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小編帶大家來了解鈦及鈦合金鑄件的應(yīng)用領(lǐng)域

所屬分類:行業(yè)新聞    發(fā)布時(shí)間: 2023-02-02    作者:admin
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鈦及鈦合金具有密度低,比強(qiáng)度高,耐腐蝕,線脹系數(shù)小,生物相溶性好等優(yōu)異性能,在航空、航天、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸、化工、冶金、醫(yī)療衛(wèi)生等行業(yè)中都是不可缺少的結(jié)構(gòu)材料。工業(yè)上.初應(yīng)用的鈦及鈦合金制件都是變形件,隨著其用量的增多和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,變形反映出機(jī)械加工量大,材料利用率低,生產(chǎn)成本高等弊端,于是鑄造技術(shù)由此發(fā)展起來。鈦鑄造是比較經(jīng)濟(jì)且又容易實(shí)現(xiàn)的近成形工藝。鈦及鈦合金在熔融狀態(tài)下具有高化學(xué)活性,要與常用的各種耐火材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng),熔煉和鑄造成形難度很大,必須有其專用的造型材料和造型工藝以及專用的熔煉與鑄造設(shè)備。

鈦及鈦合金的鑄造

我國(guó)的鈦鑄造90% 以上熔煉與鑄造設(shè)備都采用真空自耗電極電弧凝殼爐加離心鑄造。坩堝采用水冷銅坩堝,鈦液的..澆注量為500 kg。

自耗電極電弧熔煉法是以鈦或鈦合金制成的自耗電極為陰極,以水冷銅坩堝為陽極;大電流熔煉,鈦電極的熔化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鈦的凝結(jié)速度,熔化了的電極以液滴形式進(jìn)入坩堝,形成熔池;熔池表面被電弧加熱,始終呈液態(tài),底部和坩堝接觸的四周受到循環(huán)水強(qiáng)制冷卻,產(chǎn)生自下而上的結(jié)晶。這種方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維持費(fèi)用低、大型化容易等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是澆注溫度難以調(diào)節(jié)和控制,一?;『?,金屬液必須在3~5秒內(nèi)全部從坩堝倒出,否則溫度急劇下降,金屬液過熱度不高,使得液體流動(dòng)性和補(bǔ)縮能力較差。自耗電極電弧熔煉對(duì)電極的質(zhì)量要求很高,要求電極內(nèi)部組織致密。熔煉過程中危險(xiǎn)性較大,稍微操作不慎將會(huì)出現(xiàn)電弧損壞坩堝,造成坩堝外壁強(qiáng)制冷卻的循環(huán)水進(jìn)入坩堝,污染鈦液,水蒸氣損壞真空泵系統(tǒng)。

鈦合金鑄造的造型工藝主要有金屬型、機(jī)加工石墨型、金屬面層陶瓷型殼、氧化物陶瓷型殼。

金屬型在鈦合金鑄造領(lǐng)域中,用作鑄型的金屬材料主要有銅、鋼、鑄鐵、鎢、鉬等,與石墨加工型一起統(tǒng)稱為硬模系統(tǒng)。由于存在著工藝上的分型等難點(diǎn),這種方法很難制造出復(fù)雜形狀的鈦鑄件,而大多只在特定的鑄件上使用。

金屬面層陶瓷型殼采用難熔金屬鎢粉作為耐火材料,金屬鎢的熔點(diǎn)高,與鈦液接觸時(shí)化學(xué)穩(wěn)定性好,但是鎢粉應(yīng)具有較高的純度,雜質(zhì)含量不能超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn),否則將影響鈦鑄件的品質(zhì)。鎢面層熔模型殼必需采用溶劑脫蠟,而且在特制的脫蠟槽中進(jìn)行,對(duì)人體健康有很大的傷害,同時(shí)也污染環(huán)境。鎢面層型殼高溫焙燒必須在還原性氣氛下進(jìn)行,脫蠟后沉積在型殼外貌上的模料灰分很難燒化,在澆注時(shí)很容易與液鈦反應(yīng),在鑄件外貌形成氣孔。涂料漿工藝性能不好,懸浮性差,涂料漿壽命短,保存困難,價(jià)格昂貴。

氧化物陶瓷型殼是將惰性氧化物做為面層型殼耐火材料。各種氧化物材料按其對(duì)熔融鈦合金的化學(xué)穩(wěn)定性由低到高排列的順序如下:SiO2、MgO、Al2O3、CaO、ZrO2、Y2O3、ThO2。ThO2由于具有放射性已基本不用。CaO容易吸潮,所以阻礙了它的應(yīng)用。現(xiàn)在,用作熔模鑄造型殼面層和鄰面層的材料主要是Y2O3、ZrO2。

未經(jīng)穩(wěn)定化處理的ZrO2不能做為鑄鈦的造型材料,因?yàn)樗鼤?huì)發(fā)生同素異形體轉(zhuǎn)變,常溫下為單斜晶體,高溫下為四方晶體,溫度更高則轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄w,單斜晶體轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆骄w時(shí),伴隨著9%左右的體積變化,使型殼發(fā)生開裂。通常采取向ZrO2 中加入4%~8%的CaO,經(jīng)高溫電熔或煅燒后就可以得到穩(wěn)定的ZrO2固溶體(也有用Y2O3穩(wěn)定),工業(yè)上大多采用電熔ZrO2。

Y2O3同ZrO2一樣,必須經(jīng)過高溫穩(wěn)定化處理后才能用作鈦合金造型材料。Y2O3陶瓷型殼具有熱導(dǎo)率低、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),澆注出的鑄件表面質(zhì)量好,但Y2O3價(jià)格比較昂貴,來源困難。

隨著鈦及鈦合金鑄造技術(shù)的發(fā)展和日益成熟,加上熱等靜壓(HIP)技術(shù)的誕生和在鈦合金鑄件方面的成功應(yīng)用,較好的解決了鑄件的質(zhì)量問題,提高了鑄件的可靠性。從20世紀(jì)80年代以后,鈦及鈦合金鑄件在航空、航天及其他方面的應(yīng)用每年以20%的速度遞增。

鑄造工藝方面,目前已經(jīng)由單件鑄造發(fā)展到幾件或幾十件零件組合成的大型整體鑄件。應(yīng)用范圍已經(jīng)從早期的受力不大的非關(guān)鍵靜止結(jié)構(gòu)件發(fā)展到成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的構(gòu)件組成部分,完全取代了一些變形鈦合金、鋁合金、鋼件。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)推重比和剛度要求的提高,要求其中的一些關(guān)鍵鈦合金構(gòu)件做成大型復(fù)雜薄壁的整件精鑄件。一些先進(jìn)的航空大型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣、中介機(jī)匣、前機(jī)匣、壓縮機(jī)機(jī)匣等都開始使用鈦合金精鑄件。大型客機(jī)的導(dǎo)風(fēng)管、隔熱屏、支架、框架、耳軸、支撐架、剎車殼體等也都以鈦合金精鑄件替代原來的構(gòu)件。軍用飛機(jī)方面,鈦合金鑄件的使用也逐步在增加,如:支座、框架、支架、制動(dòng)勾、機(jī)翼上受力物件、方向舵轉(zhuǎn)動(dòng)裝置支架、變速裝置殼件、吊架支撐附件等,實(shí)踐證實(shí)了鈦合金鑄件在飛機(jī)上的應(yīng)用是成功、可靠的。不僅如此,在生產(chǎn)成本上,由于使用了鈦合金鑄件,使飛機(jī)的某些機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、加工、緊固、裝配等都變得比原來未使用鈦合金鑄件時(shí)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化了,從而大大降低了飛機(jī)的制造成本。鈦合金鑄件在航天領(lǐng)域中主要用于導(dǎo)彈、航天飛機(jī)飛船、人造衛(wèi)星。其應(yīng)用部位主要為:導(dǎo)彈殼體、尾翼、舵翼及連接座等,航天飛機(jī)和飛船支架、框架、支座、附件、殼體等,由于鈦合金鑄件具有高的剛性、輕的重量和光學(xué)玻璃相當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù),也應(yīng)用于人造衛(wèi)星及其他光學(xué)儀器的托框、基座、連結(jié)架以及殼體等。

鈦及鈦合金鑄件在日常工業(yè)生產(chǎn)方面也有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。由于鈦及鈦合金具有良好的耐腐蝕性能,是化工及其他耐腐蝕工業(yè)的不可替代的材料。廣泛應(yīng)用于化工、造紙、石油、制堿、冶金、農(nóng)藥等工業(yè)。主要應(yīng)用產(chǎn)品是以工業(yè)純鈦和鈦—鈀合金為材質(zhì)的鑄造鈦泵、鈦風(fēng)機(jī),各種不同類型的閥門,如:截止閥、球閥、旋塞閥、閘閥、蝶閥、止回閥等。

隨著人們生活水平的提高和對(duì)健康質(zhì)量要求的提升,鈦合金以其高的疲勞強(qiáng)度,和人體超強(qiáng)的親和力等諸多優(yōu)點(diǎn),也被越來越多的用在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域。如:鑄造鈦合金髖關(guān)節(jié)修復(fù)件、膝關(guān)節(jié)修復(fù)件、人體假肢、口腔修復(fù)等等。運(yùn)動(dòng)器械領(lǐng)域鈦合金精密鑄件的用量非常巨大,如:自行車配件,高爾夫球頭。尤其是鈦合金高爾夫球頭市場(chǎng)容量.為巨大,但鑄造工藝比較復(fù)雜。

目前,鈦及鈦合金鑄件的使用范圍還在擴(kuò)展,更多的應(yīng)用領(lǐng)域也在相繼研究,但還存在著一些問題:1.合金品種少、牌號(hào)少,基本上常用的鈦合金都是工業(yè)純鈦鑄件和TC4合金鑄件。2.鑄件應(yīng)用范圍小,大部分鑄件都用在了石油化工行業(yè)(工業(yè)純鈦鑄件),航空、航天領(lǐng)域應(yīng)用很少,致使我國(guó)鈦鑄造工業(yè)的工藝和技術(shù)水平難以提高。3.造型工藝普遍落后,大部分廠家都是用石墨型造型工藝(機(jī)加工石墨型和搗實(shí)石墨型),而熔模精密鑄造應(yīng)用很少。鑄造出的鑄件表面比較粗糙。4.熔煉設(shè)備基本上都為真空自耗電極電弧凝殼爐,熔煉過程危險(xiǎn)性較高,熔化金屬液過熱度不高,造成鑄件表面易產(chǎn)生流痕、冷隔等缺陷,薄壁零件成形困難。

鈦及鈦合金的鑄造

為改善我國(guó)鈦鑄造工業(yè)生產(chǎn)的落后狀態(tài),提高我國(guó)鑄鈦工業(yè)的整體工藝和技術(shù)水平,還需進(jìn)行以下幾方面的研究:1.改進(jìn)現(xiàn)有的造型工藝,研究新的粘結(jié)劑和造型材料,簡(jiǎn)化工藝,縮短生產(chǎn)周期,降低生產(chǎn)成本。2.研究和發(fā)展新的熔煉和鑄造設(shè)備及其技術(shù),提高金屬液的過熱度,改善和提高鑄造鈦液的流動(dòng)性和充型補(bǔ)縮能力,為研制大型復(fù)雜薄壁整體精鑄件創(chuàng)造有利條件。3.進(jìn)一步擴(kuò)大計(jì)算機(jī)模擬凝固技術(shù)在鈦合金鑄造中的應(yīng)用,以提高鑄件質(zhì)量,減小鑄件的廢品率。4.研究和發(fā)展鈦合金鑄件的各種熱處理工藝和熱化學(xué)處理技術(shù),以改善鈦合金鑄件的微觀組織結(jié)構(gòu),提高鑄件的力學(xué)性能。5.熔模鑄造只能生產(chǎn)中小型鑄件,應(yīng)尋求一種生產(chǎn)更大型、更凈形、更高效鑄件的造型工藝,提高鈦合金鑄件的生產(chǎn)能力。

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