大型薄壁鈦環(huán)成形工藝

郭銳濤　張素芳　張廣威　李　雪　孔玉婷

(1. 中信重工機(jī)械股份有限公司，河南 471003；

2. 河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南 471003)

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大型薄壁鈦環(huán)成形工藝

郭銳濤1,2張素芳1,2張廣威1李雪1,2孔玉婷1,2

(1. 中信重工機(jī)械股份有限公司，河南 471003；

2. 河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南 471003)

摘要：通過(guò)分析鈦的熱變形行為，制定出合理的制造成形工藝參數(shù)，成功生產(chǎn)了大型薄壁鈦環(huán)鍛件。

關(guān)鍵詞：鈦環(huán)；軋制；熱處理

鈦比一般金屬輕，具有強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、耐酸堿性、抗腐蝕性、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代宇宙航空科學(xué)、海洋科學(xué)和核能發(fā)電等尖端科學(xué)工業(yè)所不可缺少的材料。軋環(huán)機(jī)具有成型過(guò)程短、幾何精度高、內(nèi)部組織均勻、金屬流線(xiàn)分布完整等優(yōu)點(diǎn)。環(huán)軋是生產(chǎn)大型薄壁件的首選加工方法[1]。本文中大型薄壁鈦環(huán)的成型方法主要采用鍛造制坯和軋環(huán)機(jī)軋制配合的方法生產(chǎn)。鍛造及軋制工藝參數(shù)對(duì)鈦的組織和性能有明顯的影響。

1鍛件規(guī)格

鈦環(huán)鍛件尺寸見(jiàn)圖1。

圖1　鈦環(huán)鍛件尺寸

2制造難點(diǎn)

該鍛件的鍛造生產(chǎn)流程為：下料→鐓粗、沖孔→擴(kuò)孔、平整高度→粗車(chē)→軋環(huán)出成品→鍛后熱處理。在生產(chǎn)中的主要難點(diǎn)如下：

(1)在鍛造時(shí)表面易產(chǎn)生裂紋。鈦的導(dǎo)熱性能差，高溫下易惡化其變形性能，鈦在高溫下與氧親和力極強(qiáng)，氧通過(guò)不斷向鈦基體擴(kuò)散在基體內(nèi)

部形成一硬脆層，易在鍛造時(shí)產(chǎn)生裂紋[2]。

(2)成型需要多火次加熱，晶粒易粗大。由鈦錠開(kāi)坯到軋制出成品，需要多次的變形，難以控制鍛件晶粒度及性能要求。

(3)大型薄壁鈦環(huán)易產(chǎn)生軋制缺陷。該鍛件壁厚較薄，高度較大，已達(dá)到我公司軋環(huán)機(jī)軋制極限，易造成軋環(huán)件尺寸的不穩(wěn)定性。

3制坯工藝參數(shù)確定及分析

(1)制坯加熱工藝

由于鈦加熱時(shí)容易吸收氧、氫和氮，使其塑性降低、性能變壞，所以，在加熱前將鈦圓坯表層涂加防氧化涂料。鈦的導(dǎo)熱性差，需進(jìn)行分段加熱，從室溫以40℃/h緩慢升至750℃并根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算保溫時(shí)間。為防止在高溫下鈦相變的脆性轉(zhuǎn)變需快速升溫，加熱以70℃/h速度進(jìn)行升溫至變形溫度。工業(yè)純鈦的相轉(zhuǎn)變溫度為900~995℃，在β相區(qū)變形應(yīng)變速率高時(shí)，發(fā)生不連續(xù)屈服，應(yīng)變速率低時(shí)會(huì)產(chǎn)生大晶粒超塑性變形現(xiàn)象，在α+β相區(qū)變形會(huì)使得兩相晶粒相互制約，利于鍛件成形[2、3]。變形溫度低于850℃時(shí)容易產(chǎn)生裂紋，故選擇在兩相區(qū)進(jìn)行加熱，加熱溫度控制在995℃以下，選擇溫度為980℃，終鍛溫度控制在850℃以上。

(2)水壓機(jī)制坯

制坯前要對(duì)所有冶金輔具進(jìn)行預(yù)熱，以防坯料降溫太快影響制坯效果。水壓機(jī)制坯時(shí)坯料尺寸的確定主要依據(jù)后期的軋制成形的可行性。根據(jù)德國(guó)THYSSEN-WAGNER公司的軋制公式、體積不變?cè)硪约伴L(zhǎng)期積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)鈦環(huán)的最佳環(huán)坯幾何尺寸。其中WAGNER軋制公式為：

(1)

式中，h為環(huán)高；s為環(huán)壁厚；Δh為高度壓下量；Δs為壁厚壓下量；c為修正系數(shù)。

在制坯時(shí)為充分打碎鑄態(tài)組織，需對(duì)鈦圓坯料進(jìn)行充分變形，純鈦在高溫下的軟化性較強(qiáng)，為防止沖孔過(guò)程中內(nèi)孔出現(xiàn)折疊，鈦環(huán)制坯時(shí)采用鐓低拔高的方法進(jìn)行成形。鐓粗沖孔250 mm，預(yù)擴(kuò)內(nèi)孔至?450 mm、外圓?945 mm，將坯料精擴(kuò)內(nèi)圓至?800 mm、平整高度730 mm。制坯完成后冷卻至室溫。

4軋制工藝參數(shù)確定及分析

工業(yè)純鈦屬于難鍛材料，在鍛造過(guò)程中極易產(chǎn)生裂紋，并且氧化性強(qiáng)，一旦產(chǎn)生裂紋只能冷卻至室溫后磨削去除裂紋。為了鈦環(huán)成品幾何尺寸及表面質(zhì)量一次符合要求，對(duì)環(huán)坯進(jìn)行粗加工，清理表面缺陷，特殊情況下進(jìn)行倒角和切坡口。

(1)軋制加熱參數(shù)

將粗車(chē)完成后的鈦環(huán)坯料表層涂加防氧化涂料并進(jìn)行加熱。軋制過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的線(xiàn)接觸過(guò)程，成形速度快，變形能會(huì)使得鈦環(huán)鍛件溫度升高。鈦環(huán)的導(dǎo)熱性差，溫度升高超過(guò)相變區(qū)域，結(jié)合純鈦的相變溫度以及在軋制時(shí)環(huán)件溫度較高會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為，因此為了確保鈦不在β相區(qū)進(jìn)行軋制，應(yīng)使加熱溫度低于相變溫度，加熱均熱段溫度設(shè)定為880～900℃，鍛造溫度控制在850～900 ℃。

(2)軋制成形

軋制過(guò)程中速度較大，可以細(xì)化晶粒，但也會(huì)產(chǎn)生大量的變形熱，使得坯料溫度升高，增加動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為的可能性。環(huán)件溫度過(guò)高，容易粗晶，過(guò)低則容易產(chǎn)生裂紋。因此，需要合理制定軋制工藝參數(shù)。軋制工藝參數(shù)制定的重點(diǎn)是軋制曲線(xiàn)的設(shè)計(jì)。該環(huán)件屬典型的簿壁筒形環(huán)，選用筒形環(huán)軋制曲線(xiàn)，如圖2所示。

圖2　軋制曲線(xiàn)

初軋階段進(jìn)給較慢，主要消除環(huán)坯橢圓和壁厚差，軋制力和長(zhǎng)大速度緩慢上升。主軋階段實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定軋制，軋制速度定為(5～7)mm/s及定心力10%～15%，隨著環(huán)剛性的下降軋制力相應(yīng)下降。減速成圓階段定心力最終減小至5%以下，以保證消除橢圓、波浪等缺陷[4]。軋制進(jìn)給曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3　軋制進(jìn)給曲線(xiàn)

軋制成品表面均勻光滑，無(wú)肉眼可見(jiàn)缺陷，圓度較好。軋制完成后鍛件收縮在預(yù)定的1.007之內(nèi)，顯示橢圓5 mm，滿(mǎn)足要求。

5鈦環(huán)的鍛后熱處理

軋制完成后需對(duì)環(huán)鍛件進(jìn)行消除應(yīng)力退火處理。退火工藝如圖4所示。

圖4　鈦環(huán)的退火工藝

經(jīng)過(guò)熱處理后的鈦環(huán)鍛件，經(jīng)本體取樣，晶粒度符合要求。

6結(jié)論

(1)通過(guò)水壓機(jī)制坯-軋環(huán)機(jī)成型工序成功生產(chǎn)了外徑2 297 mm、壁厚68 mm的大型薄壁鈦環(huán)。

(2)通過(guò)對(duì)工業(yè)純鈦TA1的相變和鍛造過(guò)程進(jìn)行分析，制定了合適的加熱溫度、鍛造溫度以及

鍛后熱處理工藝，從而有效控制了成型后晶粒度，其中制坯鍛造溫度控制在850 ~ 980℃，軋環(huán)鍛造溫度控制在850~ 900℃。

(3)根據(jù)薄壁環(huán)件易產(chǎn)生橢圓、波浪等特性，初軋速度較慢、主軋快速穩(wěn)定的軋制進(jìn)給曲線(xiàn)設(shè)計(jì)是鍛件合格的關(guān)鍵。同時(shí)鍛件制坯尺寸的確定也至關(guān)重要，該鍛件制坯參數(shù)的選擇符合軋環(huán)機(jī)軋制要求。

參考文獻(xiàn)

[1]糜丹青. 鈦的鍛造[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 1996(6): 14-17．

[2]王震, 洪權(quán), 趙永慶. 鈦合金熱變形行為研究[J]．鈦工業(yè)進(jìn)展, 2010, 27(3)：12-17．

[3]李東, 趙永慶. 鈦合金晶粒細(xì)化研制進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2005, 19( 11) : 421-42.

[4]陳洪，王雷剛，錢(qián)喜根，吳君三，范禹. 大型環(huán)件軋制時(shí)偏心現(xiàn)象研究[J]. 大型鑄鍛件，2012, 6(11)：17-21.

編輯杜青泉

Forming Process of Heavy Thin Walled Titanium Alloy Ring Forging

Guo Ruitao, Zhang Sufang, Zhang Guangwei, Li Xue, Kong Yuting

Abstract：By analyzing the thermal deformation behavior of titanium alloy, the rational forming process parameters have been prepared. Meanwhile, the heavy thin walled titanium alloy ring forging has been produced successfully.

Key words：titanium alloy ring forging; rolling; heat treatment

作者簡(jiǎn)介：郭銳濤(1985—)，工藝員，從事大型鍛件的軋制工藝研究。

收稿日期：2015—07—22

中圖分類(lèi)號(hào)：TG331

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B