鈦與鈦合金沖壓成形研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)——濰坊創(chuàng)一科技

時間：2020-04-28作者：濰坊創(chuàng)一新材料科技有限公司瀏覽：306

鈦是在地殼中分布較廣的元素之一，約占地殼總重量的0.6%。在金屬中僅次于鋁、鐵、鎂，居*四位。鈦與鈦合金具有以下優(yōu)良特性：比強(qiáng)度高，與一般的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和高溫合金相當(dāng)，但是其密度只有鋼的57%左右；耐腐蝕性強(qiáng)，鈦是一種化學(xué)活性很高的金屬，在常溫下金屬表面容易形成一層穩(wěn)定性高、附著力強(qiáng)的氧化物或氮化物組成的鈍化膜；低溫性能好，在低溫和**低溫的條件下，能夠保持高強(qiáng)度的同時，仍然具有足夠的低溫韌性和延展性；生物相容性好，彈性模量低，無磁性，無毒性等。鈦與鈦合金具有以上諸多特點(diǎn)，沖壓成形件廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋和生物醫(yī)療等領(lǐng)域。本文綜述了鈦與鈦合金沖壓成形的研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，以期為鈦與鈦合金的沖壓成形工藝研究和應(yīng)用推廣提供參考。
不同類型鈦合金的沖壓成形能力
按照亞穩(wěn)狀態(tài)下的相組織和β穩(wěn)定元素含量對鈦合金進(jìn)行分類，鈦合金分為α型、α+β型和β型三大類。
α型鈦合金通常室溫下只含有α相，α相屬于密排六方（HCP）結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)決定了其在室溫變形的特點(diǎn)，與體心立方結(jié)構(gòu)不同，密排六方結(jié)構(gòu)滑移系較少，而且隨著c軸與a軸比值而變化。純鈦的c/a為1.578，主滑移系為pagenumber_ebook=8,pagenumber_book=16，為柱面滑移，此外還有pagenumber_ebook=8,pagenumber_book=16，pagenumber_ebook=8,pagenumber_book=16滑移系，在這些滑移系中完全獨(dú)立的滑移系只有4個，達(dá)不到米塞斯條件所要求的塑性變形必須的5個滑移系。但是，由于塑性變形過程中，孿晶{1122}、{1121}和pagenumber_ebook=8,pagenumber_book=16的作用，導(dǎo)致α型鈦合金的變形能力較強(qiáng)，因此，α型鈦合金適合室溫沖壓成形，這類鈦合金包括TA1，TA2，TA3等。
α+β型鈦合金，退火組織為α+β相（初生α相+殘余β相），β相含量一般為5%～40%。α+β型鈦合金中同時加入了α穩(wěn)定元素和β穩(wěn)定元素，使α相和β相都得到強(qiáng)化。雖然β相屬于體心立方結(jié)構(gòu)，室溫變形過程中可以開動的滑移系較多，但是由于初生α相是在兩相區(qū)較大變形后經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚慝@得的，它與殘余β相之間的Burgers位向關(guān)系已經(jīng)被破壞，此時的初生α相和殘余β相屬于非共格關(guān)系，初生α相和殘余β相中的滑移系取向隨機(jī)分配；此外，由于初生α相和殘余β相的界面（α/β）兩側(cè)晶格參數(shù)差異較大，界面能較高，變形過程中協(xié)調(diào)性較差，因此α+β型鈦合金的室溫強(qiáng)度較高。主要適用于航空航天結(jié)構(gòu)件等，不適合在室溫下沖壓成形。常用的α+β型鈦合金包括TC4、TC6、TC11和TC21等。
β型鈦合金通常包含亞穩(wěn)定β型鈦合金和穩(wěn)定β型鈦合金。由于穩(wěn)定β型鈦合金比重較大、熔煉比較困難，變形抗力大等，目前該類鈦合金應(yīng)用較少。亞穩(wěn)定β型鈦合金，含有**臨界濃度的β穩(wěn)定元素，采用空冷或水淬，幾乎可以全部得到亞穩(wěn)定β相。亞穩(wěn)定β相屬于體心立方結(jié)構(gòu)（BCC），亞穩(wěn)定β相滑移方向?yàn)?111>，可能出現(xiàn)的滑移面有{110}、{112}、{123}，如果三組滑移面都能啟動，則潛在的滑移系數(shù)目有48個，其中{110}<111>滑移系12個；{112}<111>滑移系12個，{123}<11l>滑移系24個。因此，亞穩(wěn)定β型鈦合金在退火或固溶狀態(tài)具有非常好的工藝塑性和冷成形性。這類合金主要包括TB2、TB3、TB5和TB8等，它們通常具有優(yōu)良的冷軋和冷成形性，可在室溫下成形中等復(fù)雜的鈑金零件，并可冷鐓鉚釘和螺栓。
綜上所述，α型鈦合金可以通過孿晶協(xié)調(diào)變形，亞穩(wěn)定β型鈦合金β相屬于體心立方結(jié)構(gòu)，可開動的滑移系較多，它們是良好的沖壓成形材料。
影響鈦與鈦合金沖壓成形的因素
影響鈦與鈦合金沖壓成形的因素，除了沖壓材料本身微觀晶體結(jié)構(gòu)外，還包括材料的宏觀力學(xué)性能、成形模具和沖壓成形工藝參數(shù)等。
鈦與鈦合金力學(xué)性能的影響
影響鈦與鈦合金沖壓成形的力學(xué)性能主要包括材料的屈強(qiáng)比（Rp/Rm）、延伸率（A）和杯突指數(shù)（IE）等，具體力學(xué)性能如表1所示。
沖壓成形模具的影響
由于鈦與鈦合金的彈性模量小，彎曲能力較差，因此，成形模具凸模和凹模的圓角半徑對鈦與鈦合金材料的沖壓成形有很大影響。通常凸模圓角半徑≥(4～8)t（t為板材厚度）或者較大，才能避免沖壓過程中材料開裂現(xiàn)象。增大凹模圓角半徑有利于材料的沖壓成形，但不能過大，過大會造成沖壓材料較早脫離壓邊圈，導(dǎo)致起皺現(xiàn)象提前發(fā)生，但凹模圓角半徑也不能過小，過小會造成拉裂現(xiàn)象。此外，凸、凹模間隙對沖壓力、工具磨損、切口表面質(zhì)量以及零件精度會產(chǎn)生很大影響，所以必須合理設(shè)置凸、凹模間隙，凸、凹模間隙通常按以下公式進(jìn)行計(jì)算：Z=(0.03～0.05)t，其中t為板材厚度（mm），由于鈦與鈦合金的回彈大，為了減小回彈，一般凸、凹模間隙值取下限值。
沖壓成形工藝參數(shù)的影響
壓邊間隙、壓邊力、沖壓速率和沖壓溫度對鈦與鈦合金材料沖壓成形也有很大的影響。大量研究表明，通常鈦與鈦合金材料沖壓成形壓邊間隙為板料厚度的1～1.2倍時，沖壓成形過程中不會發(fā)生板材拉裂和起皺現(xiàn)象；壓邊力過小或者過大，都會造成沖壓材料起皺和破裂；沖壓速率不宜過高，沖壓速率過高，會造成位錯在晶界和相界等缺陷處快速塞積和纏結(jié)，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，此外，也增大了變形的不均勻性，導(dǎo)致塑性變形難以進(jìn)行，材料發(fā)生破裂。因此，沖壓速率通常不宜**過0.25mm/s。與熱沖壓相比，冷沖壓可以降低鈦與鈦合金產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。但是，由于大部分鈦與鈦合金室溫變形抗力較大，不適合室溫沖壓，熱沖壓過程中，原子和位錯運(yùn)動速度加快，沖壓材料塑性明顯提高，開裂傾向減小，同時由于高溫下的熱作用，消除了材料變形時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，減小了回彈量，提高了零件的成形精度，幫助熱成形技術(shù)在鈦與鈦合金上得到了廣泛的應(yīng)用。國外航空航天領(lǐng)域中，鈦與鈦合金沖壓成形件絕大多數(shù)采用熱沖壓成形技術(shù)。
綜上所述，除了鈦與鈦合金材料的微觀晶體結(jié)構(gòu)外，沖壓材料的宏觀力學(xué)性能（屈強(qiáng)比、延伸率、彈性模量、加工硬化指數(shù)、杯突指數(shù)等）對沖壓成形有很大的影響，屈強(qiáng)比Rp/Rm越小，延伸率A和杯突指數(shù)IE越大，鈦與鈦合金材料的沖壓成形性能越好；選擇合適的凸模和凹模的圓角半徑、壓邊間隙、壓邊力、沖壓速率和沖壓溫度有助于沖壓工序順利完成。熱沖壓有助于提高沖壓材料的塑性變形能力，消除材料變形時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，避免材料沖壓過程中破裂或起皺，提高沖壓零件成形精度。
鈦與鈦合金沖壓成形工件的應(yīng)用現(xiàn)狀
鈦與鈦合金具有比強(qiáng)度高，耐腐蝕性好和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)。鈦與鈦合金沖壓成形工件的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，不僅應(yīng)用于航空航天、海洋和生物醫(yī)療等，民用鈦合金的比重也在逐漸增大。
航空航天領(lǐng)域
鈦與鈦合金在航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛。鈦與鈦合金的沖壓成形工件主要用于航空航天器緊固件、液壓管、發(fā)動機(jī)機(jī)匣外殼、內(nèi)外整流罩、導(dǎo)向器內(nèi)環(huán)、壓氣機(jī)集氣室和燃料儲存裝置等。
海洋領(lǐng)域
鈦以其輕質(zhì)、高比強(qiáng)、高比剛、高耐蝕、無磁性等優(yōu)異性能被稱為“海洋金屬”，是海**程較有前途的金屬材料，被**廣泛應(yīng)用于水面艦船、水下潛艇、深潛器、水中兵器和通訊設(shè)備等領(lǐng)域。
鈦與鈦合金以其優(yōu)異的綜合性能成為載人艙球殼的較佳材料，歐美等發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)60年代開始采用鈦合金制造深潛器載人艙球殼。為提高載人艙球殼的安全可靠性和結(jié)構(gòu)效益，載人艙球殼大多采用半球殼整體沖壓成形工藝，如法國的6000m“鸚鵡螺號”、日本的“深海6500”及美國的“新阿爾文號”載人深潛器。而俄羅斯的“和平號”載人艙球殼采用瓜瓣焊接方式制備。與瓜瓣焊接球殼相比，整體沖壓成形半球殼的焊縫明顯減少，均勻性、一致性相對較好，疲勞壽命也會大幅提高。我國深潛器載人艙球殼研究起步相對較晚，2015年5月，我國一個4500m載人潛水器載人球殼在中國船舶重工集團(tuán)公司*七二五研究所出廠，該球殼采用近α型鈦合金制造，先將鈦合金厚板分瓣沖壓成形，再進(jìn)行組裝并焊接成球，球殼直徑為2.1m，是我國**利用沖壓成形技術(shù)成功制造的大規(guī)格鈦合金半球殼。
日常生活領(lǐng)域
隨著鈦與鈦合金沖壓成形技術(shù)的不斷提高，以及低成本鈦合金的開發(fā)，鈦與鈦合金沖壓制品在日常生活領(lǐng)域中也得到了廣泛的應(yīng)用。1953年日本光學(xué)工業(yè)公司將鈦合金沖壓成形件成功應(yīng)用于尼康F相機(jī)焦點(diǎn)快門的金屬簾；1990年推出首架全鈦外殼照相機(jī)；京陶的G1（1994年）和G2（1996年）、富士的APS（1997年）照相機(jī)上都采用了鈦合金沖壓成形件外殼；富士通公司于1999年推出了鈦合金外殼的筆記本電腦INTERTOP CX300；部分手表外殼、手機(jī)外殼、筆筒和水杯等也利用鈦合金取代了傳統(tǒng)材料。此外，西北有色金屬研究院通過沖壓成形技術(shù)研發(fā)出一款重量輕、抗腐蝕性能好、無毒的純鈦鍋，已經(jīng)進(jìn)入了很多消費(fèi)者的廚房。
其他領(lǐng)域
除了航空航天、海洋和日常生活領(lǐng)域外，鈦與鈦合金沖壓件也應(yīng)用到了生物醫(yī)療和***等領(lǐng)域。由于鈦與鈦合金有很好的生物相容性，因此，通常被用于心臟起搏器、腦刺激器、嵴髓刺激器、迷走神經(jīng)刺激器等植入式有源醫(yī)療器械的外殼。此外，*領(lǐng)域方面，我國某100mm迫擊炮座板是通過TA7鈦合金板整體沖壓成形得到的，西北有色金屬研究院研制的鈦合金頭盔也是通過沖壓成形制成的。
結(jié)束語
鈦與鈦合金具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，鈦與鈦合金沖壓成形工件廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋、生物醫(yī)療和*等領(lǐng)域。此外，由于生產(chǎn)工藝的改善和低成本鈦合金的開發(fā)，鈦與鈦合金沖壓制品也逐漸走進(jìn)了人們的日常生活中。因此，怎樣改善鈦與鈦合金沖壓成形性能，提高沖壓制品的成形精度，降低研發(fā)和生產(chǎn)成本，是推動鈦與鈦合金沖壓成形技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵所在，我國科研人員應(yīng)該從以下幾個方面展開工作：
⑴使用有限元仿真模擬技術(shù)，對鈦與鈦合金材料成形進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，建立沖壓成形數(shù)據(jù)庫，預(yù)測材料成形過程中的破裂、起皺、減薄和回彈，評估成形質(zhì)量，及早解決沖壓過程中的問題，確定合適的工藝參數(shù)，縮短研發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本；
⑵冷沖壓成形過程難以實(shí)現(xiàn)時，采用熱沖壓技術(shù)，現(xiàn)階段熱沖壓技術(shù)主要采用恒溫加熱。由于沖壓過程中沖壓材料不同部位的變形程度往往不同，因此，可以根據(jù)沖壓材料不同部位變形量的需求采用變溫加熱，從而提高沖壓成形工件的尺寸精度，解決復(fù)雜沖壓工件的生產(chǎn)難點(diǎn)；
⑶與傳統(tǒng)材料相比，鈦與鈦合金具有諸多優(yōu)勢，需要加大低成本鈦合金的研發(fā)和沖壓制品的推廣應(yīng)用。


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• 詞條

  詞條說明

• 鈦及鈦合金材料在石油化工中的應(yīng)用

  在石油化工企業(yè)中鈦換熱器、冷凝器及有關(guān)輔助設(shè)備已經(jīng)成功地使用了20多年。鈦材中較常用工業(yè)純鈦(以TA2使用較廣泛)，Ti-6Al—4V(在需要一定強(qiáng)度時)和Ti-0．8Ni—0．3Mo(存在縫隙時或在非氧化性介質(zhì)中)。 (1)在含硫和含鹽高的原油煉制中，鈦制設(shè)備是比較理想的。國外在常壓蒸餾裝置、污水處理設(shè)備、脫硫分離塔的冷凝器和汽提塔的散熱器等許多工序都成功選用鈦制設(shè)備多年。我國也已在該系統(tǒng)中采

• 鈦三通的制作過程以及用途

  鈦三通的制作過程是很復(fù)雜的，下面蘇州得霖管件有限公司為你介紹關(guān)于鈦三通的制作和用途。 （１）下料：首先根據(jù)欲制三通的主管及支管長度，按照兩個長度的總和截取一段鈦管； （２）灌注填料：把事先準(zhǔn)備好的膏狀填料灌注到鈦管中，并確保填料與鈦管之間沒有空隙，充滿整支鈦管； （３）固定鈦管：首先把兩個椎體模具放到油壓機(jī)上，然后把鈦管固定到椎體模具正中，椎體模具兩端高出鈦管兩端各一段；然后把兩個模椎體具合并好，

• 鈦盤管的特性

  鈦合金鈦盤管的強(qiáng)度比優(yōu)良鋼高，鈦合金有好的耐熱強(qiáng)度、低溫韌性和斷裂韌性，鈦設(shè)備多用作飛機(jī)等部件和火箭、導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)件及鈦設(shè)置裝備。 鈦金銀亮，輕盈，堅(jiān)牢，有相當(dāng)好的耐侵蝕機(jī)能，鈦金材質(zhì)建造出來的金屬不會變形，不會褪色，很輕易保養(yǎng)，只要用棉布輕輕一擦，就會恢復(fù)光澤，而且操作時間越長亮度越好。 鈦具有穩(wěn)定的化學(xué)特性和良好的生物相容性。在人體里，它能抵御滲出物的侵蝕，對人們身體沒有損害，符合任意消菌方法。

• 鈦設(shè)備作用分析：鈦與氣體反應(yīng)可產(chǎn)生妙用

  鈦設(shè)備作用分析：鈦與氣體反應(yīng)可產(chǎn)生妙用日期：2017/8/23人氣：3026 鈦設(shè)備對液體和固體產(chǎn)生不了反應(yīng)，結(jié)合不了，王水也奈何不了它，然而，鈦對氣體卻十分投緣，喜歡跟氮、氧、氫、二氧化碳、水蒸氣、甲烷等許多氣體相結(jié)合。鈦的這個特性能產(chǎn)生妙用，為我們所用。 想必大家都欣賞過節(jié)日夜晚五光十色的焰火吧？這里就有鈦的一份功勞！當(dāng)鈦粉和氧氣迅速結(jié)合而燃燒的時候，能夠產(chǎn)生強(qiáng)烈的高溫和光輝。焰火不但可以在