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航空发动机钛合金板材热成形加工技术 陈淳 陆辰 张东升 （西安航空发动机（集团）有限公司 冲压焊接厂，陕西） 钛及钛合金板作为结构材料有很多优点，它具有强度大，比强度高，能耐多种介质的腐蚀的性能，钛的密度不到铁的60%，仅为4.5g/cm3。钛合金抗拉强度却与高强钢相近，σb可达1470MPa，即比强度（强度/密度）大。比强度是评价航空及航天工业用材料的一个重要指标。 目前钛合金被广泛应用于航空发动机制造领域中。航空发动机用钛合金主要驱动如下：①减重（替代钢和镍基超合金）；②使用温度（可替代铝合金、钢和镍基超合金）；③抗蚀性（可替代铝合金和低合金钢）。 但钛及钛合金也存在不足。由于其拉伸强度和屈服强度比较接近，即屈服极限对强度极限的比值大，延伸率低，因而塑性变形区范围窄，稍有塑性变形便达到强度极限，发生破坏。此外钛的弹性模量小，回弹性大，钛板冷成形时硬化比较严重，摩擦系数大，与其它金属的亲和力强，成形中容易粘模、滑伤，其特点给冷成形带来了极大困难。 1、钛合金材料成形性能分析 纯钛的塑性高，但强度低，因而限制了它在工业上的应用。为了获得要求的性能，在钛中添加不同的合金元素，得到各种不同牌号的钛合金。 工业纯钛TA1、TA2、TA3的钛的弹性模量小，回弹性大，对压力加工特别是冷冲成形很不利。多以钛板制造350℃以下工作零件，如飞机蒙皮和隔热板等。 钛合金TB1（Ti-3AI-8MO-11Cr）等β合金，可以强化到非常高的强度水平。这类合金的缺点是对杂元素敏感性高，组织不够稳定，不宜在高温下使用，另外，其冶金工艺也较一般合金复杂。 良好，可以强化到较高的强度水平，约占和航空工业中使用的钛合金石70%以上。 2、热成形加工工艺 为了改善材料的成形性能，一般在加工过程中要退火，以消除冷作硬化和应力。常常采用加热成形工艺以减少回弹，提高贴模效果。因为在一定的高温下状态下（≥550℃），屈强比及都减少了，延伸率显著增加，可进行钛合金板成形。 2．1电阻加热成形 电阻加热就是利用钛及其合金板本身具有高电阻的特性，采用低电压大电流在钛板上直接通电。具体是在钛合金板两端，各焊接上一段不同于钛合金的金属工艺材料板片，然后在两端工艺板上接通电源，由于金属工艺板片与钛合金导电率不同而产生的电阻使钛板在几十秒内加热到成形温度，然后立即在常规的 冲床等设备上用模具冲压成形。 2．1．1电阻加热成形不需要复杂特殊成形设备，工艺装备制造简单，制造周期短，可在常规的冲床、液压机或落锤等设备上用模具进行压制成形，需要增加的设备较简单，只要配备一台低电压装置作为加热源和一套夹持工件两端以便接通电电源的夹头即可。 2．1．2电阻加热成形一般主要工序如下：下料→焊接工艺板片→电阻加热预成形→除去工艺板片→电炉加热校形→热处理→机械加工→酸洗→裂检→终检。 2．1．3电阻加热成形主要需解决如下问题： A）设计性能可靠的电极夹头。为使钛板均匀加热，电极夹头须与钛板接触良好、压力均匀且操作方便迅速。在生产中我们采用的机械坚固式铜制夹头使用效果不错。 B）毛坯要求。所用毛坯的几何形状有一定要求，矩形、特别是窄条形毛料比较适用，对于不规则断面有缺口或中间开口以及曲线外形，由于电流流经毛坯各断面上的电流密度不同，加热温度不均匀，可能会带来局部过热问题，应避免使用。 C）合适的模具间隙。模具间隙设计不当会使毛坯生产开裂，间隙最好稍微大于钛板厚度。此外，模具表面粗糙度也很重要，一般不低于0.8。 D）工艺参数的确定。需要试验确定合适的电压、电流及加热时间等工艺参数。 E）加热温度的测定。恰当的成形温度是保证零件质量的关键，但要在快速升温的条件下迅速测定温度和控制温度却很不容易。采用红外线测温仪测温准确，反映灵敏，现场使用效果较好。也可采用比色法。钛合金加热到不同温度，在空气中冷却后，就保留不同着色，制造了各种温度的标准温度比色试片，检验加热温度。此方法简捷可靠实用，但测温不太精确。 F）钛板的保护和润滑。钛合金在高温下易氧化、吸氢，并受铅锌模污染，变形区易划伤，容易在通电加热中会因操作不慎发生短路而烧伤零件。因此需要涂综合性能较好的润滑剂。成形前将润滑剂涂在钛板两面，干燥后即可使用。在加热时润滑剂随着材料的变形而流动，有效地保护钛板免于氧化的污染，并有良好的高温润滑作用和绝缘性，提高了零件的表面质量。 2.1.4适用范围及缺点。对于一些成形型面简单，要求不严的零件比较适用，尤其适用于试制和小批量生产，也可用于部分热校形件的预成形等。其缺点是：成形件贴模精度差，回弹大，质量不易保证，如用低熔点铅锌模在高温下模具易烧熔，模具寿命低。 2．2高温蠕变成形 高温蠕变成形工艺，即是利用钛及其合金板在高温下应力松弛条件下的蠕变过程，达到消除回弹的目的。通常是将钛板放入加热的模具内，采用