TC4合金大直徑筒形件鍛造工藝的改進(jìn)

陳 煒

(寶鈦特種金屬有限公司， 陜西 寶雞 721014)

1 前 言

由于鈦及鈦合金密度小、 比強(qiáng)度高、 耐腐蝕性能好以及優(yōu)異的高溫、 低溫性能等， 被廣泛用于航空航天、 兵器、 核能、 石油、 化工、 冶金、 機(jī)械、艦船、 海洋開發(fā)、 海水淡化以及醫(yī)療衛(wèi)生、 體育休閑等行業(yè)[1]。隨著鈦及鈦合金應(yīng)用日益廣泛， 對鈦及鈦合金材料需求也不僅限于管、 棒、 板等常規(guī)材料， 如薄帶、型材、 大型環(huán)件、 大直徑筒形件、 各類標(biāo)準(zhǔn)件等， 向鈦及鈦合金加工提出了更高的要求。TC4合金大直徑筒形件就是近年國外需求量較大的一種鈦合金產(chǎn)品。以往TC4合金大直徑筒形件通常采用的方法[2-3]為：①鑄錠→鍛造制坯→沖孔→擴(kuò)孔→鍛拔→車光；②鑄錠→鍛制→鉆銑孔→車光。

采用第1種工藝方法生產(chǎn)TC4合金大規(guī)格薄壁筒形件， 筒形件兩端面常有開裂現(xiàn)象， 內(nèi)外表面也伴有裂紋產(chǎn)生， 導(dǎo)致成品率低。而采用第2 種工藝方法生產(chǎn)大規(guī)格薄壁筒形件， 鑄造組織得不到完全破碎， 性能不能滿足使用要求；且由于采用了鉆銑孔機(jī)加工方法， 加工成本高， 生產(chǎn)效率低。為了解決兩種方法存在的問題， 本實(shí)驗(yàn)綜合分析了兩種鍛造工藝的優(yōu)缺點(diǎn)， 對其進(jìn)行了改進(jìn)， 設(shè)計(jì)了一種新的生產(chǎn)工藝， 并采用該工藝試制了外徑為420 mm、內(nèi)徑為380 mm、 高度為980 mm、 質(zhì)量為111 kg的TC4合金筒形件， 旨在提高TC4合金大直徑筒形件的性能及生產(chǎn)效率， 降低加工成本。

2 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為經(jīng)過二次真空自耗電弧爐熔煉的規(guī)格為φ380 mm×1 700 mm、 質(zhì)量為 865 kg的 TC4合金鑄錠， 其化學(xué)成分(見表1)符合國家標(biāo)準(zhǔn)GBT 3620.1—2007要求。

包覆材為30 mm厚鋼包套。

表1 φ380 mm TC4合金鑄錠的化學(xué)成分(w/%)Table 1 Chemical composition ofφ380 mm TC4 alloy ingot(w/%)

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

鍛造設(shè)備采用20 kN液壓機(jī)， 采用燃?xì)鉅t及箱式電阻爐加熱。用Axiovert 200 MAT光學(xué)顯微鏡觀察組織。用100 kW微機(jī)控制電子萬能拉力試驗(yàn)機(jī)測試室溫力學(xué)性能。

3 改進(jìn)工藝方案及試制

3.1 提出工藝改進(jìn)的依據(jù)

用戶對該TC4合金大直徑筒形件的要求：顯微組織為兩相區(qū)加工組織， 不得有完整的原始β 晶界存在。為了獲得滿足用戶技術(shù)要求的TC4大直徑筒形件產(chǎn)品， 鑄錠開坯時(shí)要采用大于60%的火次變形量， 中間火次變形量控制在30%以上， 成品火次變形量的鍛造比盡量控制在1.3左右。

眾所周知， TC4合金屬α+β兩相鈦合金， 在鍛造過程中， 其變形抗力隨著鍛件溫度的降低而急劇增加[4-5]。據(jù)此， 分析前言中介紹的生產(chǎn)TC4合金大直徑筒形件的第1種工藝方法， 之所以兩端面常有開裂現(xiàn)象， 且內(nèi)外表面也伴有裂紋產(chǎn)生， 其主要原因是鍛造過程中溫降比較嚴(yán)重。因此對第1種工藝方案進(jìn)行了改進(jìn)。采用包覆一定厚度的鋼套， 對其鍛件實(shí)施保護(hù)， 既可降低鍛件的氧化程度， 又可減少鍛件與外界的熱交換， 起到一定的保溫作用。這樣能夠使鍛件在鍛造溫度范圍內(nèi)使用較小的鍛造力來完成金屬變形，不但提高了成品率， 還可提高生產(chǎn)效率。

3.2 改進(jìn)后的工藝流程

改進(jìn)后的工藝方案為：鑄錠分切→燃?xì)鉅t加熱→在β區(qū)鐓拔成棒坯→箱式電阻爐加熱→α+β 區(qū)鍛成環(huán)坯→表面機(jī)械處理→包覆鋼套→加熱→擴(kuò)孔→芯軸拔長→加熱→終鍛→熱處理→平整端面和內(nèi)外表面→尺寸檢驗(yàn)→取樣。

3.3 TC4合金大直徑筒形件的試制

在本次工藝試制前我們已對包鋼套的材質(zhì)及鋼套的厚度間關(guān)系進(jìn)行了一些工藝研究， 且摸索出了在鋼包套材質(zhì)確定后鋼套厚度與TC4 筒形材的壁厚與拔長變形量之間較合理的工藝參數(shù)。

將鑄錠機(jī)加工成φ380 mm×470 mm錠坯， 在燃?xì)鉅t上加熱至β相區(qū)， 在β 相區(qū)鐓拔成棒坯， 在箱式電阻爐上加熱至α+β兩相區(qū)， 在α+β兩相區(qū)經(jīng)二火次鍛造成φ500/φ275 mm×385 mm環(huán)坯。冷卻后進(jìn)行表面機(jī)械處理， 然后包覆厚度為30 mm的鋼包套， 在α+β 兩相區(qū)加熱后擴(kuò)孔， 再加熱芯軸拔長， 加熱圓摔子整形終鍛至尺寸為φ464/φ340 mm×1 020 mm筒形件。在適當(dāng)?shù)臏囟冗M(jìn)行熱處理， 機(jī)加工內(nèi)外表面和端面→尺寸檢驗(yàn)→超聲波探傷→弦向取樣→檢查最終鍛件。

3.4 整形鍛造應(yīng)注意的問題

用30 mm厚的鋼筒及鋼板將機(jī)械加工環(huán)坯內(nèi)、外表面及兩端面進(jìn)行全密封包覆， 然后在α+β兩相區(qū)加熱， 當(dāng)內(nèi)孔擴(kuò)至比成品筒件內(nèi)徑尺寸大5 ～10 mm時(shí)， 可進(jìn)行專門的芯軸拔長工序。由于環(huán)坯包覆了鋼包套后， 其壁厚較厚， 因此在進(jìn)行擴(kuò)孔和拔長兩個(gè)階段鍛造時(shí)， 要掌握好進(jìn)給量和壓下量的關(guān)系。另外，此工序還應(yīng)注意：①拔長用的半圓摔子寬度不可太寬， 否則將會(huì)影響金屬沿軸向流動(dòng)；②芯軸表面要光滑， 且芯軸表面還須用石墨+機(jī)油進(jìn)行潤滑；③整形鍛前用燒紅的鋼棒將摔子預(yù)熱；④半圓摔子的型腔四邊必須有較大的倒角。

4 試制結(jié)果與分析

4.1 第1種工藝改進(jìn)前后鍛制的TC4合金大直徑筒形件宏觀形貌

工藝改進(jìn)前和改進(jìn)后生產(chǎn)的TC4 合金大直徑筒形件的宏觀形貌見圖1。

圖1 第1種工藝改進(jìn)前后TC4合金大直徑筒形件的宏觀形貌：(a)工藝改進(jìn)前；(b)工藝改進(jìn)后未除去包套；(c)工藝改進(jìn)后除去包套Fig.1 Macrostructures of large-diameter cylinders of TC4 alloy by 1st processing before and after improvement：(a)unimproved；(b)improved and canned；(c)improved and unjacketed

由圖1b， c不難看出， 工藝改進(jìn)后鍛制的TC4合金筒形件除去鋼包套后其內(nèi)外周表面及端面裂紋少且光滑平整。

4.2 不用工藝鍛制的TC4鈦合金大直徑筒形件的組織

圖2示出了第2 種工藝鍛制的TC4合金大直徑筒形件光學(xué)顯微照片(圖2a)及改進(jìn)后的第1種工藝鍛制的TC4合金大直徑筒形件的光學(xué)顯微照片(圖2b)。圖2顯示第2種工藝鍛制的筒件顯微組織為未完全破碎的鑄造組織， 而改進(jìn)后的第1 種工藝鍛制的組織為鑄造組織得到完全破碎的α+β等軸晶(熱處理后)。

圖2 不同的生產(chǎn)工藝鍛制的TC4 合金大直徑筒形件的組織：(a)第2種工藝；(b)改進(jìn)后的第 1種工藝(熱處理后)Fig.2 Microstructures of forged large-diameter cylinders of TC4 alloy by different processing：(a)2nd processing；(b)1st processing improved(after heat-treatment)

4.3 工藝改進(jìn)前后TC4鈦合金大直徑筒形件的力學(xué)性能

表2列出了第1種工藝改進(jìn)前后鍛制的TC4合金大直徑筒形件的力學(xué)性能。由表2可以看出， 第1種工藝改進(jìn)后鍛制的TC4合金大直徑筒形件抗拉強(qiáng)度達(dá)到945 MPa， 屈服強(qiáng)度達(dá)到869 MPa， 比客戶要求值分別高出50 MPa和41 MPa；延伸率和斷面收縮率分別達(dá)到14.5%和 40.6%， 比客戶要求值分別高出4.5%和15.6%。而第2種工藝鍛制的TC4合金筒件的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為920 MPa和840 MPa，延伸率和斷面收縮率分別達(dá)到9%和25%， 斷面收縮剛剛滿足客戶要求， 延伸率還略低于客戶要求。改進(jìn)后的第1種工藝， 不僅提高了鍛件的強(qiáng)度， 而且明顯改善了鍛件的塑性。

表2 第1種工藝改進(jìn)后鍛制的TC4鈦合金大直徑筒形件室溫力學(xué)性能Table 2 RT mechanical properties of forged large-diameter cylinders of TC4 alloy by 1st processing improved

4.4 檢驗(yàn)結(jié)果

4.4.1 尺寸檢查

測量第1種工藝改進(jìn)后鍛制的TC4合金大直徑筒形件尺寸為：外徑在444 ～434 mm之間， 內(nèi)徑在336 ～345 mm之間， 高度在990 ～1 015 mm之間，尺寸十分理想。

4.4.2 超聲檢驗(yàn)

對第1種工藝改進(jìn)后鍛制的TC4合金大直徑筒形件進(jìn)行超聲波探傷檢驗(yàn)， 結(jié)果表明達(dá)到GB 5193的A級。

4.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

TC4合金大直徑筒形件的環(huán)坯尺寸為 φ464/340 mm×1 020 mm。按著環(huán)坯尺寸計(jì)算， 采用第1種工藝鍛制TC4合金大直徑筒形件， 其TC4合金鑄錠的投料量至少需要360 kg。以目前TC4合金鑄錠的市場價(jià)格(120元/kg)計(jì)算， 僅鍛件的原料費(fèi)就達(dá)到43 200元。若采用改進(jìn)后的第1種工藝， 對環(huán)坯用3 mm厚的鋼包套進(jìn)行包覆， 然后再進(jìn)行擴(kuò)孔和芯軸拔長， 則TC4合金鑄錠的投料量為240 kg， 所需的鋼包套為213 kg(市場價(jià)15元/kg)， 兩項(xiàng)合計(jì)費(fèi)用為31 995元。即采用改進(jìn)后的第1種工藝僅原料成本一項(xiàng)就可節(jié)省26%。還沒有計(jì)算降低設(shè)備噸位和對鍛件采取保溫措施所減少的能耗。

5 結(jié) 論

采用改進(jìn)后的第1種工藝方案鍛制的TC4合金大直徑筒形件：

(1)兩端面不開裂， 內(nèi)外表面裂紋少；

(2)鑄造組織得到完全破碎， 熱處理后為細(xì)小的α+β等軸晶；

(3)力學(xué)性能較改進(jìn)前顯著提高， 抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別提高25 MPa和19 MPa， 延伸率和斷面收縮率分別提高5.5%和15.6%；

(4)超聲波探傷達(dá)到GB 5193的A級；

(5)僅原料成本一項(xiàng)就可降低26%。

[1] 訾群.鈦合金研究新進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[ J] .鈦工業(yè)進(jìn)展，2008， 25(2)：23-27.

[2] 王金友.航空用鈦合金[M] .上海：上海科學(xué)與技術(shù)出版社， 1985.

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