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      鈦合金板鍛造工藝研究

      2018-04-16 08:35:12李七平韓文科許敬月
      裝備機(jī)械 2018年1期
      關(guān)鍵詞:坯料鍛件鈦合金

      □李七平□潘 強(qiáng)□李 慧□韓文科□許敬月 □王 波

      1蘭州蘭石能源裝備工程研究院 蘭州 730314

      2甘肅省高端鑄鍛件工程技術(shù)研究中心 蘭州 730314

      1 鈦及變形鈦合金概述

      1.1 應(yīng)用概況

      鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬,其主要特點(diǎn)是密度小、強(qiáng)度高,特別是比強(qiáng)度高,同時具有良好的耐熱性和耐蝕性,因此鈦合金首先在航空工業(yè)中得到應(yīng)用[1],主要有航空發(fā)動機(jī)用高溫鈦合金和機(jī)體用結(jié)構(gòu)鈦合金。世界上許多國家都認(rèn)識到鈦合金材料的重要性,相繼對其進(jìn)行研究開發(fā),并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。因鈦合金的耐蝕性能優(yōu)異,近年來,鈦合金在石油、化工、冶金、生物醫(yī)學(xué)和體育用品等領(lǐng)域開始應(yīng)用,并成為新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備不可缺少的金屬材料,鈦工業(yè)進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期[2-5]。

      1.2 鈦的基本物理特性

      純鈦是銀灰色金屬,具有良好的塑性和冷熱成形性能,但強(qiáng)度低,可通過合金化的方法獲得所需要的性能合金。純鈦熔點(diǎn)為1668℃,密度為4.54g/cm3,在882.5℃時會發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變。在882.5℃以下為密排六方晶格,稱為α-Ti。在882.5℃以上為體心立方晶格,稱為β-Ti。β-Ti耐熱性較差,但工藝塑性較好,易于鍛造[6]。

      鈦和鈦合金的導(dǎo)熱性差,化學(xué)活性強(qiáng),對可引起自身脆性的氫、氧和氮很敏感,給冶煉、機(jī)械加工、熱處理帶來不少困難,造成生產(chǎn)成本較高[7]。

      1.3 變形鈦合金分類

      按照退火狀態(tài)的相組成分類,可以將鈦合金劃分為三大類:α型、α+β型和β型鈦合金,還可以將α+β型鈦合金再進(jìn)一步細(xì)分為近α型、α+β型和近β型三類[8]。

      2 鈦合金板鍛造工藝準(zhǔn)備

      采用陜西寶雞某鈦業(yè)公司的20件鈦合金板鍛件進(jìn)行試驗(yàn),材質(zhì)為TA1/TA2,材料尺寸為2 100 mm×910 mm×170 mm,根據(jù)生產(chǎn)過程在一定范圍內(nèi)進(jìn)行控制,質(zhì)量為1 505 kg。試驗(yàn)?zāi)康氖翘岣卟牧侠寐?,盡可能減小機(jī)加工量。為獲得理想的內(nèi)部組織,要求經(jīng)過一次加熱鍛造完成。鈦合金板鍛件如圖1所示,其技術(shù)要求為:①板坯板面平整,棱角方正,鍛件表面不得有裂紋、凹坑、折皺等缺陷;②板面不平度≤5 mm/m,板坯厚度差≤5 mm,板寬厚度差≤5 mm;③必須一次加熱鍛成。

      圖1 鈦合金板鍛件

      2.1 鍛造熱力規(guī)范

      鈦合金的組織和性能基本取決于合金的化學(xué)成分和熱處理,鍛造溫度范圍、變形程度和變形速度等熱力學(xué)規(guī)范參數(shù),對鈦合金鍛件的組織及性能有很大影響[9]。從利用金屬塑性的角度出發(fā),鈦合金的始鍛溫度越高越好,但α+β型鈦合金或α型鈦合金,如果始鍛溫度超過合金的β相轉(zhuǎn)變溫度,那么由于晶粒劇烈長大,鍛后會形成魏氏組織,鍛件的室溫塑性很低。已知TA1/TA2的β相轉(zhuǎn)變溫度為885~900℃,因此鍛造溫度區(qū)間定為650~950℃。

      由于試驗(yàn)使用的是天然氣加熱爐,因此要求爐中保持微氧化氣氛,盡可能減小氫對鈦錠表面的污染。鈦合金的鍛造溫度區(qū)間較窄,是鈦合金鍛造比較困難的原因之一[10]。

      2.2 鈦合金板收縮率

      鈦合金收縮率比鋼小得多,一般為0.5%~0.7%,同時鈦合金板終鍛溫度較低,因此收縮率取0.4%~0.5%即可。

      2.3 鈦合金板鍛造工裝

      為做好試驗(yàn),專門設(shè)計(jì)制造了一件長方形上砧板,板寬550 mm,長2 300 mm,工作表面粗糙度為3.2 μm。砧板邊緣倒較大圓角,鍛造前砧板預(yù)熱溫度為200~300℃。

      2.4 鈦錠表面潤滑

      鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑,在高溫劇烈變形時,金屬流動產(chǎn)生的新鮮表面容易粘在模具上[11-13]。選用玻璃防護(hù)潤滑劑,可以減少氧化皮,還可以起潤滑與防護(hù)作用,保護(hù)鈦合金免受氫氣、氧氣、氮?dú)馕廴?,避免形成表面α脆化層而產(chǎn)生鍛造裂紋。由于鈦錠表面經(jīng)過去雜質(zhì)處理,因此要提前24 h刷涂玻璃防護(hù)潤滑劑,自然風(fēng)干,然后裝爐。

      3 編制鍛造工藝

      3.1 工藝指導(dǎo)原則

      TA1/TA2屬于工業(yè)純鈦,為α型鈦合金。在嚴(yán)格控制一次加熱鍛成的情況下,鈦錠的始鍛溫度控制在940~960℃,也就是在β相轉(zhuǎn)變溫度下鍛造。在此狀態(tài)下工藝塑性較好,利于塑性變形,但晶粒較粗大,必須給予較大的變形量,以使晶粒細(xì)化,這是開始變形時的主要鍛造特點(diǎn)。開始鍛造時給予大變形量,既可獲得較細(xì)的晶粒度,又能減少因溫度較低產(chǎn)生表面裂紋的現(xiàn)象。待接近成品尺寸時,留一些修整量即可。

      鈦合金的變形抗力隨溫度降低而急劇增大,隨溫度升高則顯著下降,因此在高溫區(qū)需要大變形量展寬時盡可能展寬,并留出一定的寬度修整量,而不要急于鍛出棱邊,否則由于棱邊降溫快及棱邊的牽制效應(yīng),高溫區(qū)材料的流動會被低溫區(qū)棱邊固定,造成最終鍛件頻繁修整。

      在展寬獲得足夠?qū)挾鹊那闆r下,鍛出棱邊。由于厚度尺寸已經(jīng)鍛到最終尺寸,修整量并不大,因此利于快速修整出最終成品。

      3.2 成形工藝確定

      按常規(guī)鍛打方塊,優(yōu)點(diǎn)是工藝方案容易理解,鍛打方法較熟練,缺點(diǎn)是三個面來回翻轉(zhuǎn),厚度較薄,鐓粗易彎曲,而且三個方向的尺寸不易控制,材料流動控制較難。

      將鍛打方塊與拔長工藝相結(jié)合。由于鈦錠的截面尺寸較小,約φ450 mm,不能采用拔料的方法直接鍛出圖紙截面尺寸,而必須采取鐓粗方法,增大截面積,為后續(xù)展寬做鋪墊。這一方法的最大優(yōu)點(diǎn)是材料流動有規(guī)律,寬度和厚度尺寸容易控制,長度不限。工藝路線為:展寬,保證一定的厚度;立起鐓粗,再展寬,鐓粗;起4個角,平整,立起;壓棱邊,翻轉(zhuǎn)90°;平厚度,再轉(zhuǎn) 90°;壓棱邊,平整;最終完成成品。

      經(jīng)比較兩種成形工藝,確定采用鍛打方塊與拔長工藝相結(jié)合的成形工藝。

      3.3 鍛造工步

      (1)先對坯料進(jìn)行壓扁,然后鐓粗,增大截面積。坯料先壓扁至厚度250 mm,寬度600 mm,然后立起鐓粗,增大截面積,同時盡可能鍛出4個角,壓下量為200 mm。翻轉(zhuǎn)180°,再鐓粗,壓下量為200 mm,總壓下量約400 mm。圖2、圖3所示為坯料展寬和展寬后鐓粗現(xiàn)場。完成上述鍛造工步,坯料高度約1 700 mm,寬度約700 mm,厚度約280 mm。

      圖2 坯料展寬現(xiàn)場

      圖3 展寬后鐓粗現(xiàn)場

      (2)平放坯料,用2 300 t壓機(jī)的上砧板進(jìn)行壓扁操作,盡可能實(shí)現(xiàn)展寬,控制厚度為170 mm,寬度為1 020~1 050 mm。立起鐓粗,起4個角,壓下50 mm。翻轉(zhuǎn)180°再鐓粗,壓下50 mm。圖4所示為再展寬現(xiàn)場。圖5所示為再鐓粗后截面尺寸。

      圖4 再展寬現(xiàn)場

      圖5 再鐓粗后截面尺寸

      (3)豎起壓棱邊。由于寬度已展寬至1 020~1 050 mm,有足夠的余量壓棱邊,因此送進(jìn)量不要太大,約300 mm,主要目的是在起棱邊的同時使余料盡可能多地在長度方向延展。壓過一次后翻轉(zhuǎn)180°,再壓一次,控制寬度為900 mm。圖6所示為豎起壓棱邊現(xiàn)場。

      圖6 豎起壓棱邊現(xiàn)場

      (4)平放展長度。由于鐓粗、壓棱邊導(dǎo)致厚度尺寸增大到約200 mm,此時必須通過鍛壓拔長的方法進(jìn)行長度延伸,且不能過分展寬??刂扑瓦M(jìn)量不可過大,一般控制在300 mm左右,壓過一次后翻轉(zhuǎn)180°,再壓一次。

      (5)立起鐓粗平整兩端面,如圖7所示。鐓粗可以一半一半壓,也可以分3~4次壓。修整鍛件,最終得到鈦合金板成品,如圖8所示。

      圖7 鐓粗示意圖

      圖8 鈦合金板成品

      4 結(jié)論

      采用TA1/TA2鈦合金,對其進(jìn)行鍛造工藝研究。通過分析常規(guī)鍛打方塊工藝和鍛打拔長工藝,得出鍛打拔長工藝更適合本次鍛造。基于鍛打拔長的鍛造工藝,得出鈦合金板鍛造的工步為:對坯料進(jìn)行壓扁,然后鐓粗;平放坯料,用上砧板與下平臺進(jìn)行壓扁;豎起壓棱邊;平放展長度;立起鐓粗平整兩端面,最終得到理想的成品。

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