鈦及鈦合金型材生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

劉偉 張耀斌 朱栓平

摘? 要：鈦及鈦合金型材已被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如何制定擠壓工藝參數(shù)和合理的熱處理制度對(duì)是否能夠生產(chǎn)出合格的型材產(chǎn)品尤為重要。文章闡述了鈦及鈦合金型材擠壓特點(diǎn)，敘述了鈦合金型材生產(chǎn)過程中的影響因素。

關(guān)鍵詞：鈦合金型材;潤(rùn)滑;模具;熱處理

中圖分類號(hào)：TG146.23? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）33-0137-03

Abstract： Titanium and titanium alloy profiles have been widely used in aerospace field. How to formulate extrusion process parameters and reasonable heat treatment system is particularly important for the production of qualified profile products. The extrusion characteristics of titanium and titanium alloy profiles are described in this paper， the influencing factors in the production of titanium alloy profiles are described.Keywords： titanium alloy profiles; lubrication; mould; heat treatment

引言

鈦及其合金由于密度低（4.5-4.8g/cm3，比鋼約輕40%）、耐蝕性好和比強(qiáng)度高而成為一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、海洋及化工機(jī)械領(lǐng)域非常引人注目，在國(guó)防科技領(lǐng)域占有重要地位。

鈦由于具有某些特殊功能（如儲(chǔ)氫特性、形狀記憶、超彈性）和無毒、生理相容性好等特性而成為新型功能材料和重要的生物醫(yī)學(xué)材料。隨著鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域的不斷開展，鈦及鈦合金型材在航空、海洋、表鏈、化工等諸多領(lǐng)域已得到了應(yīng)用。

鈦及鈦合金因易受H、O、N等氣體元素污染、加工抗力大、熱成型溫度范圍窄等原因，生產(chǎn)難度較大，成本較高。例如TC4合金由于變形抗力大、加工溫度高，在型材加工方面，使得工藝選擇更為嚴(yán)格，工藝選擇不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生較大的損失。相比其它材料，鈦合金型材的加工技術(shù)還不成熟、不系統(tǒng)。因此，研究型材擠壓具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1-2]。

1 鈦合金型材擠壓的特點(diǎn)

目前，生產(chǎn)型材的方法主要通過擠壓法。擠壓型材方法分為空心型材擠壓和實(shí)心型材擠壓。型材的品種和規(guī)格較多，諸如：牌號(hào)為TC4、TA15、TA18等鈦合金以及銅型材、型鋼和鎂型材，規(guī)格為為“L型”、“U型”、“T型”、“Z型”等。在型材擠壓當(dāng)中，異型實(shí)心斷面型材占據(jù)全部擠壓型材品種規(guī)格的絕大部分，將近65%。采用擠壓法生產(chǎn)型材能夠大大減少金屬的損失和機(jī)械加工量。

擠壓型材的方法多采用正向擠壓法，反向擠壓法和聯(lián)合擠壓法目前用的不太多。

正向擠壓法的特點(diǎn)是：（1）金屬流動(dòng)方向與擠壓軸運(yùn)動(dòng)方向相同;（2）錠坯與擠壓筒有較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所需的擠壓力較大;（3）操作方便，工模具簡(jiǎn)單。如圖1所示。

反向擠壓法的特點(diǎn)是：（1）金屬流動(dòng)方向與擠壓軸運(yùn)動(dòng)方向相反;（2）擠壓時(shí)的外摩擦小，擠壓力小;（3）成品率較高，生產(chǎn)率較低。如圖2所示。

聯(lián)合擠壓法的特點(diǎn)是：（1）穿孔前堵住模孔，穿孔時(shí)金屬反流，然后打開?？祝M(jìn)行正向擠壓;（2）穿孔殘料損失小。

目前，我國(guó)雖然已經(jīng)生產(chǎn)出了不同牌號(hào)和規(guī)格的產(chǎn)品，但未形成鈦及鈦合金型材的生產(chǎn)規(guī)范，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊[1]。為此，對(duì)鈦合金型材擠壓工藝的探討具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

2 鈦合金型材擠壓的主要影響因素對(duì)鈦合金型材擠壓和組織性能的影響因素較多，諸如錠坯尺寸、潤(rùn)滑、模具、加熱制度、擠壓比、擠壓速度、型材類型、設(shè)備狀況等。

本文主要通過對(duì)潤(rùn)滑、擠壓模具和熱處理等因素進(jìn)行探討。

2.1 潤(rùn)滑

1941年，SCHEY發(fā)明了玻璃潤(rùn)滑擠壓工藝[3]，并首先在鋼鐵擠壓生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。如何選擇合適的玻璃潤(rùn)滑劑對(duì)擠壓過程中非穩(wěn)態(tài)金屬的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的作用;潤(rùn)滑劑選擇好壞對(duì)產(chǎn)品和模具的表面質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，潤(rùn)滑劑選擇不當(dāng)時(shí)，會(huì)降低擠壓制品的表面質(zhì)量，產(chǎn)生擠壓溝條等缺陷，擠壓模具會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)等問題。

在型材擠壓過程中，玻璃潤(rùn)滑劑主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：（1）對(duì)鈦合金錠坯進(jìn)行150℃左右預(yù)熱，在其表面噴涂防氧化涂層，形成一層保護(hù)膜，然后進(jìn)行加熱擠壓。惠松曉、段素杰等人發(fā)明了一種錠坯涂覆防氧化玻璃漿料，能夠使錠坯表面形成一層粉料薄殼。柏春光、徐東生、雷家峰等人[4]分析了：加熱溫度為950℃時(shí)，錠坯表面涂以TB10玻璃防護(hù)涂層（黏度在102-103Pa之間），在不同擠壓時(shí)間下溫度和黏度的分布。通過分析發(fā)現(xiàn)：950℃擠壓試驗(yàn)中采用TB10防護(hù)涂層是最合適的，起到了防氧化和潤(rùn)滑的作用。（2）加熱后，采用滾涂玻璃粉的形式進(jìn)行擠壓。柏春光、徐東生等人[4]分析了：錠坯經(jīng)950℃擠壓，用TB8玻璃粉進(jìn)行滾涂，得出在擠壓過程中TB8玻璃粉能夠起到潤(rùn)滑作用，且形成有效的玻璃潤(rùn)滑薄膜。（3）用玻璃潤(rùn)滑劑制成模墊，放置于模具和擠壓工件之間，起到潤(rùn)滑的作用。徐哲、段素杰、佟學(xué)文等人[5]研究了：在950℃下擠壓鈦合金型材時(shí)，采用TB8玻璃粉制成的玻璃墊比TB5擠壓出的制品表面要好，型材尺寸、形狀更加規(guī)則。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)TB8玻璃墊的厚度為8mm時(shí)，能很好的起到隔熱、防護(hù)作用。崔順、李中奎、文惠民等人[6]通過實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)，并進(jìn)一步分析了采用A5玻璃粉制成的玻璃墊在擠壓TC4鈦合金厚壁F形、L形型材時(shí)潤(rùn)滑效果良好。因此，選擇玻璃潤(rùn)滑劑時(shí)，應(yīng)根據(jù)其它工藝條件而定。

2.2 模具

在型材擠壓過程中，模具的質(zhì)量好壞直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。為此，如何正確的設(shè)計(jì)模具，成為了影響制品好壞的重要因素。模具的正確設(shè)計(jì)、制造及延長(zhǎng)模具使用壽命成為了擠壓出高精度擠壓產(chǎn)品的必要條件。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于擠壓材料與模具工作帶表面產(chǎn)生較大的摩擦，必將使其產(chǎn)生磨損。當(dāng)擠壓時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，必將使模具工作帶表面狀態(tài)產(chǎn)生改變，表面質(zhì)量惡化，這時(shí)需要通過修磨或更換模具來進(jìn)行解決。在擠壓過程中有時(shí)模具會(huì)產(chǎn)生裂紋，會(huì)影響產(chǎn)品的尺寸和表面質(zhì)量。為了延長(zhǎng)模具壽命可通過以下方法進(jìn)行解決：（1）模具強(qiáng)化處理;（2）采用新模具材料，以4Cr5MoSiV代替3Cr2W8V;（3）對(duì)模具進(jìn)行修磨;（4）對(duì)擠壓制品采用梯度加熱;（5）合理的模具設(shè)計(jì)[7]。由于鈦合金的導(dǎo)熱性差、低的屈服強(qiáng)度和易黏結(jié)變形工模具等傾向，為此需要制備獲得穩(wěn)定產(chǎn)品的型材模具。王俊琪、代春等人[8]通過擠壓模具?？壮叽缭O(shè)計(jì)、模孔位置的選取、擠壓模具定徑帶的設(shè)計(jì)、入口圓角設(shè)計(jì)制備了型材模具，獲得了表面質(zhì)量較好的TC4鈦合金“H”型材制品。

2.3 熱處理

為了能夠改善鈦合金型材的性能，需要通過熱處理。鈦合金型材的熱處理是改善了材料內(nèi)部的組織狀態(tài)進(jìn)而提高了合金的性能。通過去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火、雙重退火等方式可以對(duì)單相和雙相鈦合金進(jìn)行熱處理，進(jìn)而消除內(nèi)應(yīng)力，提高塑性及穩(wěn)定組織。實(shí)際當(dāng)中生產(chǎn)鈦合金型材時(shí)，大多數(shù)是通過雙重退火進(jìn)行的。

雙重退火是對(duì)合金進(jìn)行兩次加熱和空冷。第一次高溫退火加熱溫度高于或接近再結(jié)晶終了溫度，能夠使再結(jié)晶充分進(jìn)行，又不使晶粒明顯長(zhǎng)大，第二次為低溫退火，保溫較長(zhǎng)時(shí)間使亞穩(wěn)定相充分分解，使組織接近平衡狀態(tài)，產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化效果[9]。楊建軍、李寶霞等人[10]通過TC4鈦合金T型材經(jīng)9種雙重退火制度熱處理后發(fā)現(xiàn)：金相組織基本保留了β單相區(qū)加熱組織，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率均能夠滿足航天用型材的要求，其中經(jīng)750℃×4h/AC+500℃×1h/AC雙重退火處理的，性能指標(biāo)最好。

3 鈦合金型材擠壓工藝

型材擠壓工藝主要包括擠壓溫度確定、擠壓速度確定、潤(rùn)滑方式、錠坯大小等。擠壓型材時(shí)多采用實(shí)心圓斷面錠坯，應(yīng)保證體積達(dá)到最大值，提高成品率和型材質(zhì)量。針對(duì)不同鈦合金形狀的特點(diǎn)，制定合適的擠壓工藝，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和成品率最大化。

4 結(jié)論

擠壓型材方法主要受錠坯尺寸、潤(rùn)滑、模具、加熱制度、擠壓比、擠壓速度、型材類型、設(shè)備狀況等因素影響。通過合適的熱處理方式能夠改善擠壓后型材的組織并獲得良好的性能指標(biāo)。

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