钛与钛合金锻造加工技术详解-精
钛及钛合金铸造工艺流程
钛及钛合金铸造工艺流程1. 简介钛及钛合金是一种重要的结构材料，广泛应用于航空航天、船舶制造、化工等领域。
铸造是一种常用的钛及钛合金加工方法，它能够生产出复杂形状且具有优良性能的零件。
本文将介绍钛及钛合金的铸造工艺流程。
2. 材料准备首先，需要准备好所需的铸造原料，包括钛及钛合金的粉末、添加剂以及其他合金元素。
这些原料需要经过严格的质量检验和筛选，以确保其纯度和质量符合要求。
3. 配料和熔炼在材料准备完成后，需要按照比例将钛及钛合金粉末和其他添加剂进行配料。
配料过程需要严格控制各种元素的含量，以满足零件的使用要求。
接下来，将配料好的粉末在真空或惰性气氛下进行熔炼。
这种熔炼方法可以有效地避免氧化反应，保证钛及钛合金的纯度。
通过控制熔炼温度和时间，可以使合金达到所需的化学成分。
4. 铸型设计和制备在熔炼完成后，需要设计和制备合适的铸型。
铸型的设计需要考虑到零件的形状、尺寸以及复杂度。
制备铸型的材料通常是石膏、陶瓷或金属，这些材料需要具有较高的耐热性和耐腐蚀性。
5. 铸造铸造是将已熔融的钛及钛合金浇注进铸型中，使其在特定的温度下凝固成型的过程。
在铸造过程中，需要控制浇注温度、浇注速度和浇注压力，以确保零件的密度和质量。
6. 除砂和清理当零件凝固完成后，需要进行除砂和清理工作。
这个工序的目的是去除铸件表面的毛刺、砂痕和氧化物等杂质，使铸件表面光滑。
7. 热处理对于一些具有特殊性能要求的钛及钛合金铸件，还需要进行热处理。
热处理可以改善零件的力学性能和耐腐蚀性能，使其达到设计的要求。
常用的热处理方法包括退火、固溶处理和时效处理等。
8. 检验和修复完成全部工艺后，需要对铸造零件进行严格的检验。
常用的检验方法包括外观检查、尺寸测量和化学成分分析等。
如果有任何缺陷或不合格情况，需要进行修复。
9. 成品处理和包装最后，对经过检验合格的铸件进行成品处理和包装。
这包括去除表面氧化层、打磨抛光以及采用适当的防护材料进行包装，以确保产品的安全运输和储存。
金属钛的冶炼与精加工项目的简介
金属钛的冶炼与精加工项目的简介内蒙古宝臣天成钛业有限公司二零零九年四月十日1、钛的发现和认识钛是一种银白色的金属，早在1791年，英国科学家威廉姆·格里戈尔在英国密那汉郊区找到这种神奇的元素时，首先发现了这种新元素。
过了4年，德国化学家克捡普洛特-加龙省又从匈牙利布伊尼克的一种红色矿石中，发现了这种元素，便以希腊神话中的英雄来命名。
钛的意思是“地球的儿子”。
钛的外形很像钢铁，但远比钢铁坚硬，且体重只有铁的一半。
在常温下，钛可以安然无恙地“躺”在各种强酸、强碱中；就连最凶猛的酸---王水，也不能腐蚀它。
有人曾把一块钛片扔进大海，经过5年以后取出来，仍然闪闪发亮，没有半点锈斑。
俗话说：“真金不怕火炼”。
可是钛的熔点比黄金还高出600多摄氏度。
正因为钛的本领非凡，所以有着广泛用途。
现在，钛是制造飞机、坦克、军舰、潜艇不可缺少的金属。
在宇宙飞船和导弹中，也大量用钛代替钢铁。
钛与氮、碳结合生成的氮化钛、碳化钛，也是非常坚硬的化合物，它们的耐热本领甚至还比钛高1倍。
这样坚硬而耐热的材料，可以代替超级钢，制造高速切削刀具。
钛的许多特殊性能，还在化工、超声波和超导技术中得到应用。
然而，钛有个最大的缺点，就是提炼比较困难。
这主要是因为钛在高温下可以与氧、碳、氮以及其它许多元素化合。
所以人们曾把钛当作“稀有金属”，其实，钛的含量约占地壳重量的60‰，比铜、锡、锰、锌的总和还要多10多倍。
在世界上，我国钛的储藏量最多，四川的攀枝花，钛的储藏量占全国90％以上，是世界上罕见的大钛矿。
2、钛的性能钛是一种很特别的金属，质地非常轻盈，却又十分坚韧和耐腐蚀，它不会像银会变黑，在常温下终身保持本身的色调。
钛的熔点与铂金相差不多，因此常用于航天．军工精密部件。
加上电流和化学处理后，会产生不同的颜色。
钛如同它的名字一样是一种具有英雄气概的金属，银亮，轻盈，坚牢。
在化学上，大名鼎鼎的强腐蚀剂“王水”能够吞噬白银、黄金，以至把号称“不锈”的不锈钢侵蚀，变得锈迹斑驳，面目全非。
钛及钛合金锻造生产工艺规程
钛及钛合金锻造生产工艺规程一、工艺概述钛及钛合金锻造是将钛或钛合金坯料在高温下施加变形力，使其产生塑性变形，形成所需形状和尺寸的零部件的过程。
钛及钛合金锻造具有优良的力学性能、高温性能和耐腐蚀性能，广泛应用于航空航天、船舶、汽车、医疗器械等领域。
二、设备与工具1.锻造设备：采用电加热气氛式锻造炉，确保工件均匀受热、高效加热，并配备锻模、锻锤等相关设备。
2.检测设备：采用超声波探伤仪、拉伸试验机、金相显微镜等设备，对锻造工件进行质量检测。
3.工具：锻造过程中需要使用锻造锤、锻模、顶座、夹具等工具，确保工件形状和尺寸的准确度。
三、工艺流程1.准备工作：将钛或钛合金坯料进行清洗，去除表面污物和氧化物，并切割成适当的尺寸。
2.预热：将坯料放入电加热气氛式锻造炉中，进行预热处理，提高其可塑性。
预热温度一般为坯料转变温度的70%~80%。
3.锻造：将坯料放入锻模中，并在锻锤的作用下进行锤击变形。
根据零部件的形状和尺寸要求，可采用自由锻造、模锻或多次锻造等方法。
4.退火处理：经过锻造后的工件可能存在组织变化和残余应力，需进行退火处理消除变形和应力。
一般采用快速退火或等温退火，使工件组织回复正常状态。
5.表面处理：根据零部件的使用要求，进行必要的表面处理，如酸洗、抛光等，提高表面质量和光洁度。
6.检验测试：对锻造后的工件进行超声波探伤、拉伸试验和金相显微镜检测，确保其力学性能和质量符合要求。
7.包装与交付：对合格的工件进行包装，并及时交付给用户或下一道工序进行加工。
四、操作要点1.材料选择：选择优质的钛或钛合金坯料，确保其化学成分和力学性能符合要求。
2.温度控制：控制锻造炉的加热温度、保温时间和冷却速度，保证工件在整个锻造过程中温度的均匀性。
3.锻造力度：控制锤击力度和锤击次数，使坯料均匀受力，确保其形状和尺寸的准确度。
4.锻造后处理：根据工件形状和尺寸的要求，进行适当的退火处理，消除变形和应力。
5.质量检测：对锻造后的工件进行超声波探伤、拉伸试验和金相显微镜检测，确保其质量和力学性能符合要求。
钛及钛合金的生产加工流程
钛及钛合金的生产加工流程一、钛的原料获取。
钛在自然界中主要是以钛铁矿或者金红石这些矿物的形式存在的。
想象一下，那些矿工们就像寻宝一样，在大地里挖掘出这些蕴含着钛元素的矿石。
然后把这些矿石从地下开采出来，就像是把宝藏从地底下解救出来一样。
这可是钛及钛合金生产的第一步，要是没有这些矿石，后面的事儿可就无从谈起啦。
二、钛的提炼。
1. 把开采出来的矿石先进行富集，就好比是从一堆宝贝里挑出最精华的部分。
这一步可不容易呢，要通过各种物理和化学的方法，把钛从其他杂质中分离出来一部分，让钛的含量变得更高。
2. 接着就是大名鼎鼎的克罗尔法啦。
这是一种很神奇的提炼钛的方法哦。
简单来说呢，就是通过一系列复杂的化学反应，把钛从钛的化合物里还原出来，这个过程就像是变魔术一样。
要在高温下，用镁或者钠这些还原剂去和钛的化合物“谈判”，让钛乖乖地被还原出来，成为海绵钛。
这海绵钛看起来就像一块多孔的海绵，但是它可是钛的重要中间产物呢。
三、钛合金的制备。
1. 当我们有了海绵钛之后，就可以开始制备钛合金啦。
根据不同的用途，我们要往钛里面加入其他的元素，就像做菜的时候加调料一样。
比如加入铝可以提高钛合金的强度，加入钒可以改善钛合金的韧性。
这个时候，工程师们就像大厨一样，精心调配着各种元素的比例，直到调出最适合某种用途的钛合金“菜品”。
2. 把这些元素和海绵钛放在一起，通过熔炼的方法让它们融合在一起。
这个熔炼的过程就像是一场盛大的聚会，各种元素在高温下欢快地融合，形成一个整体，成为钛合金。
四、钛及钛合金的加工。
1. 锻造加工。
- 锻造就像是给钛及钛合金做健身运动一样。
把钛合金加热到一定的温度，然后用大锤子或者压力机对它进行捶打或者挤压。
这样可以改变它的形状，让它变得更致密，提高它的机械性能。
就像我们锻炼肌肉一样，经过锻造后的钛及钛合金会变得更强壮呢。
2. 机械加工。
- 这就是用各种机床，像车床、铣床这些，对钛及钛合金进行精细的加工。
比如说要把钛合金加工成一个精密的零件，就靠这些机床啦。
钛合金锻造技术解答
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注：玻璃润滑剂是由玻璃粉、稳定剂、固结剂以及水构成的悬浮液
2008-09-09
钛合金锻造基础
锻造设备类型与应变速率的关系
锻 造 设 备
液压 慢速液压
10-2~ 1
锻锤 机械压力 （快速）
10~ 200
1~ 30
10-4~ 10-2
平均应变速率/s-1
2008-09-09
2008-09-09
钛合金的常用术语
原始β晶粒
α集束
2008-09-09
钛合金的常用术语
其他术语参见GB8755-1988
谢谢！
2008-09-09
钛合金锻造基础
变形量控制 变形量： 钛合金的临界变形2—12%，实际控制应 在15—20%以上; 变形30—40%,可细化 组织；60—70%以上可将粗针状组织细 化转变为球状组织
与热效应综合考虑
2008-09-09
钛合金锻造基础
清理
{
氧化皮的清除 α壳层的清除
喷砂
可清除0.13~0.76mm厚的锈皮，喷砂设备：装有磨料的 滚筒、喷丸或喷砂装置
自由锻、挤压、平锻、快锻、精锻
β区加热，足够变形量，变形先小后大， 防止裂纹和局部变形。
2008-09-09
常用开坯设备
钛合金的生产流程
2008-09-09
钛的基本特征
钛元素的基本特征
(1) 密度(纯钛密度介于铝 和铁之间。 (2) 导热性差，导热率仅 为铁的1/6，铝的1/15。 (3) 摩擦系数较大。 (4) 热膨胀系数较低。 (5) 弹性模量较低。 (6) 无磁性。
钛及钛合金铸件生产过程
钛及钛合金铸件生产过程1.材料准备：首先需要准备合适的原材料，通常使用的是纯度较高的钛及钛合金。
这些原材料需要经过粉末冶金或熔炼等工艺处理，以确保材料的均匀性和纯度。
2.模具制备：在铸造过程中，需要先制备出适用的模具。
根据所需零件的形状和尺寸，选择合适的材料制作模具。
通常使用的是耐火砖、石膏和石墨等材料制作模具，也可以采用3D打印等新技术制造模具。
3.铸造工艺：在开始铸造之前，需要对模具进行预热处理，以确保铸件的质量。
然后，将事先准备好的钛及钛合金材料加热至熔点，并注入预热好的模具中。
在注入模具的过程中，需要控制好温度和压力，以确保铸件的完整性和一致性。
4.冷却处理：铸件注入模具后，需要进行冷却处理。
通常采用水冷或气冷的方式，将铸件从模具中取出，并将其置于冷却设备中进行降温。
冷却的速度和方式会影响到铸件的组织结构和性能，需要根据具体情况进行合理的控制。
5.粗加工和热处理：在冷却处理完成后，需要对铸件进行粗加工。
通常包括修整、去除余料、打磨、钻孔等工序，以获得所需的形状和尺寸。
此外，还需要进行热处理，如时效处理、固溶处理和淬火处理等，以调整铸件的组织结构和力学性能。
6.精加工和表面处理：在粗加工和热处理完成后，需要对铸件进行精加工和表面处理。
精加工包括车削、铣削、磨削和切割等工序，以进一步提高铸件的精度和表面质量。
表面处理主要包括喷砂、抛光、电镀和阳极氧化等，以增强铸件的耐腐蚀性和美观性。
7.检测和质量控制：在整个生产过程中，需要进行严格的检测和质量控制，以保证铸件的质量。
常用的检测方法包括无损检测、化学成分分析和力学性能测试等。
根据检测结果进行调整和改进，以提高产品的质量和性能。
综上所述，钛及钛合金铸件的生产过程包括材料准备、模具制备、铸造工艺、冷却处理、粗加工和热处理、精加工和表面处理、检测和质量控制等多个环节。
通过科学的生产工艺和严格的质量控制，可以获得高质量、高性能的钛及钛合金铸件，满足各行各业的需求。
3钛及钛合金加工工艺与组织关系
3、不同组织的力学性能 组织决定性能
组织 类型 等轴 双态 三态 网篮 魏氏 高于 等轴 高于 等轴 较差 差 最差 室温拉伸 强度 好 塑性 最好 热稳定 强度 好 塑性 好 拉伸 一般 高温性能 持久 差 高于等轴 高于双态 差 最差 高于双态 较差 蠕变 差 断裂韧性 K1C 最差 较好 高于 双态 好 差
关键工艺参数和组织特征
Hale Waihona Puke 关键工艺参数和片层组织的特征
两相钛合金获得单相区加工组织的工艺路线
关键工艺参数和组织特征
Ti-6242钛合金单相区加工组织（TEM）
两相钛合金获得两相组织的加工路线
关键工艺参数和组织特征
IMI 834钛合金不同单相区冷速对组织的影响
两相钛合金获得等轴组织的加工路线 （两相区再结晶退火缓慢冷却）
钛及钛合金加工工艺与 组织、性能关系
钛合金锻造分类 及组织类型
有关锻造术语：
常规锻造：在β 相变点以下25℃或更低温度下的α +β
相区加热后进行锻造。 β 锻造：在β 相变点以上50℃或更高的温度下加热后进
行锻造，其变形量全部或主要地在β 相区完成。
近β 锻造：在β 相变点以下10~40℃加热后进行锻造。 准β 锻造：在β 相变点以上10~40℃加热后进行锻造，
Da/dN
疲劳性能 低周 较差 较好 高于 双态 高于 等轴 差 高周 好 高于 等轴 好 差 差
快 较快 慢 慢 最快
与等轴同一水平 与等轴同一水平 好 差
8
两相钛合金获得片层组织的加工路线
Ti-6242钛合金单相区不同冷速对片层组织的影响 (OM)
Ti-6242钛合金单相区不同冷速对片层组织的影响 （TEM）
钛合金锻造工艺
钛合金锻造工艺钛合金作为一种重要的工程金属材料，具有优良的力学性能、耐腐蚀性能和高温性能等特点，在航空航天、船舶、汽车、医疗器械等领域得到广泛应用。
钛合金锻造作为一种主要的加工方法，具有高效、高精度、高质量等优点，对于提高钛合金零件的机械性能和使用寿命具有重要意义。
一、钛合金锻造工艺的概述钛合金锻造是指将钛合金坯料加热到一定温度后，通过锻造机械设备对其进行塑性变形，使其形成所需的形状和尺寸。
钛合金锻造工艺包括热锻、冷锻和等温锻等几种形式，其中热锻是最常用的一种。
热锻是指将钛合金坯料加热到其变形温度以上，然后通过锻造机械设备对其进行塑性变形，使其形成所需的形状和尺寸。
热锻的主要优点是能够减少材料的应力和变形量，提高材料的塑性和韧性，从而得到高质量的钛合金零件。
但是，热锻需要较高的温度和压力，对设备和工艺要求较高。
冷锻是指将钛合金坯料在室温下进行塑性变形，其主要优点是能够获得高强度和高硬度的钛合金零件，但是冷锻需要较高的压力和变形量，对设备和工艺要求也较高。
等温锻是指将钛合金坯料在一定温度下进行塑性变形，其主要优点是能够获得高精度和高表面质量的钛合金零件，但是等温锻需要较高的温度和时间，对设备和工艺要求也较高。
二、钛合金锻造工艺的关键技术1. 加热技术钛合金的变形温度较高，一般在800℃以上，因此加热技术对于钛合金锻造过程至关重要。
在加热过程中，要控制加热速度、加热温度和加热时间，以保证钛合金坯料的均匀加热和充分变软。
同时，还要避免过热和过烧，以防止钛合金发生氧化和变质。
2. 锻造工艺钛合金锻造的关键在于控制锻造过程中的变形量、变形速率和变形温度等参数，以保证钛合金零件的形状和尺寸精度。
在锻造过程中，还要注意保持坯料的温度和塑性，避免过度变形和损伤。
3. 退火技术钛合金锻造后需要进行退火处理，以消除残余应力和改善材料的机械性能。
在退火过程中，要控制温度、时间和冷却速度等参数，以保证钛合金零件的性能和表面质量。
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钛的主要合金元素
钛的合金化原理
3、 中性元素：对β转变温度无显著影响。
在α和β中均有较大溶解度，固溶强化。
Zr Hf： Ti的同族元素，提高α强度和热强性，
强化效果低于Al，但对塑性的影响小。
Sn Mg：主要固溶强化α相，也可视为α 稳定元素。
Ce La：稀土元素，提高高温拉伸和热稳定性。
研究热点
杜邦公司首先开始商业化生产金 属钛
钛元素与钛资源概述
钛元素在周期表中的位置
22号 IV B 族
钛元素与钛资源概述
钛元素在自然界中的赋存状态
地壳质量的4‰，总储量34亿吨 化学性质活泼，无钛的单质，主要是氧化物
金红石
钛铁矿
钛资源的分布
钛元素与钛资源概述
钛矿石
1
海绵钛
钛合金 铸锭
2
钛合金的生产流程
1、α稳定元素：提高β转变温度，扩大α相区。
距Ti较远，化学性质差别大。 包析反应，提高热稳定性
Al：应用最广泛，强效。降低熔点，提高β转变温度。
原子置换方式增加网格畸变，室温和高温均强化。 相当于钢中碳的作用，提高热稳定性和焊接性。
Ga Ge：稀贵元素，应用少，作用正在研究中。
O N C: 间隙元素，强度提高，塑性下降。脆性威胁，
钛元素与钛资源概述
钛元素的发现
英国William Gregor 发现钛元素的存在，将其命名为 “mechanite”
德国Martin Heinri ch Klaproth,成功地从矿石（金 红石）中分解出氧化钛，将其更名为“Titans”
卢森堡Wilhelm Justin Kroll（被称为钛 工业之父），用Ticl4和Na制取了大量的 钛（Kroll工艺）
4种基本类型
钛合金的典型组织
等轴组织
等轴初生α相和β转变 组织均匀分布。两相区 中部加热/变形所获得 的。强度、塑性、疲劳 性能突出。
混合组织
β转变组织基体上分布 有少量等轴初生α相。 两相区上部加热/变形 获得的。兼顾强度、塑 性、韧性、疲劳、蠕变
4种基本类型
钛合金的典型组织
网篮组织
原始β晶粒内分布着发 达的片层α。β晶界已 被破碎，无明显晶界α。 β相区加热/变形，两相 区完成变形。
3
变形钛 合金
大棒材 小棒材 板材 管材 型材
半成品
叶片 盘件 蒙皮 ……
成品
铸造钛 合金
叶片 机匣 蒙皮
……
钛合金的生产流程
1 海绵钛的生产工艺
钛矿 （金红石） 氯化
四氯化钛(TiCl4 )
Kroll：镁还原 Hunter：钠还原
海绵钛
●海绵钛根据杂质
含量的不同，可分 为0级、1级、2级等 不同等级。0级海绵 钛杂质含量最低。
由于α稳定元素Al较多而形成的偏析。 200X 也形成亮条，硬度偏高。单件报废。
3 铸锭开坯
钛合金的生产流程
将粗大的铸态组织改变为变形态组织，为后续加工进行 组织准备。
自由锻、挤压、平锻、快锻、精锻
β区加热，足够变形量，变形先小后大， 防止裂纹和局部变形。
常用开坯设备
钛合金的生产流程
钛的基本特征
钛合金TC4中的高间隙缺陷 正常区 Hv300 缺陷区 Hv493
β斑点 高β稳定元素偏析，因局部β稳定
元素偏高而形成β斑点。
间隙元素偏析
低指A氧l、、氮V、偏碳析等间也隙元叫素软的偏富集析区，严重时形
成化合物，硬度高,危害大，也叫硬偏析、α偏
高硬表析度面。Al降或一偏低剖旦析，面发偏形现析成，区亮整为条炉等，报轴一废组般织单，件报α废相。增多。锻件
钛与钛合金锻造加工技术
《专 题》
一、 钛与钛合金热加工技术基础 二、 航空航天常用钛合金及其锻造技术 三、 钛合金锻件的常见缺陷与对策
专题一的主要内容
1. 钛元素及钛资源概述 2. 钛合金的生产流程 3. 钛的基本特性 4. 钛的合金化原理 5. 钛合金的典型组织及分类 6. 钛合金锻造技术基础 7. 钛合金常用术语
钛合金的生产流程
2 钛锭的熔炼及缺陷
惰 性 气 体 保 护 下 的 电 渣 重 熔 炉
VAR
飞机和发动机使用的 钛合金一般要经过2～3 次熔炼。（增加熔炼次 数可使成分均匀化）
冷壁铜坩埚熔炼技术 冷炉床熔炼技术
ESR
钛合金的生产流程
2 钛锭的熔炼及缺陷
由于配料和焊电极时带入钨、钼等难熔金属，冶炼时未 被熔化造成。可用超声或涡流检验控制。
钛合金的基本特征
250
高的比强度
200
（对飞机及航空发动机尤其重要）
150 Titanium Alloys
100
TiAl Alloys
Single Crystal Superalloys
优异的耐蚀性能 使用温度范围大
Mg Al
50 200
Superalloys
CMC
低阻尼特性
Refractory Metals and Intermetallics
700
1200
1700
Temperature (ºC)
钛合金相图
钛的合金化原理
中性型 Zr Hf Sn
α稳定化型
Al Ga Ge ON C
β同晶型
β共析型
β稳定化型
Mo V Nb Ta
Fe Mn Cr Co Ni Cu Si H
钛的合金化原理
完整的 Ti-Al合金相图
钛的合金化原理
钛的主要合金元素
钛元素的基本特征
(1) 密度(纯钛密度介于铝 和铁之间。 (2) 导热性差，导热率仅为 铁的1/6，铝的1/15。 (3) 摩擦系数较大。 (4) 热膨胀系数较低。 (5) 弹性模量较低。 (6) 无磁性。
同 素 异 构 Байду номын сангаас 变
钛的基本特征
Specific Strength (MPa/(Mg/m3))
严格控制含量。
钛的主要合金元素
钛的合金化原理
2、β稳定元素：降低β转变温度，扩大β相区。
固溶强化，提高淬透性和热处理强化效果。
V Mo：β同晶元素，靠近Ti，晶格类型与β-Ti相同。 Nb Ta 与β相无限互溶，在α相中有限溶解。
提高强度，保持较高塑性，无共析或包析反应
Fe Mn： β共析元素，强化效果明显。 Cr Co 在α和β相中均有限溶解，在β中溶解度更大 Ni Cu 均存在共析反应，影响组织稳定和蠕变性能。 Si H 注意H的双重作用。
魏氏组织
β晶界完整，晶内存在 发达的片层α。晶界α 明显。加热和变形均在 β相区完成。断裂韧性 和蠕变性能突出。
钛合金的典型组织
显微组织对钛合金性能的影响
细小
粗大
性能
片层状
等轴状
○
○
弹性模量
○
+/-（织构）
+
-
强度
-
+
+
-
塑性
-
+
-
+
断裂韧性
+
-
+
-
疲劳裂纹萌生