鈦合金在飛行器制造中的應(yīng)用

1、1,第4章 鈦合金在飛行器制造中的應(yīng)用,2,1791年，英國(guó)牧師格累高爾發(fā)現(xiàn)了一種新元素。1795年，法國(guó)化學(xué)家克拉普羅特以日耳曼神話中女神坦的名字為它命名，譯成中文就是“鈦”。從此，鈦便進(jìn)入了科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室。,,鈦是一種新金屬，由于它具有一系列優(yōu)異特性，被廣泛用于航空、航天、化工、石油、冶金、輕工、電力、海水淡化、艦艇和日常生活器具等工業(yè)生產(chǎn)中，它被譽(yù)為現(xiàn)代金屬。金屬鈦生產(chǎn)從1948年至今才有半個(gè)世紀(jì)的歷史，它是伴隨著航空和航天

2、工業(yè)而發(fā)展起來的新興工業(yè)。它的發(fā)展經(jīng)受了數(shù)次大起大落，這是因?yàn)殁伵c飛機(jī)制造業(yè)有關(guān)的緣故。但總的說來，鈦發(fā)展的速度是很快的，它超過了任何一種其他有色金屬的發(fā)展速度。,鈦,3,鈦的蘊(yùn)藏量十分豐富，在地球上鈦的儲(chǔ)量約占地殼總重的0.61%，在所有元素中占第十位，居于氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂、氫之后，按金屬元素計(jì)，為第7位；在常用金屬中則僅次于鋁、鐵和鎂，占第四位；比銅、鎳、鉛、鋅的總和還多十余倍。但由于它的高溫性質(zhì)特別活潑，很難提純，因

3、此金屬鈦直到二十世紀(jì)四十年代才生產(chǎn)出來。第二次世界大戰(zhàn)后首先在真空爐中成功地用鎂還原四氯化鈦獲得了海綿鈦，工業(yè)上開始少量應(yīng)用。冶煉技術(shù)一經(jīng)突破并投入工業(yè)生產(chǎn)后，這種新材料迅速受到人們的重視。隨著鈦材需求量的增加，鈦及鈦合金的產(chǎn)量一定會(huì)有大的增長(zhǎng)。 鈦及鈦合金由于具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、較高的強(qiáng)度和比強(qiáng)度以及能耐較高的溫度，已作為一種工業(yè)材料在飛行器制造行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。,4,,,,,1、記憶功能　　鈦-鎳合金在一定環(huán)境溫度下

4、具有單向、雙向和全方位的記憶效應(yīng)，被公認(rèn)是最佳記憶合金。在工程上做管接頭用于戰(zhàn)斗機(jī)的油壓系統(tǒng)；石油聯(lián)合企業(yè)的輸油管路系統(tǒng)；直徑0.5mm絲做成的直徑500mm拋物網(wǎng)狀天線用于宇航飛行器上；在醫(yī)學(xué)工程上用于制作鼾癥治療；制成螺釘用于骨折愈合等。上述應(yīng)用均獲得了明顯效果。　　2 、超導(dǎo)功能　　鈮-鈦合金在溫度低于臨界溫度時(shí)，呈現(xiàn)出零電阻的超導(dǎo)功能?！　?、貯氫功能　　鈦-鐵合金具有吸氫的特性，把大量的氫安全的貯存起來，在一定的環(huán)境中

5、又把氫釋放出來。這在氫氣分離、氫氣凈化、氫氣貯存及運(yùn)輸、制造以氫為能源的熱泵和蓄電池等方面應(yīng)用很有前途。,5,1 密度小,比強(qiáng)度高　 金屬鈦的密度為4.51g/cm3,高于鋁而低于鋼、銅、鎳，但比強(qiáng)度高于鋁合金和高強(qiáng)合金鋼?！　? 彈性模量低　 鈦的彈性模量在常溫時(shí)為106.4GPa,為鋼的57%?！　? 導(dǎo)熱系數(shù)小　 金屬鈦的導(dǎo)熱系數(shù)小，是低碳鋼的五分之一，銅的二十五分之一。 　　4 抗拉強(qiáng)度與其屈服

6、強(qiáng)度接近　　鈦的這一性能說明了其屈強(qiáng)比（屈服強(qiáng)度/抗拉強(qiáng)度 ）高，表示了金屬鈦材料在成形時(shí)塑性變形差。由于鈦的屈服極限與彈性模量的比值大，使鈦成型時(shí)的回彈能力大。,,,6,5 無磁性、無毒　 鈦是無磁性金屬，在很大的磁場(chǎng)中也不會(huì)被磁化，無毒且與人體組織及血液有好的相溶性，所以被醫(yī)療界采用?！　? 抗阻尼性能強(qiáng)　 金屬鈦受到機(jī)械振動(dòng)、電振動(dòng)后，與鋼、銅金屬相比，其自身振動(dòng)衰減時(shí)間最長(zhǎng)。利用鈦的這一性能可作音叉、醫(yī)學(xué)上的

7、超聲粉碎機(jī)振動(dòng)元件和高級(jí)音響揚(yáng)聲器的振動(dòng)薄膜等?！　? 耐熱性能好　 新型鈦合金可在600℃或更高的溫度下長(zhǎng)期使用。　　8 耐低溫性能好　 鈦合金TA7（Ti-5Al-2.5Sn）,TC4(Ti-6Al-4V)和Ti-2.5Zr-1.5Mo等為代表的低溫鈦合金,其強(qiáng)度隨溫度的降低而提高,但塑性變化卻不大。在-196~-253℃低溫下保持較好的延性及韌性,避免了金屬冷脆性,是低溫容器,貯箱等設(shè)備的理想材料?！　? 吸氣

8、性能　 鈦是一種化學(xué)性質(zhì)非?；顫姷慕饘?在高溫下可與許多元素和化合物發(fā)生反應(yīng)。鈦吸氣主要指高溫下與碳、氫、氮、氧發(fā)生反應(yīng)。,,,7,10耐腐蝕性能　 鈦是一種非?；顫姷慕饘?，其平衡電位很低，在介質(zhì)中的熱力學(xué)腐蝕傾向大。但實(shí)際上鈦在許多介質(zhì)中很穩(wěn)定，如鈦在氧化性、中性和弱還原性等介質(zhì)中是耐腐蝕的。這是因?yàn)殁伜脱跤泻艽蟮挠H和力，在空氣中或含氧的介質(zhì)中，鈦表面生成一層致密的、附著力強(qiáng)、惰性大的氧化膜，保護(hù)了鈦基體不被腐蝕。即使由

9、于機(jī)械磨損也會(huì)很快自愈或重新再生。這表明了鈦是具有強(qiáng)烈鈍化傾向的金屬。介質(zhì)溫度在315℃以下鈦的氧化膜始終保持這一特性?！　榱颂岣哜伒哪臀g性，研究出氧化、電鍍、等離子噴涂、離子氮化、離子注入和激光處理等表面處理技術(shù)，對(duì)鈦的氧化膜起到了增強(qiáng)保護(hù)性作用，獲得了所希望的耐腐蝕效果。針對(duì)在硫酸、鹽酸、甲胺溶液、高溫濕氯氣和高溫氯化物等生產(chǎn)中對(duì)金屬材料的需要 ，開發(fā)出鈦-鉬、鈦-鈀、鈦-鉬-鎳等一系列耐蝕鈦合金。鈦鑄件使用了鈦-32鉬合金，對(duì)

10、常發(fā)生縫隙腐蝕或點(diǎn)蝕的環(huán)境使用了鈦-0.3鉬-0.8鎳合金或鈦設(shè)備的局部使用了鈦-0.2鈀合金,均獲得了很好的使用效果。,,,8,1. 在飛機(jī)上的應(yīng)用 鈦合金是現(xiàn)代飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)中最有應(yīng)用前景的材料。同鋁合金及鋼相比，它具有更高的比強(qiáng)度。同時(shí)，其耐腐蝕性、疲勞抗力均很高。在高溫下不可能采用鋁合金時(shí)，鈦合金卻能有效地工作?？紤]到飛機(jī)結(jié)構(gòu)承力部件（壁板、緣條、隔框、梁、接頭及起落架等）的特點(diǎn)，制造時(shí)要用到厚板、模鍛件（鍛件）、鑄件

11、，以及擠壓型材、軋制型材和薄板等半成品。設(shè)計(jì)此類疲勞危險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)部件，要求選用高比強(qiáng)度,最大斷裂韌性和最小裂紋擴(kuò)展速率的材料。鈦合金可滿足要求，方法是對(duì)不同半成品采用不同的變形加工和熱處理，形成必需的冶金組織；針對(duì)鈦合金的所有特點(diǎn)，研究制訂出鈦合金零部件的加工工藝。,4.1 鈦合金在飛行器結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用,9,結(jié)構(gòu)的重量效率是主要的質(zhì)量指標(biāo)之一。改進(jìn)半成品及決定結(jié)構(gòu)件采用何種連接，對(duì)提高結(jié)構(gòu)重量總效率起著十分重要的作用。這不僅取決于設(shè)計(jì)任務(wù)

12、書，還取決于結(jié)構(gòu)材料的工藝性能。對(duì)兩塊壁板的等壽命對(duì)接結(jié)構(gòu)分析得知，焊接接頭具有最高的重量效益，且電子束焊接優(yōu)于其它焊接，因此選擇鈦合金制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要要求之一是合金本身要有良好的可焊性。而鈦合金Ti-6Al-4V就具有良好的可焊性。,10,從技術(shù)和質(zhì)量上考慮，飛行器制造工業(yè)都是金屬鈦的最大用戶，從板、管材到鑄件、鍛件，消耗鈦加工材達(dá)60%以上。在1980年前，民用機(jī)與軍用機(jī)都想在機(jī)體上采用鈦制部件，但因成本問題而受到限制。然而燃料費(fèi)

13、在美國(guó)各主要航空公司的經(jīng)營(yíng)成本中所占的比例自1970年以來一直在上升（1970年占12%，1980年占28%，1990年占31%），從而推動(dòng)了具有高比強(qiáng)度的鈦部件在飛機(jī)上的廣泛應(yīng)用。因使用鈦部件而使初期投資增加的部分，可因節(jié)省航運(yùn)費(fèi)和維修費(fèi)而完全抵消。加上定期客機(jī)效率的改善，使得波音公司投資數(shù)十億美元，開發(fā)了節(jié)能效率好的757型和767型客機(jī)。,11,隨著燃料成本的連續(xù)上升，可以預(yù)計(jì)到新的民用客機(jī)中鈦的用量將增加。當(dāng)前正在為改善結(jié)構(gòu)效率

14、，降低部件成本而積極地開發(fā)有力的新合金和新的加工方法。這樣一來預(yù)計(jì)鈦合金的用量將進(jìn)一步增加。 對(duì)飛機(jī)制造廠來說，把燃料消耗降低到最小限度，對(duì)提高民用機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，提高戰(zhàn)斗機(jī)的留空時(shí)間具有重要的作用。從機(jī)體斷面的形狀、新機(jī)翼技術(shù)、恰當(dāng)?shù)剡x擇發(fā)動(dòng)機(jī)等基本設(shè)計(jì)方面，應(yīng)盡可能以提高燃料效率為目標(biāo)。因?yàn)橹亓渴枪?jié)省燃料的主要因素，飛機(jī)制造廠家必須盡全力謀求輕量化。使用改良鋁、復(fù)合材料，再和鈦復(fù)合使用，具有可靠性的輕量化就成為可能了。,12,據(jù)

15、估計(jì)，殲擊機(jī)鋁合金原材料成本約占飛機(jī)總成本的1%。如果殲擊機(jī)完全用鈦合金制造，則原材料成本占總成本的3.5%。如果鈦成本降低一半，則殲擊機(jī)總成本總共也只能減少1%。因而，飛機(jī)的成本主要不取決于原材料成本，而是取決于生產(chǎn)費(fèi)用。根據(jù)這一分析，可以認(rèn)為在飛機(jī)制造中應(yīng)用鈦不存在成本障礙，或即使存在也影響很小，因而可以預(yù)計(jì)鈦將來在飛機(jī)制造中會(huì)得到比現(xiàn)在更為廣泛的應(yīng)用。2. 在宇宙飛船和航天飛機(jī)上的應(yīng)用（略）3. 在宇宙火箭上應(yīng)用（略）,13,

16、14,15,16,17,,,,,,,,,18,4.2 航空用鈦合金的分類與一般性能1. 鈦及合金的分類,按照合金在平衡和亞穩(wěn)定狀態(tài)的相組成，鈦合金可分為α、近α、α+ß、近ß、ß等五類；但習(xí)慣上將鈦合金分為α、α+ß和ß三大類。若按照使用性能特點(diǎn)，則可分為結(jié)構(gòu)鈦合金、耐熱（熱強(qiáng)）鈦合金和耐蝕鈦合金和功能鈦合金等類。我國(guó)鈦合金國(guó)標(biāo)牌號(hào)中，TA系列代表α型鈦合金；TB系列代表ß

17、;型鈦合金；TC系列代表α+ß型鈦合金。,19,鈦有兩種同素異構(gòu)晶型。低于882.5℃為低溫α晶型，呈密排六方晶格；在882.5℃到熔點(diǎn)（1668℃±10℃）為穩(wěn)定的高溫β晶型，呈體心立方晶格。鈦可以與多種元素形成合金，合金元素的加入對(duì)鈦的物理和機(jī)械性能產(chǎn)生很大的影響，并引起多晶型轉(zhuǎn)變溫度的變化。加入鈦中的各元素的總量影響著相變溫度的變化程度。合金元素使鈦的晶體結(jié)構(gòu)畸變并引起強(qiáng)化；相變行為的能力隨元素的不同的而不

18、同。鈦與間隙元素（即處于鈦晶格內(nèi)間隙位置）氧、氮、碳以及金屬元素鋁、錫等構(gòu)成的合金具有穩(wěn)定的α相類型，稱為α穩(wěn)定元素，能夠提高純鈦的相變溫度。鈦與過渡元素如釩、鈮、鉭、鉬及錳、鎂、鐵、鉻等構(gòu)成的合金則具有β相或α+β相類型，稱為β穩(wěn)定元素，它們不同程度地降低純鈦的相變溫度。,20,α型鈦合金主要以α穩(wěn)定元素為合金元素，在室溫下具有α單相組織，不能通過熱處理使之強(qiáng)化，通常只進(jìn)行退火處理；組織穩(wěn)定，耐磨性高于純鈦，抗氧化能力強(qiáng)。在500℃～

19、600℃的溫度下，仍保持其強(qiáng)度和抗蠕變性能，室溫強(qiáng)度不高。 β型鈦合金中則含有相當(dāng)數(shù)量的β穩(wěn)定元素，它們當(dāng)中有的能無限地溶于β鈦中（如鉬、鈮、釩、鉭等），有的則只是有限地固溶于β鈦中（如鉻、鐵、錳等）。工業(yè)用β合金均系在β相區(qū)內(nèi)加熱后淬火，將β相保持下來，在室溫時(shí)得到穩(wěn)定的β單相組織。經(jīng)固溶處理（淬火）后再進(jìn)行時(shí)效而使合金強(qiáng)化；未熱處理即具有較高的強(qiáng)度，淬火、時(shí)效后合金得到進(jìn)一步強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度可達(dá)1372～1666MPa；但熱穩(wěn)定性較

20、差，不宜在高溫下使用。,21,α+β合金退火后由α相加β相組成，也能夠通過固溶加時(shí)效強(qiáng)化，但強(qiáng)化效果不如β型鈦合金。雙相合金，具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進(jìn)行熱壓力加工，能進(jìn)行淬火、時(shí)效使合金強(qiáng)化。熱處理后的強(qiáng)度約比退火狀態(tài)提高50％～100％；高溫強(qiáng)度高，可在400℃～500℃的溫度下長(zhǎng)期工作，其熱穩(wěn)定性次于α鈦合金。,22,航空航天用鈦合金主要有α型鈦合金、鈦鋁化合物為基的高溫鈦合金和

21、鑄造鈦合金等。非航空航天用鈦合金方面則主要應(yīng)用于化工裝置、有色冶金、發(fā)電站冷凝器、海水淡化設(shè)備和汽車零件、人工關(guān)節(jié)等領(lǐng)域。,23,4.2 航空用鈦合金的分類與一般性能2. 工業(yè)純鈦的主要物理性能,,,,,,24,3. 鈦的耐腐蝕性 如上所述，由于氧對(duì)鈦的親和力很高，在鈦表面常有一層薄而堅(jiān)固的氧化膜。這層氧化膜的存在使得鈦在許多強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中呈鈍化狀態(tài)，因而鈦具有十分突出的耐腐蝕性能。工業(yè)純鈦在中性和堿性溶液、氧化

22、性酸中均有高的耐腐蝕性。此外在海水中鈦不受腐蝕，甚至有名的王水（一份硝酸加三份鹽酸）在常溫下對(duì)鈦的作用也很小。氫氟酸、鹽酸、磷酸、硫酸以及為數(shù)不多的幾種熱、濃有機(jī)酸：草酸、甲酸、三氯（代）乙酸、三氟（代）乙酸、氯化鋁及鹵素元素與鈦發(fā)生作用，主要是由于它們侵蝕和破壞了鈦的保護(hù)層。加入氧化劑或離子時(shí)此種腐蝕情況可得到改善。,25,4. 鈦的力學(xué)性能(1) 室溫性能純鈦具有一定的強(qiáng)度，鈦合金則具有較高的強(qiáng)度。工業(yè)純鈦=265~61

23、7MPa45鋼：900 MPa ，抗拉 650 MPa 屈服鈦合金=686~1176 MPa高強(qiáng)鈦合金≥1176 MPa 由于鈦的比重僅為鋼的60%，所以鈦具有較高的比強(qiáng)度。,26,27,28,(2) 高溫性能 大多數(shù)鈦合金在500℃時(shí)仍具

24、有一定的機(jī)械性能，但一般只在450℃左右使用。 鈦合金高溫性能的改善主要是靠尋找理想的合金系統(tǒng)以及改進(jìn)工藝來達(dá)到的。如調(diào)整合金元素，提高材料的蠕變強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性以及抗鹽應(yīng)力腐蝕的能力，改進(jìn)熱處理制度，注意合理的操作，防止可能的氣體和其它物質(zhì)的污染等均能達(dá)到上述目的。但要研制出一種性能優(yōu)良、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉的材料也卻非易事。因?yàn)橥捎谧⒁饬艘环矫娴囊螅ㄈ绺邚?qiáng)度），卻很可能在另一種性能（如蠕變性能）方面受到影響。所以

25、，盡管各國(guó)都在大力研究，但能長(zhǎng)期經(jīng)受生產(chǎn)、使用實(shí)踐的考驗(yàn)，具有優(yōu)異的綜合性能的鈦合金為數(shù)并不很多。,29,30,(3) 低溫性能 某些壓力容器（航天裝置上的液氧、氫及氟貯箱）工作溫度分別為-183℃、-253℃、-269℃及-212℃，要求材料在極低溫度下仍具有較好的物理和機(jī)械性能。 工業(yè)純鈦可以在-196℃的環(huán)境里應(yīng)用，而Ti-5Al-2.5Sn(TA7)以及Ti-5Al-4V(TC3)使用溫度可達(dá) -253℃，

26、AT2系合金（以Ti-Zr為基體，用鈮、釩或鉬構(gòu)成的三元合金）低溫性能很好。,31,32,5. 鈦的工藝性能(1) 切削加工性 鈦合金零件的機(jī)械加工比鋁合金、結(jié)構(gòu)鋼困難得多。原因在于鈦合金的特性，屈服極限與強(qiáng)度極限之比很高為0.85~0.95（鋼0.65~0.75 ）；導(dǎo)熱性較差；鈦易粘附于刀具；高溫下與氣體的化學(xué)活性很強(qiáng)；合金元素的偏析使切削層性能不一等。,33,屈服極限與強(qiáng)度極限之比很高，使鈦合金冷作硬化增高，即冷作硬化

27、層增大，從而降低合金塑性，使刀具磨損加劇?；谶@個(gè)因素，再加上導(dǎo)熱性差，致使切削區(qū)溫度升高，因而使合金的有害氣體含量增加（特別是對(duì)于薄截面）。金屬氣體含量過高，切屑便無法塑性變形，而且收縮率變?yōu)樨?fù)值。刀具前刀刃面與切屑的摩擦而迅速磨損，后刀刃面與加工表面也迅速磨損。金屬基體，特別是零件表層的性能不一，促使刀具磨損。同時(shí)，即使在連續(xù)加工時(shí)也造成斷續(xù)切削。,34,切屑與刀前表面的接觸面積比鋼小50~66%，而刀尖上的接觸壓力卻增大同樣的幅度

28、，因而局部溫度很高，足以引起氧化和形成薄的堅(jiān)硬層，使切削加工困難。合金的導(dǎo)熱性低，使刀刃難以導(dǎo)熱和冷卻。此外，刀刃前面不形成積屑，而加工鋼時(shí)有積屑，它有利于導(dǎo)熱。,35,鈦合金表面有一層α硬殼，加工性很差。由于硬殼的硬度和厚度不均勻，對(duì)切削加工性影響也不相同。 鈦合金切削加工與鋼的主要區(qū)別是增加進(jìn)給量和切削深度時(shí)降低切削速度。切削速度應(yīng)比鋼降低2～3倍，以保證刀具的必要壽命。因此，生產(chǎn)率要降低。,36,37,加工鈦合金

29、比加工鋼一般要求更高的切削力，因此必須采用高剛性機(jī)床。切削力大而彈性模量低，會(huì)加大毛坯的彈性變形，很難制成尺寸精確的加工件。因此，零件的固定和加工必須使刀具相對(duì)于零件支點(diǎn)的扭矩和彎矩為最小。,38,鈦合金的銑削采用中等進(jìn)給量，銑削速度為14~18m/min。鋸切時(shí)，采用有波紋形鋸齒的鋸條，齒距5~6mm。鈦的磨削則有些困難，為防止金屬溫度升高及磨削工具與金屬發(fā)生相互作用，磨削時(shí)嚴(yán)禁采用高速度。因此選擇成分適宜的冷卻液和把冷卻液送至加工區(qū)

30、的壓力起著重要作用。 金屬鈦的細(xì)屑被滑油油污后易自燃，鈦的粉塵有爆炸危險(xiǎn)。在熄滅正在燃燒的鈦時(shí)，不能使用普通滅火劑（水、泡沫滅火劑和二氧化碳），必須使用鎂火焰用的干砂、白云石灰以及適宜的滅火器。,39,(2) 成形性能 鈦板的成形性能與其內(nèi)部組織、力學(xué)性能以及變形條件有關(guān)。 五十年代開始，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上采用了鈦板零件。由于鈦屈服強(qiáng)度高，彈性模量低，因而回彈極大。這樣，在鈦板零件生產(chǎn)過程中便遇到了

31、大量的成形問題。比如將一塊厚度為1mm的退火TC4平板壓入半徑為100mm的弧形模中，取出時(shí)仍為平板。就其彈性大小而論，它超過了彈簧鋼板。熱壓機(jī)床問世之前，美國(guó)北美航空公司曾組織了70多人的手工校形工段，專門解決零件的成形精度問題。,40,國(guó)內(nèi)在開始生產(chǎn)鈦零件時(shí)，碰到的問題也很多。原因是對(duì)鋁板零件熟悉的鈑金工和技術(shù)人員，對(duì)鈦板成形卻很不適應(yīng)。首先下料切邊工序就因剪刀刀刃磨損太快而成為難題；校形時(shí)錘頭極易鐓粗，敲修過程中錘頭彈回很高，零件

32、、模具上錘擊印痕累累仍未能使零件貼模就范。難怪國(guó)內(nèi)都把鈦稱為難成形材料，有人則稱它是熱成形材料，這是對(duì)鈦板成形性能籠統(tǒng)的和偏于感性的評(píng)價(jià)。但這不應(yīng)妨礙人們對(duì)其進(jìn)行具體分析，掌握其特性，以便作出恰當(dāng)?shù)奶幚怼?41,鈦的主要成形性能可以歸納如下：鈦板強(qiáng)度較高，要求成形機(jī)床的噸位較大，單位成形力高。在常溫下鈦的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度十分接近，因而決定了材料的塑性變形范圍窄，成形過程中變形稍大就有可能產(chǎn)生破壞。這對(duì)拉彎和拉形等要求控制應(yīng)力的

33、成形工藝很不利。鈦及其合金的彈性模量E小，僅為鋼材的一半左右，因而反映沖壓回彈大小的 /E的比值比鋼大得多；均勻延伸率δ值或穩(wěn)定性指數(shù)n值較低，所以拉伸發(fā)生失穩(wěn)前的應(yīng)變較小。同時(shí)斷面收縮率亦較低，而且波動(dòng)范圍大。因此容易發(fā)生破壞而出現(xiàn)廢品，或只能作變形程度較小的零件。,42,鈦板的彎曲能力差，只有普通材料的五分之一左右。凡有彎曲變形的工序（如閘壓和橡皮成形），工件的彎曲半徑都應(yīng)加大。受壓時(shí)的穩(wěn)定性較低，僅為一般材

34、料的一半左右，易失穩(wěn)起皺。再加上彎曲性能不好，在起皺部件波紋部常可見到彎裂（即所謂“皺裂”），這也是鈦板成形中的一大問題。硬度比鋼約高出一倍，加上強(qiáng)度高，因此用于成形鈦材的模具材料應(yīng)當(dāng)有較高的強(qiáng)度和硬度。鈦的抗磨損能力比不銹鋼還低，極易損傷零件和模具。由于存在較高的殘余應(yīng)力，在沖壓件上產(chǎn)生裂紋，沖壓之后，零件產(chǎn)生翹曲。為了消除應(yīng)力，零件于沖壓后應(yīng)進(jìn)行退火處理。冷變形后發(fā)生急劇硬化，因而需要增加中間退火次數(shù)。對(duì)于缺口、缺陷以及變

35、形速度敏感性大，給沖壓成形帶來不利影響。,43,為了克服鈦合金在室溫下成形的困難，改善鈦及鈦合金的沖壓性能，往往不得不采用加熱成形方法。隨著鈦板應(yīng)用的擴(kuò)大，熱成形與熱校形技術(shù)也得到發(fā)展。此外，某些具有超塑性特性的鈦板，還可以利用超塑性原理進(jìn)行加工。 綜合鈦的各種有關(guān)特性，可以簡(jiǎn)要地歸納成以下幾點(diǎn)：比重小，強(qiáng)度大，比強(qiáng)度高；能耐多種介質(zhì)的腐蝕，特別是對(duì)海水的抗蝕性能突出；在高溫下化學(xué)性能活潑，易受污染；屈強(qiáng)比高，塑性

36、變形區(qū)小，常溫下加工困難；彈性模量低，回彈大；延性較低；對(duì)切口、劃傷以及其它表面缺陷敏感，易產(chǎn)生裂紋、擦傷，容易粘接；熱傳導(dǎo)率??；細(xì)小粒子容易著火。,44,第6章 鈦合金鈑金零件的成形 在飛機(jī)各種結(jié)構(gòu)件中，鈑金件占65~70%，其中鈦合金的應(yīng)用越來越多。用板材成形制作的零件有各種蒙皮、包括整流包皮和整流罩在內(nèi)的復(fù)雜形狀零件、帶孔或下陷的直線和曲線型板制零件、帶翻邊及波紋槽的平面零件等。 零件的可成形性在很

37、大的程度上取決于合金的工藝性。所謂工藝性是指合金材料及由這種合金制作的結(jié)構(gòu)的綜合性能，它能采用最完善的工藝，在材料消耗最少、時(shí)間最短的條件下保證較高的質(zhì)量。,45,6.0 鈦板的基本力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù),46,鈦合金的 比值,,,脆性,,鈦合金的 E/,,,回彈量大，手工修整極其困難,n值大,,材料均勻變形的能力強(qiáng),值大,,表明在同樣受力條件下，板料厚度方向上的變形能力低，減少起皺，有利于拉延進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量提高。,,

38、47,6.1 鈦板的成形特性 要制作一個(gè)形狀復(fù)雜的優(yōu)質(zhì)鈑金件，需要涉及板材許多方面的性質(zhì)。從一塊平板變成復(fù)雜形狀的零件，反映出材料的變形性（塑性變形的可能與程度）、穩(wěn)定性（變形過程是否起皺或頸縮）、抗磨損性（板料與模具接觸磨擦損傷的程度）、回彈（工件從模具中取出后的精度或貼模程度）等諸多特性。現(xiàn)簡(jiǎn)述如下：,48,1. 變形性 常用的變形性指標(biāo)是單向拉伸時(shí)的相對(duì)延伸率δ和拉斷時(shí)的斷面收縮率ψ。δ指的是在一

39、定長(zhǎng)度上的相對(duì)變形。拉伸斷裂時(shí)包括整個(gè)長(zhǎng)度上的均勻變形和局部細(xì)頸區(qū)的集中變形，把延伸率細(xì)分為出現(xiàn)細(xì)頸前的均勻延伸率和細(xì)頸區(qū)的局部延伸率，對(duì)使用來說更方便。前者與試樣長(zhǎng)度無關(guān)，后者則代表局部達(dá)到破裂時(shí)的變形程度。,塑性變形可達(dá)到的程度歸結(jié)起來可表達(dá)為應(yīng)變速度、溫度與應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)。即 Deform=f(V,T,S),49,2. 穩(wěn)定性 沖壓成形時(shí)的穩(wěn)定性有兩種類型。 一為受拉時(shí)，比如拉彎或拉型的穩(wěn)

40、定性，這主要取決于材料的均勻延伸率 或n值，而厚向異性指數(shù) 的影響則很小。 另一個(gè)是受壓時(shí)的穩(wěn)定性。為建立評(píng)判方法，選用相同尺寸與厚度尺寸的長(zhǎng)板條，在兩端同樣鉸支下，沿長(zhǎng)度受壓，并使應(yīng)力剛好達(dá)到塑性狀態(tài)，這時(shí)板條的長(zhǎng)度L與厚度t之比就代表該材料在成形時(shí)的相對(duì)穩(wěn)定性，或叫抗皺能力。其值越大越穩(wěn)定。,50,3. 抗磨損性 鈦和鈦合金的抗磨損性很低，因?yàn)殁伜推渌饘僭诨瑒?dòng)接觸狀態(tài)下，很容易“焊接”在一起。即使當(dāng)正壓

41、力和相對(duì)滑動(dòng)都很小，部分表面也會(huì)粘??；如果強(qiáng)行將其拆開，就會(huì)嚴(yán)重地破壞表面光潔度。正因?yàn)檫@樣，鈦材不宜制作螺紋和齒輪。顯而易見，在鈦板沖壓成形時(shí)就必須采取表面保護(hù)及減磨措施，以便盡量避免零件的擦傷和模具的損壞。,,,,,鈦合金零件,其他金屬零件,,粘著點(diǎn),51,4. 回彈 眾所周知，要使板料成形，必須要施加一個(gè)超過它屈服點(diǎn)的應(yīng)力，使其產(chǎn)生塑性變形，并迫使它與模具貼合。但從模具中將零件中取出后，因?yàn)閼?yīng)力釋放就會(huì)發(fā)生與原來變形方向

42、相反的所謂回彈變形。它使零件的角度、半徑和深度等與模具產(chǎn)生顯著的偏差，這是鈦成形的主要困難之一。究其原因，則是彈性變形引起的。所以，用剛剛產(chǎn)生塑性變形的應(yīng)變作為回彈的指標(biāo)，即,其值越大，成形精度越低。,52,,6.2 鈦板的冷成形 鈦板在室溫下的成形稱為鈦板的冷成形。 在飛機(jī)制造中冷成形是鋁合金、黑色金屬（鋼）的鈑金件常規(guī)的生產(chǎn)方法，在常用的沖壓成形設(shè)備上進(jìn)行。由于冷成形不涉及加熱問題，方法比較成熟，技術(shù)難點(diǎn)

43、較少。鈦和鈦合金板材零件在可以采用冷成形方法生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)盡量采用。 雖然總的來說鈦合金的冷成形較差，但一些塑性較好的鈦合金（如TA2、TC1等），在一定程度上仍可采用冷成形。如平緩的雙曲度蒙皮可在常溫下用蒙皮拉形機(jī)成形；如果彎曲半徑較大，直線型材可在室溫下壓彎成形；壓制形狀簡(jiǎn)單且彎曲半徑較大的彎曲件；成形簡(jiǎn)單的拉深件等。,53,,LOIRE FET 600T_4000/4200數(shù)控蒙皮拉形機(jī),54,,美國(guó)L＆F公司 A-7B數(shù)

44、控型材拉彎?rùn)C(jī),55,鈦板較高的厚向異性指數(shù) 值，在拉深成形時(shí)，受拉區(qū)材料的承載能力相對(duì)較強(qiáng)，彌補(bǔ)了屈服極限接近強(qiáng)度極限的缺陷，便板料的冷拉伸性能得到了改善。 根據(jù)試驗(yàn)作出的統(tǒng)計(jì)方程，極限拉伸系數(shù)K與 的關(guān)系為：K=1.86+0.307 ±0.002從該式可看出， 值大的材料有較高的K值。實(shí)踐也證實(shí)了鈦合金筒形件的拉深性能并不比LY12M、30CrMnSi和1Cr18Ni9Ti等材料遜色。如TC1

45、M，K值可達(dá)1.77，而TA2M，K值可達(dá)2.36。若分二次拉伸，中間退火以消除冷作硬化及內(nèi)部殘余應(yīng)力，可進(jìn)一步提高K值，如TC1的K值由1.77可提高到1.93。 冷成形后往往彈性回彈量大，并引起材料冷作硬化。為消除殘余應(yīng)力，改善材料性能，必須進(jìn)行退火。國(guó)內(nèi)有的工廠對(duì)TC1零件最終退火規(guī)范定為：540±10℃，10min。,56,鑒于冷成形具有工藝簡(jiǎn)單，可在常規(guī)的鋁合金沖壓成形設(shè)備（沖床、液壓機(jī)、蒙皮拉形機(jī)、滾