鈦合金棒材熱模鍛造成形技術(shù)研究

雷 楊

（西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201）

鈦合金棒材通常帶有較高的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，零件形狀復(fù)雜且尺寸較大，對(duì)棒材制作精度要求高等導(dǎo)致鈦合金棒材加工困難。傳統(tǒng)的鈦合金棒材講過(guò)方法以鍛造成簡(jiǎn)單形狀的毛坯為主，再結(jié)合現(xiàn)代化數(shù)控加工等方法逐個(gè)加工，提高的加工成本，所獲產(chǎn)品質(zhì)量強(qiáng)度也明顯降低[1]。

因此，探尋一種加工性能穩(wěn)定，提高材料利用的工藝時(shí)當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題之一[2]。模鍛工藝是一種新的鈦合金棒材加工技術(shù)手段，能夠有效的降低加工成本，提高了材料的利用率。

1 棒材熱模局部加載成形技術(shù)

1.1 局部加載成形技術(shù)概況

棒材類鍛件為棒材和加強(qiáng)筋組成的復(fù)雜圓形鍛件，腹板和加強(qiáng)筋對(duì)鍛件的成形增加了難度。因此，在鍛件成形設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮模壓力對(duì)鍛件的影響作用。為了有效的防止熱模鍛造成形過(guò)程中整體加載導(dǎo)致金屬沿著徑向大量流動(dòng)進(jìn)而出現(xiàn)渦流、折迭、紊亂等現(xiàn)象，本次采用局部加載墊板和環(huán)形墊板[3]。在熱模鍛造成形試驗(yàn)過(guò)程中，將試驗(yàn)坯料分別放置在環(huán)形墊板中間，坯料和上模之間放置局部加載墊板，可以有效的確保的金屬流動(dòng)變形充分充填至模具型腔內(nèi)，有效的避免了沿徑向流動(dòng)產(chǎn)生渦流、紊亂等問(wèn)題。

棒材類熱模鍛造成形加工技術(shù)通常采用整體加載方式進(jìn)行，整體加載技術(shù)在成形過(guò)程中當(dāng)加強(qiáng)筋充填至一定程度時(shí)，筋部的充填阻力明顯增大，導(dǎo)致大量的金屬沿著棒材中心向四周流動(dòng)，或者沿著徑向流動(dòng)進(jìn)而引起紊亂、折迭、渦流等現(xiàn)象，最終使得鍛件充填不到位，使得鍛件質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。若在充填過(guò)程中將整體加載方式改為局部加載逐步成形的方式，則可以有效的控制金屬流動(dòng)的方向，使得金屬充分的充填至加強(qiáng)筋底部，最大程度避免了金屬沿著徑向方向流動(dòng)的問(wèn)題，可較好地避免上述問(wèn)題的出現(xiàn)概率。

1.2 局部加載成形技術(shù)主要步驟

在熱模鍛造成形過(guò)程中根據(jù)棒材鍛件特征，將其分解為兩個(gè)主要步驟進(jìn)行試驗(yàn)。第一步是棒材工件的預(yù)成形階段，該過(guò)程就是在局部加載墊板評(píng)先壓力的影響下將坯料產(chǎn)生軸向變形，并將其優(yōu)先充填下模筋部等位置，并將金屬沿著徑向運(yùn)移流動(dòng)直至充分充填環(huán)形墊板位置；由于在充填過(guò)程中模具與坯料之間的相對(duì)接觸面積較小，加之金屬流動(dòng)變形速度極快，因此在局部加載過(guò)程中坯料的熱損失較小，就可獲得工件預(yù)成形的零件。再完成第一步的基礎(chǔ)上，將預(yù)成形零件最終成形，也就是將棒材鍛件中的環(huán)形墊板和局部加載墊板取出，將預(yù)成形零件升溫至950℃條件下，并將其置于下模腔內(nèi)進(jìn)行最終成形處理。在后期變形成形處理過(guò)程中坯料的厚度逐漸減薄，因此與模具的接觸面積逐漸增加。此外，由于最終成形過(guò)程中溫度降低速度過(guò)快，變形載荷明顯增加。

1.3 棒材熱模鍛造成形后顯微組織特征

直至棒材熱模鍛造成形的兩個(gè)重要步驟完成后，對(duì)熱模鍛造成形后的鍛件進(jìn)行退火處理，并對(duì)鍛件進(jìn)行了顯微組織觀察，在鍛件中可見少量初生α相組織，呈等軸狀和條帶狀的雙態(tài)組織分布。

由于退火溫度接近鈦合金棒材的相變點(diǎn)，因此在鈦合金顯微組織中初生α相含量相對(duì)較少。對(duì)鍛件進(jìn)行缺陷分析，最終在鍛件內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的變形缺陷，說(shuō)明使用該方法鍛造獲得的棒材質(zhì)量可靠[3]。

使用局部加載熱模鍛造成形技術(shù)，與傳統(tǒng)的鍛造工藝相比較，使用該技術(shù)方法使得原材料的利用率明顯提高，極大地降低了材料浪費(fèi)率，間接的降低了鍛造成本。綜上所述，局部加載方式以及熱模鍛造成形技術(shù)能夠獲得質(zhì)量可靠的鈦合金產(chǎn)品其力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，能夠滿足企業(yè)對(duì)鈦合金棒材質(zhì)量的基本要求。

2 常見其他傳統(tǒng)棒材熱模鍛造工藝簡(jiǎn)介

常見的棒材熱模鍛造成形技術(shù)除局部加載成形技術(shù)外，常見的鍛造工藝包括：①α+β鍛造技術(shù)，該技術(shù)是在中等應(yīng)變速率條件下將α合金或者α+β合金在β轉(zhuǎn)變溫度下進(jìn)行鍛造的工藝技術(shù)，該技術(shù)具有成本低、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用較為廣泛；該技術(shù)在鍛造過(guò)程中容易出現(xiàn)局部過(guò)熱，容易造成鍛件表面產(chǎn)生裂紋，但隨著該技術(shù)鍛造工藝的改進(jìn)，逐漸成功的鍛造出了鍛件精度高、表面光潔的成品；②β鍛造技術(shù)，該技術(shù)是在β相的高溫條件下對(duì)鈦合金完成鍛造過(guò)程，具有鍛件精度高、變形抗力小的優(yōu)勢(shì)，顯著的提高了鍛件的壽命；鈦合金顯微組織中的α相晶界面明顯增大，多呈網(wǎng)籃組織，提高了鈦合金的抗蠕變性能和強(qiáng)度；③亞β鍛造技術(shù)，是將鍛件在β相區(qū)加熱處理而鍛造成形過(guò)程卻在兩相區(qū)內(nèi)完成的鍛造工藝，該技術(shù)具有與β鍛造相似的特征，在鍛造過(guò)程中主要是將邊界α相先破碎，使得邊界區(qū)域的α相逐漸向α等軸化轉(zhuǎn)變，進(jìn)而提高了鈦合金整體性能。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鈦合金棒材因具有優(yōu)越的性能在現(xiàn)代化各領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，加強(qiáng)鈦合金鍛造成形工藝的研究工作有助于推動(dòng)鈦合金材料向更多的領(lǐng)域發(fā)展。文章以鈦合金棒材的熱模鍛造成形技術(shù)為著手點(diǎn)，從2個(gè)方面分析了局部加載熱模鍛造成形技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)鍛件進(jìn)行了力學(xué)性能和顯微組織分析，認(rèn)為本文所選用的加載方式以及熱模鍛造成形技術(shù)能夠獲得質(zhì)量可靠的鈦合金產(chǎn)品，其力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，能夠滿足企業(yè)對(duì)鈦合金棒材質(zhì)量的基本要求。