航空钛合金的钣金工艺及热处理模板.doc

航空钛合金钣金工艺 刘文 10号 飞机0902班摘要：介绍航空钛及钛合金，关键对钛及钛合金钣金成形工艺进行介绍。关键字：钛合金 钣金成形工艺 冷成型 热成型1钛及钛合金发展及特征1-1钛及钛合金发展： 钛是20世纪50年代发展起来一个关键结构金属，钛合金因含有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上很多国家全部认识到锨合金材料关键性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。 第一个实用钛合金是1954年美国研制成功Ti-6Al-4V合金，因为它耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均很好，而成为钛合金工业中王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金7585。其它很多钛合金全部能够看做是Ti-6Al-4V合金改型。 20世纪5060年代，关键是发展航空发动机用高温钛合金和机体用结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到深入发展。耐热钛合金使用温度已从50年代400提升到90年代600650。A2(Ti3Al)和r（TiAl）基合金出现，使钛在发动机使用部位正由发动机冷端（风扇和压气机）向发动机热端（涡轮）方向推进。结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。 另外，20世纪70年代以来，还出现了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形状记忆合金，并在工程上取得日益广泛应用。 现在，世界上已研制出钛合金有数百种，最著名合金有2030种，如Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Sn、Ti-2Al-2.5Zr、Ti-32Mo、Ti-Mo-Ni、Ti-Pd、SP-700、Ti-6242、Ti-1023、Ti-10-5-3、Ti-1023、BT9、BT20、IMI829、IMI834等2,4。 钛合金能够分为、+、型合金及钛铝金属间化合物（TixAl，此处x=1）四类。1-2，钛通常特征：(1)比强度高钛合金密度通常在4.5g/cm3左右，仅为钢60，纯钛强度才靠近一般钢强度，部分高强度钛合金超出了很多合金结构钢强度。所以钛合金比强度(强度/密度)远大于其它金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻零、部件。现在飞机发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等全部使用钛合金。(2)热强度高使用温度比铝合金高几baidu，在中等温度下仍能保持所要求强度,可在450500温度下长久工作这两类钛合金在150500范围内仍有很高比强度，而铝合金在150时比强度显著下降。钛合金工作温度可达500，铝合金则在200以下。(3)抗蚀性好钛合金在潮湿大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀抵御力尤其强；对碱、氯化物、氯有机物品、硝酸、硫酸等有优良抗腐蚀能力。但钛对含有还原性氧及铬盐介质抗蚀性差。(4)低温性能好钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低钛合金,如TA7,在-253下还能保持一定塑性。所以，钛合金也是一个关键低温结构材料。(5)化学活性大钛化学活性大，和大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈化学反应。含碳量大于0.2时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，和N作用也会形成TiN硬质表层；在600以上时，钛吸收氧形成硬度很高硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生硬脆表层深度可达0.10.15 mm，硬化程度为2030。钛化学亲和性也大，易和摩擦表面产生粘附现象。(6)导热系数小、弹性模量小钛导热系数=15.24W/（m.K）约为镍1/4，铁1/5，铝1/14，而多种钛合金导热系数比钛导热系数约下降50。钛合金弹性模量约为钢1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面回弹量很大，约为不锈钢23倍，造成刀具后刀面猛烈摩擦、粘附、粘结磨损。1-3钛物理性质：物理性质 状态：纯钛为有光泽白色金属，强度是钢两倍，比刚轻45，比铝重60。 熔 点(): 1660 沸 点(): 3287 比 热/J/gK : 0.52 蒸发烧/KJ/mol : 421熔化热/KJ/mol: 15.45 导电率106/cm : 0.0234导热系数W/cmK: 0.2192.钛和钛合金钣金成形2-1冷成形钛合金选择冷成形 工艺方法，通常是形状简单，变形率小零件。 在室温下用落锤成形小变形率零件，和不锈钢类似，为了取得满意结果，其最小拨模角3，弯曲半径应尽可能大些。 在室温下弯曲钛合金零件会产生很大回弹。退火钛合金回弹比固溶处理或固溶和时效处理钛合金来得小。回弹计算和模具半径确实定能够参考图3-15-7和图3-15-8.冷态弯出最小弯曲半径对于纯钛为2到3倍料厚，钛合金4到6倍料厚。 一些钛合金零件能够在室温压延。和通常金属压延所不一样是需要大吨位压床，以采取液压慢速双动压床为宜。它成形速度要低，应低于0.25米每秒。模具表面硬度要达成hrc60.凸模圆角半径应大于材料厚度4到8倍。凹模圆角半径为材料厚度5到10倍，通常不超出厚度15倍，凹凸模之间间隙1.25到1.30倍料厚。图8；列出多个钛合金拉伸数据。 图3-15-8 退火和固溶处理钛和钛合金在常温下也能进行旋压或旋薄处理。表3-15-9列出两种钛合金在室温下手工旋压平底桶形件成形极限数据。从表中数据能够看出毛料直径和料厚比值较小对成形有利，对于厚度小于0.5毫米钛板进行需加热旋压。对于锥形件旋薄，在常温下减薄率应小于50%，若超出50%需加热旋薄。 橡皮成形通常在室温下进行。在室温下橡皮成形零件需经校正回弹，钛合金橡皮成形需要高橡皮单位压力，现在已经发展到1000kg每平方厘米，液压机总吨位达成10万吨。 钛板蒙皮拉型和型材拉弯在室温下进行，回弹很大，拉型时，板料拉伸方向尽可能和轧制方向一致，以提升拉伸变形程度。为了提升模具寿命，能够在常见拉型模上包覆一层薄不锈钢板。现代飞机结构中，常有很多钛板制成多种型材，通常能够采取室温下滚弯成形。钛合金挤压或板弯型材压制下陷，冷态成形较难，需要加热成形。2-2.热成型 钛合金冷成型塑形低，回弹大，尤其是零件形状比较复杂更是难以成行，所以，常见加热成形方法， 钛合金加热成形能使零件贴模，基础消除手工校正量。不过也带来很多问题：如工装，设备和工艺问题。而其中关键是加热设备和装置，耐高温模具，高温下润滑和预防污染等问题。 常见加热方法有3种：一是利用常规冷成型设备和模具，对零件进行加热；二是利用常规成形设备，对模具进行加热；三是采取专业加热压床或装置。 2-2-1加热零件成形法 这种方法是加热成形种最简单，最方便方法。其特点是能够利用通常冷成型冲压设备和工艺装备，另外添加一套加热零件装置，其加热零件方法有以下多个：2-2-1-1 辐射加热法 利用红外辐射加热零件。红外线石英灯加热能在短时间内（几十秒内）将钛板加热到500到600。图3-15-9表示辐射加热成形方法2-2-1-2 电阻加热法 利用钛板本身有较高电阻率，通电后使其本身加热。能在十几秒或几十秒内，将钛板加热到近千度。这种方法关键用于落压，拉弯上，也可用于拉型和冲压上。需要电源变压器。这种加热方法特点是加热快，成形快。图3-15-10是在拉弯时加热示意图。 2-2-1-3火焰加热法 在冷压加工中，对于难成形局部采取火焰局部加热，或落压中火焰加热全部板件。这种方法也是一个简易方法。在冷成型工装设备基础上只需要附加一套简易加热装置即可。图3-15-11所表示为落压和旋压成形中采取火焰加热法。其热源可用燃气，煤气，乙炔焰和其它可燃气体。这种方法关键问题是比前两种方法有更大氧化和污染问题，受热不均。2-2-1-4. 感应加热法 这是一个利用感应高频电源感应加热方法，其原理见图3-15-15.加热速度快，不过因为设备局限只适适用于小型旋转体零件。2-2-1-5 炉内加热法 多种冷压成型设备旁边附加一加热炉（图3-15-13）。将毛料在炉内加热，取出后快速送到模具上成形。因为毛料散热，故适适用于冲压和落压成型。 以上多个方法特点是加热速度快，快速成形，因无蠕变过程，故成形后零件仍然有少许回弹，还需要进行热校形和手工校正。另外，以上多种加热方法成形温度还没有好测定方法。其次，板件轻易氧化和污染。不过它优点是采取常见设备和模具，不要耐热工艺装备和特殊设备，成本低，上马快。2-2-2 加热模具成形法此方法是加热模具，然后毛料放入模内加热，达成一定温度时压制成形。成形过程中，能保持一定压力和温度，零件变形有蠕变过程。所以，轻易贴模，温度也轻易控制，因为需要一定压力，一定时间，所以多数在液压机上成形。2-2-2-1 电热管，电热元件加热 在模具内装有电热管，电阻丝，燃气管等方法来加热模具，见图3-15-14所表示。2-2-2-2炉内加热法 将模具放在通用电炉或专用电炉内进行成形。图3-15-15表示模具和毛料一起放入通用电炉内，靠模具本身重量成形毛料。2-2-3.其它加热成形法 图3-15-16所表示为一个简易爆炸方法，它是利用高温固体（热砂等）加热毛料和模具。3.总结 3. 总 结 钛和钛合金作为一个较为新金属材料，其钣金工艺成熟度比钢铁，铝合金等其它常见金属差很多。关键表现在加工工艺和成型设备上不成熟，但因为钛和钛合金含有很多其它金属不含有优点，使其钣金技术和钣金设备含有很高研究价值。4.参考文件1.飞机钣金零件制造工艺学 南京航空学院，1979.102.航空材料和热处理 刘劲松3.baidu百科 4.baidu知道 5.航空用钛合金上海科学技术出版社6.航空金属材料学 国防工业出版社7. 北京航天长空钛材设备加工中心产品介绍 .com/tai.htm8