1,Первичная обработка: от руды до перерабатываемой заготовки
Это самое дорогое звено во всей цепочке титановой промышленности.
Производство губчатого титана (в основном метод Кролла):
Преобразование титановой руды (рутила или ильменита) в губчатый титан (пористый чистый титан).
Процесс: Титановая руда → Хлорирование до тетрахлорида титана (TiCl₄) → Термическое восстановление магния (метод Кролла) → Вакуумная дистилляция → Губчатый титан.
Характеристики: Сложный процесс, огромное потребление энергии и прерывистое производство являются одной из основных причин высокой цены на титановые сплавы. Новые методы электролиза, такие как Кембриджский процесс FFC, направлены на снижение энергопотребления и затрат, но еще не получили широкого коммерциализации.
2). Плавление:
Расплавьте губчатый титан, легирующие элементы и возвратный материал в однородные слитки под защитой вакуума или инертного газа (аргона).
Основные технологии:
Вакуумная плавящаяся дуга (ВДП): наиболее распространенный метод. Электрод плавится дугой в вакуумной камере и опускается в медный тигель с водяным-охлаждением для затвердевания. Для обеспечения чистоты и однородности обычно проводят два или три процесса плавки.
Плавка в печи с холодным слоем (CHM): включая электронно-лучевую печь с холодным слоем (EBCHM) и плазменно-дуговую печь с холодным слоем (PACHM). Он может эффективно удалять примеси высокой/низкой-плотности и обычно используется при приготовлении титановых слитков и титановых заготовок-высококлассного авиационного качества.
2,Формовое производство: придание заготовке желаемой формы.
Это основное звено, отражающее сложность обработки титановых сплавов.
А. Формовка пластика
Обычная ковка:После нагрева в воздушной печи его формуют с помощью ковочного молота или пресса. Легко создать поверхностный оксидный слой (альфа-слой охрупчивания), который позже необходимо удалить.
Изотермическая/горячая штамповка:ключевая технология точной ковки титановых сплавов. Нагрейте форму до температуры, аналогичной температуре заготовки (обычно 800-1000 градусов С), и сформируйте ее под медленным давлением. Это значительно снижает сопротивление деформации, падение температуры и реакцию поверхности, что позволяет производить поковки сложной формы, близкой к чистой форме, высокой точности и разумного распределения обтекаемых линий. Однако стоимость и энергопотребление форм (обычно изготовленных из суперсплавов на основе никеля или сплавов на основе молибдена) чрезвычайно высоки.
Роллинг:Производство плит, полос, прутков и труб. Горячая прокатка осуществляется в защитной атмосфере или с покрытием для предотвращения окисления; Холодная прокатка требует промежуточного отжига для исключения наклепа.
Сжатие:Используется для производства профилей и труб. После нагрева заготовки ее экструдируют через форму под высоким давлением. Для предотвращения прилипания и окисления формы необходимы смазочные материалы и защитные покрытия для стекла.
Суперпластическое формование (SPF):Используя сверхпластичность (чрезвычайно высокое удлинение) титанового сплава при определенной температуре/скорости и сочетая ее с давлением воздуха для подгонки формы, например выдувания стекла, можно формовать сложные тонкостенные-компоненты за один раз. Часто в сочетании с диффузионной сваркой (DB) для создания технологии SPF/DB, используемой для изготовления многослойных полых конструкций для аэрокосмической отрасли.
Б. Кастинг
Вакуумное прецизионное литье: в основном осуществляется в вакуумных дуговых конденсационных печах. Электрод плавится в дуге под вакуумом и течет в керамическую оболочку формы. Из-за реакции между титаном и почти всеми формовочными материалами необходимо использовать специальные огнеупорные материалы (например, поверхностный слой оксида иттрия).
Применение: подходит для изготовления статических структурных компонентов чрезвычайно сложной формы, не требующих обширной механической обработки, например корпусов двигателей, корпусов насосов и высококачественных-головок мячей для гольфа.
C. Аддитивное производство (3D-печать) - Революционная технология
Непосредственное использование порошка титанового сплава или проволочного материала слой за слоем для изготовления твердых деталей особенно подходит для сложных конструкций, легких конструкций и изготовления небольших партий.
Основные технологии:
Лазерное селективное плавление (SLM)/лазерное плавление слоя порошка (LPBF): в камере с инертной атмосферой порошок титанового сплава на слое порошка плавится точка за точкой с использованием тонкого лазера. Высокая точность и хорошее качество поверхности.
Электронно-лучевая плавка (EBM): плавление порошка электронным лучом в вакууме. Скорость формовки высокая, термическое напряжение низкое, а характеристики деталей близки к характеристикам поковок, но поверхность относительно шероховатая.
Преимущества: Коэффициент использования материала чрезвычайно высок (почти 100%), что обеспечивает оптимизацию топологии структур, таких как чрезвычайно сложная решетка, соты и встроенные полые каналы охлаждения. Он незаменим в аэрокосмической сфере (легкие каркасы, лопатки с каналами охлаждения) и медицине (индивидуальные пористые костные имплантаты).
3,Последующая обработка и обращение
1) Обработка:
Титановый сплав является типичным трудным для обработки материалом из-за его плохой теплопроводности (тепло накапливается на инструменте), высокого химического сродства (легко вступать в реакцию с материалом инструмента) и низкого модуля упругости (легко вызывать вибрацию инструмента).
Меры противодействия: используйте станки высокой жесткости, режущие инструменты из твердого сплава или PCD со специальным покрытием, низкую скорость резания, большую скорость подачи, высокое-давление и большой расход смазочно-охлаждающей жидкости для достаточного охлаждения.
Термическая обработка:
Отжиг: устраняет внутренние напряжения, стабилизирует структуру, улучшает пластичность. Это наиболее распространенный вид термической обработки.
Обработка раствором + старение: используется для + двух-фазных титановых сплавов (таких как Ti-6Al-4V) для получения дисперсионного упрочнения и повышения прочности за счет закалки и низкотемпературного старения.
Обработка поверхности
Очистка: пескоструйная очистка и кислотная промывка (обычно с использованием смеси кислот HF-HNO ∝) для удаления оксидной окалины и слоя загрязнений.
Укрепление/функционализация: микродуговое оксидирование (МАО) создает керамические покрытия для улучшения износостойкости и коррозионной стойкости; Азотирование/азотирование повышает твердость поверхности; Анодирующая окраска и повышение коррозионной стойкости; Термическое напыление (например, напыление WC Co) повышает износостойкость.
Технология подключения:
Сварка: ее необходимо выполнять в среде аргона высокой-чистоты или в вакууме. Общие методы включают сварку в инертном газе вольфрама (GTAW/TIG), электронно-лучевую сварку (EBW) и лазерную сварку (LBW). Перед сваркой требуется тщательная очистка.
Диффузионная связь (DB): соединение атомов контактной поверхности посредством взаимной диффузии при высокой температуре и давлении, используемое для производства компонентов SPF/DB.
