鈦合金板鍛造工藝研究

□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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