鈦合金擠壓型材制備工藝技術(shù)研究*

張少丹，代 春，馮紅超，吳宏剛，謝林均

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

鈦合金型材是一種新型結(jié)構(gòu)材料，具有強(qiáng)度高、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用在航空、航天、海洋工程等領(lǐng)域。美國從五十年代后期以鈦合金型材代替部分鋁合金型材，俄羅斯也于上世紀(jì)六十年代開始進(jìn)行鈦合金型材的研制與生產(chǎn)，國內(nèi)鈦合金型材起步較晚，目前處于工程化研制階段。鈦合金型材作為重要的承力結(jié)構(gòu)件，市場需求緊迫。

寶雞鈦業(yè)股份有限公司為國內(nèi)最早從事鈦合金型材研制生產(chǎn)的單位之一。經(jīng)過多年的不斷探索，突破了鈦合金型材生產(chǎn)的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，打通了整個(gè)生產(chǎn)流程。目前，已成功研制出“U”形、“L”形、“T”形、“幾”形、“Z”形、直角等厚等邊、83°角不等厚不等邊、104°角等邊、薄壁直角等多種形狀及規(guī)格的鈦合金型材，涉及牌號(hào)有TC4、TA15、TC2、TC18等鈦合金，其中航天新型運(yùn)載火箭批量應(yīng)用TC4鈦合金型材填補(bǔ)了國內(nèi)鈦合金型材應(yīng)用的空白。

1 鈦合金型材擠壓特點(diǎn)

鈦合金型材主要采用擠壓法生產(chǎn)，比鋁合金、銅合金擠壓過程更為復(fù)雜，這是由鈦合金特殊的物理化學(xué)性能所決定的。擠壓成形可生產(chǎn)形式各異、截面復(fù)雜的型材，具有生產(chǎn)靈活、加工效率高等特點(diǎn)，并且是復(fù)雜斷面、空腹、變斷面型材的唯一加工方法，擠壓型材的剛度好。因此，鈦合金型材擠壓制備工藝技術(shù)是其他成形加工技術(shù)無法代替的。

2 鈦合金型材擠壓工藝技術(shù)

鈦坯料的導(dǎo)熱率低，在擠壓過程中鈦合金金屬流速不均勻，以及容易和擠壓模具材料粘連，很容易形成型材表面縱向刮線、麻斑、氣泡、起皮、飛邊、毛刺等缺陷。因此鈦合金型材的制備需要考慮以下幾方面。

2.1 擠壓模具

（1）擠壓模具原材料選用耐熱高強(qiáng)的熱作模具鋼。

（2）根據(jù)不同型材的截面結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)出其特有的入口角、定徑曲線，以確保金屬流出?？谶^程的平穩(wěn)及流速均勻；?？壮叽绱_定，不能僅依據(jù)金屬制品的線性膨脹曲線設(shè)計(jì)，要根據(jù)所需制品的結(jié)構(gòu)特征加以修正，才能得到制品要求的尺寸公差；鈦合金型材為結(jié)構(gòu)件使用，在金屬制品表面要避免存在橫向微裂紋，在擠壓的過程中需要防止死區(qū)金屬的流入，需要對(duì)型材擠壓模具結(jié)構(gòu)，?？趫A角進(jìn)行設(shè)計(jì)。提高模具設(shè)計(jì)是提高合格率的重要技術(shù)措施。

2.2 擠壓用棒坯

2.2.1 棒坯熔煉

鈦合金型材用棒坯采用真空自耗電弧爐熔煉，為保證冶金質(zhì)量，海綿鈦100%人工挑料；為使元素在棒坯中充分合金化，保證棒坯成分均勻性，合金添加采用中間合金。

2.2.2 棒坯鍛造

為充分破碎棒坯鑄態(tài)組織、細(xì)化晶粒、優(yōu)化棒坯性能，棒坯鍛造在單相區(qū)大變形開坯、兩相區(qū)小變形終鍛。當(dāng)棒坯中有氣孔、組織疏松或有中心裂紋時(shí)，擠壓過程中氣體的突然釋放類似“放炮”，使得模具局部工作帶突然減載又加載，形成局部巨大的沖擊載荷，對(duì)模具影響很大。

2.3 型材擠壓

2.3.1 棒坯噴涂

鈦合金高溫下化學(xué)性質(zhì)活潑，極易吸氧，形成脆性的氧化層，導(dǎo)致破碎/拉裂，影響表面質(zhì)量，因此坯料加熱時(shí)采用玻璃潤滑進(jìn)行防護(hù)，防護(hù)涂層的最基本功能就是可靠地保護(hù)被加熱金屬，不使大氣中有害成分向金屬擴(kuò)散，加熱過程中，封閉氣體擴(kuò)散通道，隨著溫度的升高，逐漸形成粘滯的膜層，起到保護(hù)作用?！氨Ｗo(hù)”要求高溫時(shí)涂層具有相對(duì)高的粘度和化學(xué)惰性，不腐蝕金屬。然而擠壓過程中又要求涂層具有較小的粘度，起到輔助“潤滑”的作用。在工作溫度有高的耐壓、抗拉性能和良好塑性，可隨金屬一起延展?jié)櫥げ粩嗔眩ㄒ妶D1）。

圖1 棒坯噴涂

2.3.2 模具噴涂

鈦在高溫下易與鐵基合金形成易熔共晶體，導(dǎo)致模具粘結(jié)，磨損嚴(yán)重，嚴(yán)重影響表面質(zhì)量，因此擠壓模具表面采用工作面底層進(jìn)行Mo基火焰噴涂、表層進(jìn)行ZrO2等離子噴涂，改善了模具耐磨性、耐高溫性。形成隔離，減少擠壓坯料和模具之間的熱交換，模具表面噴涂不僅起到隔熱作用，也可起到潤滑作用。通過擠壓試驗(yàn)驗(yàn)證，涂層對(duì)模具耐高溫、高壓性能起到了較好提升，擠壓后型材質(zhì)量較理想，模具損傷小（見圖2）。

圖2 模具噴涂

型材擠壓關(guān)鍵工藝參數(shù)主要為擠壓比、棒坯加熱溫度、擠壓速度，合理選擇擠壓工藝參數(shù)是制備型材滿足要求的關(guān)鍵。

2.3.3 擠壓比

由于大擠壓比存在嚴(yán)重的金屬流動(dòng)不均勻，再者鈦合金導(dǎo)熱性差，擠壓中溫度升高，容易在高溫下粘接模具，使?jié)櫥瑮l件惡化，造成模具快速損壞，擠壓產(chǎn)品質(zhì)量惡化，因此鈦合金擠壓比不易過高?？蓽p少外層金屬和死區(qū)金屬流入?？?，提高型材成形性及表面質(zhì)量。

擠壓比λ的選擇與合金種類、擠壓方法、產(chǎn)品性能、擠壓機(jī)能力、擠壓筒內(nèi)徑及錠坯長度等因素有關(guān)。如果λ值選用過大，擠壓機(jī)會(huì)因擠壓力過大而發(fā)生“悶車”，使擠壓過程不能正常進(jìn)行，甚至損壞工具，影響生產(chǎn)率。如果λ值選用過小，擠壓設(shè)備的能力不能得到充分利用，也不利于獲得組織和性能均勻的制品。厚壁型材擠壓比λ一般為10~30，薄壁50~180（見圖3、圖4）。

圖3 Π型材

圖4 Y型材

2.3.4 擠壓速度

在擠壓過程中，當(dāng)擠壓速度過快時(shí)，會(huì)造成金屬流動(dòng)難于均勻，鈦金屬流到模具腔內(nèi)壁摩擦加劇致使模具工作帶磨損加速，模具溫度實(shí)際較高等現(xiàn)象。如果此時(shí)金屬變形產(chǎn)生的余熱不能被及時(shí)帶走，模具就可能因局部過熱而失效。如果擠壓速度適宜，就可避免上述不良后果的發(fā)生，擠壓速度一般應(yīng)控制在200mm/s以下。

2.3.5 擠壓溫度

擠壓溫度是由模具預(yù)熱溫度、擠壓筒溫度和棒坯溫度來決定的。

（1）模具預(yù)熱溫度

型材模具預(yù)熱溫度選擇200~300℃。如預(yù)熱溫度過低，擠壓力過大，模具容易碎裂；預(yù)熱溫度過高則難以裝模。

（2）擠壓筒溫度

擠壓簡溫度選擇的不合理也會(huì)影響擠壓的質(zhì)量，對(duì)于厚壁型材建議擠壓筒溫度為420~450℃，另一方面，擠壓筒不干凈，余積氧化皮過多，或者擠壓筒已變形，以及擠壓簡與擠壓墊間隙過大，均影響擠壓質(zhì)量。

（3）棒坯溫度

棒坯溫度過低容易引起擠壓力升高或產(chǎn)生悶車現(xiàn)象，模具容易出現(xiàn)局部微量的彈性變形，或在應(yīng)力集中的部位產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致模具早期報(bào)廢。棒坯溫度過高會(huì)使擠壓金屬流速過快，金屬的變形抗力相對(duì)減弱，型材邊部難以成形。根據(jù)棒坯牌號(hào)選擇合理加熱溫度（見圖5）。

圖5 加熱后的棒坯

3 鈦合金型材未來發(fā)展研究方向

3.1 擠壓模具重復(fù)利用研究

為了節(jié)約成本，更好地保護(hù)模具并提高制品質(zhì)量，開發(fā)出復(fù)合潤滑方法，模具表面氧化鋯噴涂技術(shù)和模具表面潤滑劑配比及使用，有效保護(hù)了擠壓模具，目前能夠?qū)崿F(xiàn)部分型材擠壓后，模具僅發(fā)生涂層的脫落，基體未發(fā)生破壞和變形，因此，模具重新噴涂后可實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用2~3次。

3.2 坯料加熱過程表面防護(hù)技術(shù)及擠壓潤滑工藝技術(shù)

由于鈦合金型材擠壓溫度高，高溫高壓下，模具極易磨損。因此，鈦合金熱擠壓成型工藝都必須采用玻璃潤滑劑，才能起到減小坯料斷面的溫差，改善塑性和隔離鈦與模具材料的作用。防護(hù)涂層主要目的是防止或減緩因氣體或合金成分的互擴(kuò)散對(duì)基材造成的熱腐蝕及對(duì)涂層的改性，所以涂層性能在高溫下的持續(xù)和穩(wěn)定性成為高溫涂層研究的重點(diǎn)，防護(hù)效果好就要求涂層在高溫下活性差，具有一定的粘度，但是高溫粘度大，潤滑效果就差，有待對(duì)玻璃潤滑和防護(hù)涂層進(jìn)一步優(yōu)化和研究，改善型材表面質(zhì)量。

4 結(jié)論

（1）擠壓模具的材料和結(jié)構(gòu)影響鈦合金型材制備質(zhì)量。

（2）擠壓用棒坯熔煉和鍛造影響鈦合金型材制備質(zhì)量。

（3）擠壓工藝棒坯噴涂、模具噴涂、擠壓比、擠壓速度影響鈦合金型材制備質(zhì)量。