等溫鍛造技術(shù)研究動(dòng)態(tài)

文/王淑云，張敏聰，東赟鵬，劉趁意·北京航空材料研究院焊接及鍛壓工藝研究室

等溫鍛造是將鍛造模具加熱到與坯料相同的溫度進(jìn)行變形，可以采用低的變形速度和長(zhǎng)的保壓時(shí)間使鍛件在變形過(guò)程中溫度變化降到最低程度。因此，在實(shí)際應(yīng)用中等溫鍛造逐漸超出了傳統(tǒng)超塑性模鍛的范疇，廣義的講，等溫鍛造是指把鍛模的溫度控制在和毛坯加熱溫度大致相同的范圍內(nèi)，使毛坯在溫度基本不變的條件下慢速完成全過(guò)程的鍛造工藝。

工藝特點(diǎn)

在金屬熱鍛過(guò)程中，鍛造模具溫度、變形速度等因素對(duì)工件不同部位的溫度均勻性及變形量分布會(huì)產(chǎn)生非常大的影響，按照鍛件成形過(guò)程中模具溫度和變形速度的不同，可以將熱鍛分為常規(guī)熱鍛、等溫鍛造和熱模鍛造等三種鍛造成形方法。采用常規(guī)熱鍛、等溫鍛造和熱模鍛造等三種不同的鍛造方法進(jìn)行鋁合金、鋼、鈦合金及鎳基高溫合金鍛造時(shí)，模具溫度及鍛件變形時(shí)間對(duì)比示意圖如圖1所示。

圖1 不同鍛造方法劃分示意圖

常規(guī)熱鍛是將鍛件加熱到一定溫度，然后置于溫度遠(yuǎn)低于鍛件溫度的模具上進(jìn)行快速鍛壓成形，整個(gè)鍛壓過(guò)程只需幾秒鐘。從圖1可以看出，常規(guī)熱鍛時(shí)模具溫度一般為坯料加熱溫度的10%～38%，而鍛造時(shí)壓力保持時(shí)間甚至?xí)∮?s。

等溫鍛造的主要特點(diǎn)是模具與成形件處理基本在相同的溫度，因此需要帶有模具加熱及控溫裝置。由于等溫鍛造具有相對(duì)較高的模具溫度，減少或消除了鍛坯接觸冷模而產(chǎn)生的“激冷”效應(yīng)，保證鍛坯在整個(gè)鍛造過(guò)程能保持在基本恒定的溫度，等溫鍛造時(shí)毛坯的變形速度可以很低，一般應(yīng)變速率為0.001～0.1/s。對(duì)于具有超塑性變形特點(diǎn)的材料，根據(jù)材料的具體變形特性，等溫鍛造應(yīng)變速率甚至可以降低到1×10-4/s以下，以充分利用合金的超塑性。

熱模鍛造是介于常規(guī)熱鍛和等溫鍛造之間的一種鍛造工藝，其工藝特點(diǎn)是將模具溫度加熱到比坯料溫度低110～225℃的溫度范圍，在液壓機(jī)上以10～20mm/s的速度進(jìn)行鍛造，熱模鍛造主要應(yīng)用于變形溫度較高且變形溫度范圍較窄的鈦合金、高溫合金構(gòu)件的鍛造成形。

模具材料

等溫鍛造要求模具加熱到與坯料相同溫度下工作，所以對(duì)模具材料的高溫性能也提出了嚴(yán)格的要求，等溫鍛造模具材料應(yīng)滿足如下要求：

(1)高的高溫強(qiáng)度，一般認(rèn)為至少在成形溫度模具材料的屈服強(qiáng)度σs應(yīng)為工件材料極限強(qiáng)度σb的2.5～3倍。

(2)高的耐磨性和一定的高溫硬度。

(3)優(yōu)良的耐冷熱疲勞性和抗氧化性能。

(4)適當(dāng)?shù)臎_擊韌性。

(5)較好的淬透性和導(dǎo)熱性。

按工件材料變形溫度范圍和等溫鍛造模具的使用溫度范圍，可將等溫鍛造模具材料分為三種，分別是熱作模具鋼模具材料、鑄造高溫合金及金屬間化合物模具材料和難熔金屬合金模具材料。

熱作模具鋼模具材料

鋁合金、鎂合金等鍛造溫度較低，一般不超過(guò)600℃，其等溫鍛造模具一般采用常規(guī)的熱作模具鋼制造，常用的熱作模具鋼模具材料有5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV、4Cr5MoVSi（H13）等。

鑄造高溫合金及金屬間化合物模具材料

鈦合金和部分鎳基高溫合金等溫鍛造的溫度范圍在700～1100℃之間，常用Ni基或Ni3Al基鑄造合金作模具材料。這類(lèi)模具材料的特點(diǎn)是高溫強(qiáng)度高、有較好的抗氧化性和冷熱疲勞性能、可在大氣下條件下使用。表1為國(guó)內(nèi)外部分使用溫度700℃以上的等溫鍛造模具材料的化學(xué)成分。

表1 國(guó)內(nèi)外典型的等溫鍛造用高溫合金成分

圖2 K21、N3和DM03合金在不同溫度條件下拉伸性能

圖3 美國(guó)幾種典型等溫鍛造模具材料性能對(duì)比

國(guó)內(nèi)研究的應(yīng)用于鈦合金和高溫合金等溫鍛造的Ni基或Ni3Al基模具材料主要有K3合金、K21合金、N3合金和DMO2合金等四種。K3合金使用溫度一般在1000℃以下，主要用于鈦合金構(gòu)件的等溫鍛造。N3合金和DM03是近幾年由北京航空材料研究院開(kāi)發(fā)的使用溫度可以達(dá)到1100℃的等溫鍛造模具材料，K21合金、N3合金和DM03合金高溫拉伸性能如圖2所示。

鑄造成形性能是制造大型等溫鍛造模具的主要手段，材料的可鑄性直接影響到模具的加工和使用壽命。N3合金具有良好的鑄造性能，目前國(guó)內(nèi)采用真空精密消失模鑄造工藝技術(shù)制造的大型N3合金等溫鍛造模具，已應(yīng)用于粉末冶金高溫合金盤(pán)件的等溫鍛造。

俄羅斯開(kāi)發(fā)了多種Ni基高溫合金模具，主要有ЖС6К、ЖС6У、ИЩВ—1、ИЩВ—2。ИЩ?！?的工作溫度為850～900℃，ИЩ?！?的工作溫度為900～1000℃，這兩種合金主要用于鈦合金的等溫鍛造。Ni3Al基合金具有熔點(diǎn)高，密度小，比強(qiáng)度高，抗氧化性能好等優(yōu)點(diǎn)，是一種潛在的高性能、高溫結(jié)構(gòu)材料。俄羅斯輕合金研究院給出了幾種典型的使用溫度在1000℃及其以上的等溫用模具材料的技術(shù)參數(shù)，具體見(jiàn)表2。

表2 俄羅斯幾種高溫合金等溫用模具材料的技術(shù)參數(shù)

難熔金屬合金模具材料

美國(guó)等溫模鍛用的Ni基高溫合金模具材料一般在1000℃以下使用，使用溫度1100℃及其以上的等溫鍛造模具材料主要為T(mén)ZM鉬合金。圖3為美國(guó)幾種典型等溫鍛造模具材料的高溫強(qiáng)度水平的對(duì)比。

1973年，Pratt&Whitney首次將TZM鉬合金作為Gatorizing等溫鍛造模具材料生產(chǎn)高溫合金盤(pán)件并獲得成功，其成分為Mo-0.5Ti-0.07Zr-(0.01～0.04)C。TZM鉬合金在工作溫度超過(guò)500℃時(shí)極易氧化，作為等溫鍛造模具必須在真空或惰性氣體保護(hù)下使用，需要建立專用的全封閉等溫鍛造壓機(jī)。圖4為美國(guó)Ladish公司設(shè)計(jì)的100MN和Wyman-Gorden公司的80MN真空等溫鍛壓力機(jī)。

圖4 美國(guó)真空等溫鍛造設(shè)備

圖5 Ti-6Al-4V合金鍛造變形時(shí)模具溫度與鍛造壓力的關(guān)系

目前，TZM鉬合金在美國(guó)作為鈦合金、高溫合金盤(pán)件等溫鍛造用模具材料得到廣泛的應(yīng)用，并且是世界上用等溫鍛造或超塑性鍛造方法工業(yè)生產(chǎn)粉末高溫合金盤(pán)件的惟一模具材料。

工藝優(yōu)勢(shì)

等溫鍛造特別適合于那些鍛造溫區(qū)窄的難變形材料，例如高溫合金、鈦合金及粉末高溫合金等。等溫鍛造與常規(guī)熱鍛相比，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

⑴提高材料可鍛性。等溫鍛造可顯著提高金屬材料的塑性，對(duì)變形速度和變形溫度都非常敏感，甚至允許變形溫度范圍極窄的熱加工性能差的難變形材料，如鎂合金、鈦合金、鎳基高溫合金、金屬間化合物及陶瓷材料等，常規(guī)熱鍛時(shí)存在高變形抗力、高鍛造載荷、多火次鍛造、并且極易導(dǎo)致鍛件開(kāi)裂等多種問(wèn)題，變形速度的提高和變形溫度的降低都會(huì)嚴(yán)重影響其變形性能和鍛件質(zhì)量，而等溫鍛造使材料變形過(guò)程溫度保持不變并采用很慢的變形速度，可有效改善材料熱加工塑性，實(shí)現(xiàn)利用常規(guī)熱鍛方法難以變形材料的鍛造成形。

⑵降低鍛件成形載荷。等溫鍛造極大地降低金屬的流變抗力，材料在超塑性狀態(tài)下，金屬的流變抗力很低，一般超塑性模鍛的總壓力只是相當(dāng)于普通模鍛的幾分之一到幾十分之一。鍛造模具溫度對(duì)鍛件成形所需的壓力具有極大的影響，由于等溫鍛造模具溫度與坯料溫度一致，使工件在與模具接觸時(shí)不會(huì)產(chǎn)生溫降，同時(shí)工件和模具間通過(guò)良好的潤(rùn)滑條件，使摩擦力降到最低，降低變形可以使材料的流變應(yīng)力降低，因此金屬在等溫鍛造時(shí)可以有效降低鍛件成形載荷。圖5為T(mén)i-6Al-4V合金鍛造變形時(shí)模具溫度與鍛造壓力的關(guān)系，模具溫度由955℃降低到730℃時(shí)可導(dǎo)致鍛造壓力提高一倍。

表3 典型近凈成形等溫鍛件設(shè)計(jì)參數(shù)

等溫鍛造時(shí)所需變形壓力通常只有常規(guī)熱鍛壓力的10%～20%，因此可以實(shí)現(xiàn)在噸位較小的鍛造設(shè)備上模鍛尺寸較大的工件。

⑶提高鍛件材料利用率。等溫鍛造工藝通過(guò)將模具加熱到與鍛坯相同的溫度，使鍛件成形過(guò)程溫度保持恒定和降低應(yīng)變速率，特別是充分利用合金的超塑性，有效改善了材料的熱加工性能和金屬流動(dòng)性。在進(jìn)行鍛件設(shè)計(jì)時(shí)，等溫鍛造鍛件可以比常規(guī)熱鍛件具有更小的過(guò)渡圓角、拔模斜度和鍛件表面加工余量。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，超塑性模鍛與普通模鍛相比，金屬材料消耗降低一半以上。表3為國(guó)外典型構(gòu)件等溫近凈成形時(shí)采用的設(shè)計(jì)參數(shù)。圖6為等溫鍛造鎳基高溫合金盤(pán)型件與普通熱鍛鍛件輪廓線對(duì)比。

圖6 等溫鍛造鎳基高溫合金盤(pán)型件與普通熱鍛鍛件輪廓線對(duì)比

⑷提高鍛件冶金質(zhì)量均勻性。等溫鍛造減少甚至消除了坯料鍛造過(guò)程接觸冷模而造成的溫降，可以采用低的變形速度和長(zhǎng)的保壓時(shí)間使鍛件慢速成形，等溫鍛造變形過(guò)程鍛件各部位溫度基本保持一致，超塑性成形后金屬晶粒仍為等軸晶，鍛件所獲得的是均勻細(xì)晶粒組織，并呈各向同性，使鍛件的屈服強(qiáng)度、疲勞性能及抗應(yīng)力腐蝕性能都有顯著提高。因此，等溫鍛造鍛件冶金質(zhì)量與普通鍛造鍛件相比，等溫鍛件的顯微組織和力學(xué)性能都更加均勻，具有良好的綜合力學(xué)性能。

技術(shù)的應(yīng)用選擇

鍛件成形工藝設(shè)計(jì)不但要保證鍛件幾何形狀和冶金質(zhì)量滿足用戶要求，還要考慮鍛件制造過(guò)程成本與質(zhì)量間的平衡。利用等溫鍛造生產(chǎn)的鍛件冶金質(zhì)量一般明顯優(yōu)于常規(guī)鍛造工藝制造的鍛件，但等溫鍛造也具有其局限性，主要表現(xiàn)在：等溫鍛造模具及其配套加熱裝置的成本昂貴，工藝控制成本高，鍛造生產(chǎn)率較低，因此，在鍛件需求數(shù)量較少時(shí)，等溫鍛件的制造成本會(huì)明顯高于常規(guī)熱鍛件。等溫鍛造的首批投入一般都很高，等溫鍛造和熱模鍛造的成本增加主要來(lái)源于模具及其配套加熱裝置和嚴(yán)格的工藝控制，但成本增加所帶來(lái)的好處是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍛件幾何形狀、微觀組織與力學(xué)性能的全方位控制，可以減少或消除冷模組織及其他缺陷，實(shí)現(xiàn)近凈成形，降低材料損耗和后續(xù)機(jī)加工費(fèi)用等。

決定是否采用等溫近凈鍛造成形需要考慮以下幾方面的因素：鍛件冶金質(zhì)量要求、材料鍛造性能、鍛件幾何形狀及復(fù)雜程度、鍛造溫度及模具溫度、鍛件總數(shù)量、節(jié)省原材料和零件機(jī)加工費(fèi)用、模具壽命和工具維護(hù)費(fèi)用等。圖7所示為采用板材直接機(jī)械加工、常規(guī)熱鍛＋機(jī)械加工以及等溫近凈成形等三種不同工藝制造Ti1023合金發(fā)動(dòng)機(jī)安裝支架零件時(shí)，制造零件數(shù)量與零件單件價(jià)格的關(guān)系統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖7 鈦合金零件不同制造工藝價(jià)格對(duì)比

在零件需求量較少時(shí)，三種制造工藝的成本控制差別不大，但當(dāng)零件在數(shù)量超過(guò)100件后，等溫近凈成形零件的制造成本開(kāi)始大幅度降低，在零件數(shù)量達(dá)到100件時(shí)，等溫近凈成形零件不到常規(guī)熱鍛＋機(jī)械加工零件的50%。

結(jié)束語(yǔ)

等溫鍛造的發(fā)展方向是降低成本和提高生產(chǎn)效率，發(fā)展全過(guò)程的計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)，以逐步實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和檢測(cè)過(guò)程的一體化。