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航空钛合金的钣金工艺刘文10号飞机0902班摘要：介绍航空钛及钛合金，重点对钛及钛合金的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钛及钛合金的发展及特性1-1钛及钛合金的发展：钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到锨合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75％～85％。其他许多钛合金都可以看做是Ti-6Al-4V合金的改型。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，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进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。A2(Ti3Al)和r（TiAl）基合金的出现，使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端（风扇和压气机）向发动机的热端（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，并在工程上获得日益广泛的应用。目前，世界上已研制出的钛合金有数百种，最著名的合金有20～30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]。钛合金可以分为α、α+β、β型合金及钛铝金属间化合物（TixAl，此处x=1）四类。1-2，钛的一般特性：(1)比强度高钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60％，纯钛的强度才接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。(2)热强度高使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450～500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃～500℃范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150℃时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500℃，铝合金则在200℃以下。(3)抗蚀性好钛合金在潮湿的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、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。(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,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。(5)化学活性大钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2％时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与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的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1～0.15mm，硬化程度为20％～30％。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。(6)导热系数小、弹性模量小钛的导热系数λ=15.24W/（m.K）约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50％。钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的2～3倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。1-3．钛的物理性质：物理性质状态：纯钛为有光泽的白色金属，强度是钢的两倍，比刚轻45％，比铝重60％。熔点(℃):1660°沸点(℃):3287比热/J/gK:0.52蒸发热/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.钛和钛合金的钣金成形2-1冷成形钛合金选择冷成形工艺方法，一般是形状简单，变形率小的零件。在室温下用落锤成形小变形率零件，与不锈钢类似，为了获得满意的结果，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的回弹。退火钛合金的回弹比固溶处理或固溶与时效处理的钛合金来得小。回弹的计算和模具半径的确定可以参考图3-15-7和图3-15-8.冷态弯出的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。某些钛合金零件可以在室温压延。与一般金属压延所不同的是需要大吨位的压床，以采用液压慢速双动压床为宜。它的成形速度要低，应低于0.25米每秒。模具表面硬度要达到hrc＞60.凸模圆角半径应大于材料厚度的4到8倍。凹模圆角半径为材料厚度的5到10倍，一般不超过厚度的15倍，凹凸模之间间隙1.25到1.30倍料厚。图8；列出几种钛合金的拉伸数据。图3-15-8退火和固溶处理的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的成形极限数据。从表中数据可以看出毛料直径与料厚的比值较小对成形有利，对于厚度小于0.5毫米的钛板进行需加热旋压。对于锥形件旋薄，在常温下的减薄率应小于50%，若超过50%需加热旋薄。橡皮成形一般在室温下进行。在室温下橡皮成形的零件需经校正回弹，钛合金橡皮成形需要高的橡皮单位压力，目前已经发展到1000kg每平方厘米，液压机的总吨位达到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与轧制方向一致，以提高拉伸变形程度。为了提高模具寿命，可以在常用的拉型模上包覆一层薄的不锈钢板。现代飞机结构中，常有许多钛板制成的各种型材，通常可以采用室温下滚弯成形。钛合金的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，特别是零件形状比较复杂的更是难以成行，因此，常用加热成形方法，钛合金加热成形能使零件贴模，基本消除手工校正量。但是也带来许多问题：如工装，设备和工艺问题。而其中主要是加热的设备和装置，耐高温模具，高温下的润滑和防止污染等问题。常用的加热方式有3种：一是利用常规的冷成型设备和模具，对零件进行加热；二是利用常规成形设备，对模具进行加热；三是采用专业的加热压床或装置。2-2-1．加热零件成形法这种方法是加热成形种最简单，最方便的方法。其特点是可以利用一般冷成型的冲压设备和工艺装备，另外添加一套加热零件的装置，其加热零件的方法有以下几种：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表示辐射加热成形的方法2-2-1-2．电阻加热法利用钛板自身有较高的电阻率，通电后使其自身加热。能在十几秒或几十秒内，将钛板加热到近千度。这种方法主要用于落压，拉弯上，也可用于拉型和冲压上。需要电源变压器。这种加热方法的特点是加热快，成形快。图3-15-10是在拉弯时加热的示意图。2-2-1-3．火焰加热法在冷压加工中，对于难成形的局部采用火焰局部加热，或落压中火焰加热全部板件。这种方法也是一种简易方法。在冷成型的工装设备基础上只需要附加一套简易的加热装置即可。图3-15-11所示为落压和旋压成形中采用的火焰加热法。其热源可用燃气，煤气，乙炔焰和其他可燃气体。这种方法的主要问题是比前两种方法有更大的氧化和污染问题，受热不均。2-2-1-4.感应加热法这是一种利用感应高频电源感应加热的方法，其原理见图3-15-15.加热速度快，但是由于设备的局限只适用于小型旋转体零件。2-2-1-5．炉内加热法各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，取出后迅速送到模具上成形。由于毛料散热，故适用于冲压和落压成型。以上几种方法的特点是加热速度快，快速成形，因无蠕变过程，故成形后的零件仍然有少量回弹，还需要进行热校形和手工校正。另外，以上各种加热方法的成形温度还没有好的测定方法。其次，板件容易氧化和污染。但是它的优点是采用常用设备和模具，不要耐热的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，达到一定温度时压制成形。成形过程中，能保持一定的压力和温度，零件变形有蠕变过程。因此，容易贴模，温度也容易控制，由于需要一定的压力，一定的时间，因此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.其他加热成形法图3-15-16所示的为一种简易的爆炸方式，它是利用高温固体（热砂等）加热毛料和模具的。3.总结3.总结钛和钛合金作为一种较为新的金属材料，其钣金工艺成熟度比钢铁，铝合金等其他常用金属差很多。主要表现在加工工艺和成型设备上的不成熟，但由于钛和钛合金具有很多其他金属不具备的优点，使其钣金技术和钣金设备具有很高的研究价值。4.参考文献1.《飞机钣金零件制造工艺学》南京航空学院，1979.102.《航空材料与热处理》刘劲松3.百度百科baike.baidu.com4.百度知道zhidao.baidu.com5.《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