2014 年秋季学期研究生课程考核
（读书报告、研究报告）
考核科目 | :先进金属材料精密成形技术实践 |
学生所在院（系） | : 材料科学与工程 nfdm |
学生所在学科 | : 材料加工工程 |
学生姓名 | : 韩柯 |
学号 | : 14S109106 |
学生类别 | :应用型 |
考核结果 | | 阅卷人 | |
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1 钛合金的发展历程
英国化学家和矿物爱好者雷格尔（William Gregor）牧师于1789年在英格兰未纳金地区的黑磁铁矿砂中发现了一种新奇的物资。时隔六年之后的1795年德国化学家M H克劳普鲁斯（Martin Heinrich Klaproth）在矿物金红石中也发现了这样的物质，是一种新元素生成的氧化物。克劳普鲁斯把它比喻为古希腊的泰坦神（Titans）叫做钛（Titanium，化学元素符号为Ti）[1]。
一百多年以后，1910年纽约Troy区Rensselaer Ploytechnic Institute 的Matthew Albert Hunter 通过加热放在钢弹容器中的TiCl4和Na的混合物制取了金属钛。最终卢森堡化学家Wilhelm Justin Kroll 于1932年用TiCl4和Ca制取了大量的钛，他被称为钛工业之父。第二次世界大战初期，他到美国避难并在美国矿务局证明了用Ca取代镁作为还原剂还原TiCl4可以商业化地提炼钛。直到今日，该方法仍然是应用最广泛的工艺，被称为“Kroll工艺”[2]。第二世界大战后，钛合金很快成为航空发动机的关键材料。1948年杜邦公司首先开始商业化生产金属钛。中国钛研究和工业化生产起步并不晚，从1954年北京有金属研究总院开始研究，国家于1956年已把钛列入了科学技术发展十二年规划的第十六个项目。1958年在 抚顺铝厂实现了海绵钛的半工业化生产。1960年在沈阳有金属加工厂钛车间熔铸车间铸造出了钛锭并加工成钛材。到20世纪60年代中期实现了工业化，并建立了遵义钛厂和宝鸡有金属加工厂。直到今天，航空航天工业融入是钛及钛合金的主要应用领域，其他领域如建筑、医药、能源、海洋和近海、体育休闲以及交通运输等的应用需求也正日益增加。
2 钛合金的分类
目前，普遍公认的钛合金分类方法，仍然是五十年代初期提出的按照退火状态下的相组成进行分类的方法，将钛合金划分为α型、α+β型和β型。近三十年来，各种不同性能特点的钛合金越来越多，各种不同方式的热处理日益获得实际应用。随着钛合金研究与应用的迅速发展，现有钛合金分类方法的局限性也越加明显。
2.1 按亚稳定状态相组成进行钛合金分类
按照图1可以将钛合金划分为以下六种类型[3]：
(1)α型钛合金，包括工业纯钛和只含有α稳定元素的合金；
(2)近α型钛合金，β稳定元素含量小于C1的合金；
(3)马氏体α+β型钛合金，β稳定元素含量从C1到Ck的合金，这类合金可以简称为α+β型钛合金；
(4)近亚稳定β型钛合金，β稳定元素含量从Ck到C3的合金，这类合金可以简称为近β型钛合金；
(5)亚稳定β型钛合金，β稳定元素含量从C3到Cβ的合金，这类合金可以简称为β型钛合金；
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(6)稳定β型钛合金，β稳定元素含量超过Cβ的合金。
植兰2.2 β钛合金的分类[4]
不同种类的β稳定元素，对β相的稳定效果差别很大。所以又以合金钼当量为标准对各国研制的β钛合金进行了细致的分类。
当合金钼当量大于25%（质量分数，下同）时，合金是稳定β钛合金，稳定β型钛合金在室温具有稳定的β相组织，退火后为全β相，具有良好的耐腐蚀性、热强性、热稳定性，可焊接和冷成型，无热处理效应；当合金中钼当量在 13.8%∼25%时，这类合金是亚稳定β钛合金，β元素稳定系数Kβ为1.37∼2.38，电子浓度为4.18∼4.33，亚稳定β钛合金含有临界浓度以上的β稳定元素，从β相区固溶处理后急速冷却几乎全部为亚稳定β相；钼当量在8.5%∼10.8%的合金属于近β型钛合金，近β型钛合金前苏联也叫过渡型α+β钛合金，该类合金含有临界浓度附近的β稳定元素，β元素稳定系数Kβ为1.10∼1.21，合金兼有α+β 两相和亚稳定β相合金的性能特征[5]。值得注意的是，由于合金设计中对添加不同合金元素研究的侧重点不同，因而计算钼当量的表达式有一定的差别，当然这个分类标准会有差别，但差别不会太大。为了更清楚的对β钛合金进行区分，表 1 列出了常见β钛合金的类型、名称、成分及应用（[Mo]eq=1.0Mo+0.67V+0.44W+0.28Nb+0.22Ta+1.6Cr+2.9Fe…+1.0Al） [6~23]。
3 钛合金的典型组织
3.1 近α型及α+β型钛合金的组织
3.1.1 魏氏组织[24]
一般指钛及钛合金的铸态组织或钛合金变形开始温度和终了温度都在β相区、变形量又不是很大时(一般小于 50%)时，或将合金加热到β相后慢冷时都将得到魏氏组织。魏氏组织的特征是具有粗大的原始β晶粒，在原始β晶界上分布有清晰的晶界α，原β晶内为片状α束域，片状α间为β相，见图 1(a)。
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3.1.2 网篮组织
钛合金在β转变温度附近变形或在β相区开始变形，但在两相区终止变形，变形量为50%~80%"都将得到网篮组织。网篮组织的特征是原始β晶粒边界在变形过程中被破坏，不出现或仅出现少量分布的颗粒状晶界α，原始β晶粒内α片变短(即长宽比小)，α束域尺寸较小，各片丛交错排列，见图2(b)。
3.1.3 混合组织
钛合金在两相区上部温度变形，或在两相区变形后，在加热至两相区上部温度后空冷，可得到混合组织。混合组织的特征是在β转变基体上分布有互不相连的初生α颗粒，其数量小于 40%(有文献定义为 50%)。混合组织中α有两种形态：一种是初生等轴α颗粒；一种是
转变β基体上的次生条状α。大多数文献称为双态组织，但是由于上世纪九十年代在双态组织的基础上发展出了三态组织，所以称为混合组织更为恰当。其包括双态组织和三态组织。三态组织表达式（α等+α条+β转）组织，特征α等=10%~20%，α条=60%~70%，且混乱交织，见图2（c）。
3.1.4 等轴组织
钛合金在低于双态组织形成温度 (约低于β相变点 30~60℃)的两相区变形，一般可获得等轴组织。等轴组织的特征是均匀分布的，含量超过 40%的等轴初生α基体上存在一定数量的β组织。变形温度越低，初生α数量越多，其中位错密度越大，混合组织与等轴组织主要是以等轴初生α含量多少界定。有文献定义等轴初生α含量 50%以上的为等轴组织。但目前比较认可的是初生等轴α含量在40%以上，甚至高的到 70%~80%，初生等轴α的形态包括球形、椭圆、橄榄形、棒锤形、长条形。等轴组织=（α等+β转）=（α等+α魏+β残），β转基体中包括魏氏α及细条之间黑底为残余β，见图2（d）。
3.2 α型及β型钛及钛合金的组织
α型钛及钛合金典型组织为单一的α晶粒，见图2 (e)；β型钛合金典型组织为单一的β晶粒，见图2(f)[25-26]。
图2钛及钛合金的典型组织[24]
异体蛋白
3 钛合金的成型方法
3.1 钛及钛合金铸造成型[27]
钛工业生产初期采用非自耗真空电弧炉熔炼法对钛及钛合金进行熔炼，随着各种技术的发展，出现了不同熔炼钛及钛合金的新工艺，主要有以下3种：（1）非自耗真空电弧炉熔炼法（简称NC法）。钛工业起步阶段，采用非自耗真空电弧炉熔炼的电极主要是石墨电极或钨+钍合金电极，目前主要采用水冷铜电极进行熔炼，解决了工业污染问题，从而使非自耗真空电弧炉熔炼法成为钛及钛合金熔炼的重要方法之一。（2）真空自耗电弧炉熔炼法（简称VAR法）。目前作为工业中生产钛及钛合金铸锭的主要方法，真空自耗电弧炉熔炼法有其自身特点，即熔化速度高、能耗低以及铸锭质量优异的稳定性。该法的主要工作就是电极的制备，常见的方法有单块电极压制并焊成自耗电极法，采用按份加料连续压制的整体电极以及利用其他熔炼方法制备电极等。（3）冷床炉熔炼法（简称CHM法），冷床炉熔炼法包括电子束冷床炉熔炼法及等离子冷床炉熔炼法。电子束熔炼炉的工作原理是利用电子对水平传送过来的原料进行加热熔化，然后处于熔融状态的钛合金流向中部的精炼炉体，经过一定时间精炼，最后注入水冷铜坩埚凝固成铸锭。此外，电子束冷床炉可采用未压制的残料，回收料等作为原料，以提高生产效率，同时避免在熔炼过程中由外界引入杂质。 3.2 钛及钛合金锻造成型
钛及钛合金冷变形困难，因此，通常需要经过热加工方法变形成各种坯料和锻件。其中，钛合金的锻造加工是一种应用较普遍的方法。这是因为锻造不仅可以达到尺寸及形状与产品接近，还能改善钛合金组织，从而提高其性能。在钛合金的热加工中，加热温度极为重要。温度过低，钛合金的变形抗力大，且容易产生裂纹等缺陷；温度过高，组织容易粗化，因此，钛及钛合金的锻造温度范围较窄。钛合金锭的开锻模通常是在高于β相变温度下进行的。因为钛的β相属于体心立方，而体心立方结构具有较高的塑性，所以对锻造压力的要求一般也较低，但终锻一般在低于β相变温度下进行，这样可以防止β晶粒的长大和随之而来的塑性降低，应变速率的变化对α和α+β钛合金可锻性能的影响不大，因此，钛合金的锻造按其β转变温度可分为β+α锻造和β锻造。近年来又出现了近β锻造和等温锻造等新工艺。
3.3 钛合金超塑成型工艺[28]
所谓超塑性，就是某些具有超塑性的细晶粒金属，当加热到一定温度，就像熔融的玻璃那样软化，并具有极高的塑性，在很小的载荷作用下，就产生较大的变形。利用这一特点，在模具里对金属挤压或进行气动吹塑成型。超塑成型可以一次成形复杂的簿壁零部件，
其成型比(成型面积与原材料面积比)可达4；而且精度较高，工件在750 mm长度之内，公差为±0.1 %；工件圆角半径可小于0.025mm。产业界逐渐已把超塑成型技术作为解决复杂、大型或用常规成型方法难以加工的材料成型的一个重要途径。并把金属超塑性成型工艺称为21世纪的成型技术，特别是在航空航天领域里都在大力发展这种技术。因为这种技术能显著地降低构件成本、减轻质量、节约原材料和解决加工困难的问题。超塑性成型是钛合金零部件的最好成形方法，非常适用于制造导弹零部件，如钛合金导弹外壳、整流罩、容器、梁和框及钛球等。
3.4 粉末冶金成型
东北风摄影网 粉末冶金是一种由粉末直接成型，生产零部件的工艺方法。用该方法生产的钛及钛合金零部件成分无偏析、组织均匀、性能稳定优越。目前，传统的粉末压制-烧结成型工艺仍然占主导地位。而新的粉末冶金制造技术也在不断涌现，如（1）激光成型技术。截止目前已用该技术制造出了Ti -6Al -4V、Ti -5Al-215Sn、Ti -6Al-2Sn-4Zr-2Mo-011Si和Ti -6Al-2Sn-2Zr-2Cr-2Mo -0125Si合金零件。与传统的工艺相比，该工艺制造出的钛合金零件成本可降低15%~30%，而且性能介于铸造和锻造状态之间。这种工艺可用合金粉末一次成型形状复
杂的最终零件，无需继续加工，因此特别适合金属间化合物一类脆性合金的成型；金属粉末注射成型技术(MIM)是目前发展较快的一种近净成型粉末冶金技术，可制造高质量、高精度的复杂钛合金零件，然而钛合金的MIM技术刚刚起步，还存在诸多障碍。
3.3 钛合金的焊接成型
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