: 轧制速度大于12m/s后, 轧件升温与轧制速度成正比增加; 当轧制速度大于30m/s 时, 终轧温度与加热温度无关。

(3) 热轧加工率

由于变形量的不同, 合金的组织和性能有明显的差别。如在920 ℃下热轧的TC4 棒材, 在28%变形量下轧制, 其组织基本上是α相被β相网格分割成等轴状, 这种组织性能较差；在变形量为44%时, β相网格已被破碎, α相粒度较大, 这种组织性能也较差; 在变形量为66%~78%时, 有大致相同的组织, 以α相为基体, 加上细小分散的α+β组织, 这种组织性能较好。

为充分加工与细化组织, 提高材料性能, 在20世纪70年代,发明了步进轧制工艺,它是一种将轧制和锻造两种变形特点结合在一起的加工方式, 具有锻造的大变形和轧制的高速度等特点。借鉴国外少数先进国家丝材的制备工艺流程为:铸锭→开坯锻造→热连轧成线材。秦伯祥等人研究了采用合金钢热连轧机组, 生产大卷重10mm纯钛高速线材工艺, 并对产品组织、性能、外形、尺寸公差进行了分析讨论, 研究表明, 用该方法生产的产品力学性能良好, 组织均匀一致, 而且表面质量良好。

2 拉伸工艺

2.1 拉伸温度

对冷加工性能差的钛合金常用热拉伸进行加工, 拉伸温度对丝材的组织、性能、间隙元素含量以及表面质量均有重要影响。朱恩科等人对Ti2Cu钛合金丝材拉伸方法的研究结果表明, Ti2Cu 钛合金丝材不适宜冷拉伸, 而热拉伸方法能够顺利拉制出合格的Ti2Cu 钛合金丝材。在拉伸过程中C、O、N 和H 的增加量, 可以通过碱、酸洗和真空退火消除。图1 为在冷拉伸与热拉伸下Ti2Cu 钛合金丝材的拉伸性能,可以看出,冷拉伸时,丝材的抗拉强度随直径减小而增加, 伸长率随直径减小而迅速降低。热拉伸在8mm~6.19mm区间抗拉强度随直径减小迅速增加, 伸长率显著下降, 这是由于只发生了部分再结晶, 硬化作用大于软化作用; 在6.19 mm~1.15mm 区间抗拉强度和伸长率基本保持不变, 这是由于变形造成的硬化和回复再结晶引起的软化作用达到了动态平衡。

2.2 拉伸道次加工率

热拉伸时, 道次加工率的大小主要取决于加工温度和丝材直径。对于在室温下的冷拉伸, 道次加工率主要取决于氧化、涂层的质量和润滑剂的好坏。表1为室温下拉伸时, 随直径变化道次加工率分配的一般规范。

2.3 拉伸应力

在拉伸时, 拉伸应力应小于被拉出金属材料的屈服强度, 这是实现拉伸过程的基本条件。影响拉伸应力的因素很多, 如拉伸温度、拉伸速度、加工率以及模具的圆锥角等等。加工率的增加、拉伸温度的降低、圆锥角过大或过小都将引起拉伸应力的增大; 在直线拉伸时, 拉伸速度对拉伸应力无显著改变, 而在丝材以直线式通过模孔后向牵引绞盘上缠绕时, 拉伸速度超过一定范围将引起拉伸应力的增大。为减小拉伸过程中的拉伸应力,可通过润滑、减小变形量、提高金属变形塑性等方法。为此, 人们研究了多种加工技术, 其中包括辊模拉伸、超声振动拉伸等方法。

2.4 拉伸润滑

由于钛合金拉伸时具有粘附模具的倾向, 造成拉丝困难, 因此除了必须采用良好的润滑剂之外, 还应采取涂层、氧化等其他增强润滑措施。钛合金拉伸前大多进行氧化、涂层处理。采用的涂料有石墨乳、盐石灰、钙基涂层等等, 选择涂层的依据是不仅与所加工的丝材要结合紧密, 与润滑剂之间要有良好的浸润性, 而且要便于清除。拉伸工艺条件不同, 使用的润滑剂也不相同。在钛丝拉伸工艺中, 采用的润滑剂有工业皂粉、石墨乳以及肥皂粉与其他材料的混合物, 应选择与涂层有良好浸润性、热稳定性较好的润滑剂。如在TB2 钛合金丝材加工中, 涂层选择钙基涂层, 辅以自制润滑剂(HTK-SM), 可以获得令人满意的丝材表面。为增强润滑效果, 还常采用增压模来提高丝材的表面质量。

2.5 拉伸模

拉丝模具材质主要有硬质合金、天然金刚石、合成金刚石、聚晶金刚石。细丝生产中常用单晶天然金刚石模。天然金刚石模具虽然造价高, 但经久耐用, 尺寸变化小, 不易出现粘拉磨损、丝材划伤等。为使待加工的丝材顺利通过模具, 实现变形的目的, 形成所需的规格尺寸, 要求加工后的模具形状有利于润滑并减少断丝现象, 有利于产生的变形热量散发得快。由于经过一段时间的拉伸,模具表面发生磨损现象, 即表面因摩擦、撕裂等使模具表面有物质脱落, 会因此划伤丝材表面。因此需要提高模具光洁度, 减少模具缺陷, 加强对模

具的管理控制。

2.6 表面处理

在丝材拉伸过程中, 表面处理也是影响丝材表面质量及组织性能的影响因素。其方式有酸洗、机械抛光、电解抛光、磷化、氧化、电镀等。西北有色金属研究院与有研亿金新材料股份有限公司分别对钛钽合金丝与钛镍合金丝进行了表面处理的研究, 结果表明, 酸洗、机械抛光与电解抛光拉伸试样均表现为韧性断裂, 但电解抛光由于减少了试样表面裂纹源而有效改善了钛镍合金丝材的力学性能, 而酸洗由于减少了表面夹杂物对拉伸的影响, 表现出了比机械抛光更好的综合性能。磷化、氧化处理由于其磷化层和氧化层具有较高的硬度, 可以有效地保证丝材拉伸过程中表面不被划伤, 但在拉伸过程中会出现表面和心部变形不协调性, 容易在表面出现裂纹, 导致材料断裂。电镀后的丝材虽然表面光洁, 但由于易发生氢脆现象, 试样表现为脆性断裂, 材料的力学性能显著降低。

2.7 热处理工艺

钛及钛合金丝热处理时应用最多的是退火,包括中间退火和成品退火, 其目的是提高丝材继续拉伸的加工塑性和达到所要求的成品性能。在制定退火工艺时, 不仅要考虑生产的具体条件, 更重要的应考虑金属的力学性能与变形程度、退火温度之间的关系。如工业纯钛, 随着加工率的增加, 伸长率下降, 而抗拉强度升高, 说明冷加工硬化快, 因此必须进行中间退火。丝材成品的退火温度应根据所要求的成品性能来选择, 以达到最佳的性能匹配。如Ti-2Al-2.5Zr 丝材的优选真空退火温度在700~850 ℃, 在这区间内, 伸长率和抗拉性能均能达到丝材的要求。表2与表3为钛及钛合金丝的一般退火规范, 可以看出, 丝材的退火制度还应考虑丝材的尺寸。实际应用中, 应根据合金成分以及加工工艺, 进行试验研究, 来选择最佳退火工艺。

除退火工艺外, 为达到各种用途所需要的性能, 还常常需要进行固溶时效等热处理。如眼镜架用Ti-22V-4Al 合金丝, 经780℃×30min 退火处理, 其组织均匀, 伸长率达20%以上; 再经520℃×4 h 时效处理, 维氏硬度达到2800MPa, 可达到眼镜架用丝材对材料硬度的技术要求。

3 加工技术

传统的固定模拉伸(即常规拉伸)有着本身固有的缺陷, 其突出问题是模具与变形金属接触面的摩擦以及伴随产生的热效应。为此, 人们发明了多种加工技术来解决上述问题。

(1) 辊模拉伸: 该技术结合了传统的轧制与拉伸的特点, 减少了拉拔力, 增加了道次加工率,降低了加工硬化程度。由于辊模拉伸是在由非传动的、自由旋转的辊轮组成的孔型中拉伸, 将固定模拉伸时材料与模孔的大部分滑动摩擦转变为非常小的滚动摩擦, 从而大幅度减小拉伸摩擦力。辊模拉伸的缺点是尺寸精度没有固定模拉伸高, 适用于粗拉丝, 而在细拉丝中用固定模拉伸进行精整。

(2) 超声振动拉伸: 该方法是从20世纪50年代发展起来的,拉伸时,对拉伸模施以超声振动,可以有效降低拉伸力, 提高道次加工率。

(3) 无模拉伸: 该工艺是采用感应线圈或激光使丝材局部加热软化, 并施加张力使丝材变细。其优点是不需要拉伸模和润滑剂, 变形率大, 效率高, 缺点是成品尺寸均匀性差, 质量不稳定。

(4) 增压模拉伸: 该工艺是指在拉伸模前安装增压喷嘴装置, 在丝材拉伸时, 能造成自动增压强制润滑效果的方法。其优点是断丝频率减少4/5、拉丝模寿命提高20 倍以上、改善表面质量等。

(5) 镀层- 包套集束拉伸: 该方法首先在钛丝表面镀一层低碳钢, 再将镀好的钛丝集束装入低碳钢管内, 然后进行集束拉伸加工并进行中间退火, 加工到最终尺寸后, 用硫酸酸洗将低碳钢包套和镀层除去。其优点是效率高、生产成本低。

(6) 包套- 碎屑挤压: 该工艺是日本东北大学开发的, 主要用于TiNi 形状记忆合金丝的加工,可提高产品质量、降低生产成本。首先通过包覆轧制制备由不同金属片组成的多层复合片材, 各种金属层的厚度比取决于所确定的化学成分, 然后把轧成的包覆片切成碎屑, 将切成的碎屑装填到容器中制成坯料, 并将坯料挤压成细棒, 接着再加工成细丝, 最后通过热扩散处理, 将复合丝转化成想要得到的金属间化合物丝材。

(7) 四辊丝材轧机连轧生产丝材: 这种轧机是由四个轧辊组成一个圆的孔形, 工作时由一个主动辊带动另外三个辊转动。多个这样的机架组成连轧机组可进行钛合金丝材的生产, 从而大幅度提高了丝材的生产率和成品率。

4 结语

钛及钛合金丝材应用广泛, 但其昂贵的价格是阻碍其应用的主要障碍, 需要开发并普及丝材制备新工艺, 以降低丝材加工成本。国外对丝材加工技术研究报道较多, 并且采用了很多新技术,因此国外的钛合金丝材产品质量好、规格多。而国内钛合金丝材生产技术仍然较落后, 生产流程长、效率低、成本高是目前需要解决的问题。因此我国应加大对钛合金丝材加工的研究投入, 尽快提高在该领域的技术水平和装备水平, 生产出质优价廉的钛合金丝材产品, 以适应市场的需求。

钛合金的切削工艺措施有哪些？

钛合金以其比强度高、机械性能及抗蚀性良好而成为飞机及发动机理想的制造材料，但由于其切削性差，长期以来在很大程度上制约了它的使用。随着工艺技术的发展，近年来钛合金已广泛使用于飞机发动机的压气机段、发动机罩、排气装置等零件的制造以及飞机的大梁隔框等结构框架件的制造。但是钛合金导热性差致使切削温度很高，在切削过程中的这些特点使其变得十分困难，下面简单介绍下钛合金的各种切削工艺有哪些特点：

（1）车削工艺

钛合金车削易获得较好的表面粗糙度，硬化不严重，但切削温度高刀具磨损快。针对这些特点主要在刀具、切削参数方面采取以下措施：合适的刀具前后角、刀尖磨圆、较低的切削速度、适中的进给量、较深的切削深度、专用切削油充分冷却；车外圆时刀尖不能高于工件中心，否则容易扎刀；精车及车削薄壁件时，刀具主偏角要大。

（2）铣削工艺

钛合金铣削比车削困难，因为铣削是断续切削，并且切屑易与刀刃发生粘结，当粘屑的刀齿再次切入工件时，粘屑被碰掉并带走一小块刀具材料形成崩刃，极大地降低了刀具的耐用度。因此对钛合金铣削采取措施：一般采用顺铣、使用高速钢刀具、使用专用钛合金切削油、从工件装夹及设备方面提高工艺系统刚性。

（3）磨削工艺

磨削钛合金零件常见的问题是粘屑造成砂轮堵塞以及零件表面烧伤。其原因是钛合金的导热性差，使磨削区产生高温，从而使钛合金与磨料发生粘结、扩散以及强烈的化学反应。粘屑和砂轮堵塞导致磨削比显著下降，扩散和化学反应的结果，使工件被磨表面烧伤，导致零件疲劳强度降低，这在磨削钛合金铸件时更为明显。为解决这一问题采取的措施是：选用绿碳化硅砂轮材料、稍低的砂轮速度、稍小的进给量、用低粘度磨削油充分冷却。

（4）钻削工艺

钛合金钻削比较困难，常在过程中出现烧刀和断钻现象。这主要是由于钻头刃磨不良、排屑不及时、冷却不佳以及工艺系统刚性差等几方面原因造成的。因此在钛合金钻削加工中须注意以下几点：选用高速钢硬质合金刀具、勤退刀并及时清除切屑、使用专用深孔钻切削油、提高工艺系统刚性。

（5）铰削工艺

钛合金铰削时刀具磨损不严重，使用硬质合金和高速钢铰刀均可。使用硬质合金铰刀时，要采取类似钻削的工艺系统刚度，防止铰刀崩刃。钛合金铰孔时出现的主要问题是铰孔不光，可采取以下解决措施：修窄铰刀刃带宽度以免刃带与孔壁粘结、切削刃磨损后要及时修磨、必要时可加大校准部分倒锥。

（6）攻丝工艺

钛合金攻丝主要因为切屑细小，易与刀刃及工件粘结，造成表面粗糙度值大扭矩大。攻丝时丝锥选用不当及操作不当极易造成硬化，效率极低并时有丝锥折断现象。其解决办法如下：优先选用跳牙丝锥、切削锥部分磨出负倾角、先粗钻再用扩孔钻扩孔、尽量采用机攻避免硬化。

钛合金的热处理工艺是什么？

常用的热处理方法有退火、固溶和时效处理。退火是为了消除内应力、提高塑性和组织稳定性，以获得较好的综合性能。通常α合金和（α+β）合金退火温度选在（α+β）─→β相转变点以下120～200℃；固溶和时效处理是从高温区快冷,以得到马氏体α′相和亚稳定的β相,然后在中温区保温使这些亚稳定相分解，得到α相或化合物等细小弥散的第二相质点，达到使合金强化的目的。通常(α+β)合金的淬火在(α+β)─→β相转变点以下40～100℃进行，亚稳定β合金淬火在(α+β)─→β相转变点以上40～80℃进行。时效处理温度一般为450～550℃。

总结，钛合金的热处理工艺可以归纳为：

（1）消除应力退火：目的是为消除或减少加工过程中产生的残余应力。防止在一些腐蚀环境中的化学侵蚀和减少变形。

（2）完全退火：目的是为了获得好的韧性，改善加工性能，有利于再加工以及提高尺寸和组织的稳定性。

（3）固溶处理和时效：目的是为了提高其强度，α钛合金和稳定的β钛合金不能进行强化热处理，在生产中只进行退火。α+β钛合金和含有少量α相的亚稳β钛合金可以通过固溶处理和时效使合金进一步强化。

此外，为了满足工件的特殊要求，工业上还采用双重退火、等温退火、β热处理、形变热处理等金属热处理工艺。