等溫鍛造鈦合金技術(shù)研究新進(jìn)展

羅謹(jǐn)靈， 楊啟明， 毛東壁， 馮斐斐

（西南石油大學(xué)，成都610500）

0 引言

“等溫鍛造”的概念出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，其研究始于美國(guó)，很快前蘇聯(lián)也投入其中，使得相關(guān)工作取得進(jìn)步。等溫鍛造是指在鍛造過程中，毛坯和模具都保持穩(wěn)定或變化非常緩慢且高于常規(guī)鍛造的溫度，創(chuàng)造出優(yōu)于常規(guī)鍛造的條件，使許多常規(guī)鍛造存在的缺陷在等溫鍛造條件下能較好地克服。

鈦是20世紀(jì)50年代開發(fā)出供制造業(yè)使用的金屬，具有強(qiáng)度高、耐熱耐腐蝕、韌性好等優(yōu)點(diǎn)，是汽輪機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)及航空航天等精密零部件的優(yōu)選材料。據(jù)NASA估計(jì)，到2020年發(fā)動(dòng)機(jī)材料總量的20%～25%將是鈦鋁合金。鈦合金鍛造融合CAD/CAM技術(shù)，采用等溫鍛造、超塑性鍛造等新興工藝，可防止出現(xiàn)在常規(guī)鍛造條件溫度下降迅速導(dǎo)致材料成形困難的狀況，使毛坯保持和模具相同的溫度，提升鈦合金材料塑性，可將需要多次成形的工件一次精鍛成形。除此之外，等溫鍛造減少了鍛后加工余量，節(jié)省購(gòu)買昂貴的鈦合金材料而支付的生產(chǎn)成本，同時(shí)降低鍛造效果對(duì)操作人員個(gè)人技術(shù)的依賴，大幅提升鍛件質(zhì)量。

1 等溫鍛造特點(diǎn)

常規(guī)鍛造下，毛坯溫度高于模具溫度并不斷將熱量傳遞給模具，毛坯自身迅速冷卻，內(nèi)部分子動(dòng)能降低，難以克服分子間引力，導(dǎo)致塑性降低，變形抗力增加。這就要求使用大噸位鍛造設(shè)備，而形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)如薄壁、高肋件則成形困難且易開裂。

等溫鍛造特別適合于常規(guī)條件下因塑性差、鍛造溫度范圍窄、變形抗力高等引起成形困難的合金及一些金屬材料，要求模具和毛坯均保持低于或等于熱鍛溫度不變。由此可增加材料的塑性，降低分子間的引力，增加材料對(duì)應(yīng)變速率的敏感性，增加毛坯與模具接觸時(shí)間。同時(shí)，等溫鍛造對(duì)鍛壓加工設(shè)備的壓力要求降低，其原因在于此時(shí)由于溫度較高，材料的變形抗力大幅降低，只需要常規(guī)鍛造壓力的20%～30%就可以進(jìn)行鍛壓加工。采用等溫鍛造加工的零件各部位變形均勻，微觀組織和機(jī)械性能較好，加工余量小。

2 鈦合金等溫鍛造研究成果新進(jìn)展

Ti-6Al-4V是世界上第一代能大規(guī)模應(yīng)用的鈦合金，相關(guān)基礎(chǔ)研究成果較多。奧地利研究人員提出細(xì)胞自動(dòng)機(jī)方法并結(jié)合晶粒動(dòng)力學(xué)進(jìn)行Ti-6Al-4V合金等溫和非等溫?zé)崽幚黼p相晶粒結(jié)構(gòu)建模，建立了預(yù)測(cè)微觀兩相區(qū)域晶粒尺寸變化的概率性細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型［1］。

德國(guó)赫姆霍茲材料研究院采用鑄塊冶金學(xué)研究了大尺寸鈦鋁合金件，指出采用無損檢測(cè)（NDE）技術(shù)新方法處理的大尺寸鈦鋁合金材料可用于生產(chǎn)高質(zhì)量磁盤和整體葉盤等產(chǎn)品［2］。

俄羅斯科學(xué)院通過添加硼元素改進(jìn)鈦合金，發(fā)現(xiàn)加硼后的鈦合金有利于變形加工。硼合金化處理的VT8鈦合金在700～1000℃范圍能大大提升壓縮屈服應(yīng)力；在650～700℃多重等溫鍛造時(shí)加快了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)速度［3］。

目前用等溫鍛造進(jìn)行模擬制造的零件主要集中在航空和汽輪機(jī)的零部件上。葉片和葉盤類零件的研究很多，采用的材料主要為TC4鈦合金。此外，航空用的鈦合金機(jī)翼和鈦鋁合金艙壁取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。

特殊加工工藝的采用能夠增強(qiáng)鈦合金等溫鍛造后的機(jī)械性能，有利于鍛造成形并獲得質(zhì)量較好的鍛件。例如Huang Shuhui等［4］觀察了TC4鈦合金葉片未置氫和氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%時(shí)等溫鍛造后等溫鍛造組織的演變，得出置氫使葉片強(qiáng)度提升11%，伸長(zhǎng)率下降3%～15%的結(jié)論。

3 鈦合金等溫鍛造的應(yīng)變速率因素影響分析

鈦合金等溫一次鍛造成形過程中模具與毛坯接觸時(shí)間約為102～103s，應(yīng)變速率比非等溫鍛造低，其數(shù)量級(jí)一般在10-3～10-5m/s范圍內(nèi)。由于溫度在鍛造過程中是相當(dāng)重要的因素之一，目前研究應(yīng)變速率對(duì)鍛造效果的影響需要結(jié)合溫度條件。

李曉麗等［5］對(duì)TC6鈦合金晶粒尺寸演變的研究發(fā)現(xiàn)變形速度越大，晶粒尺寸越小，但分布越不均勻。

Z.L.Zhao等［6］通過Ti-17粉末壓塊等溫鍛造在810～920℃范圍內(nèi)應(yīng)變速率為0.001～1 s-1范圍時(shí)得到不同變形條件下的能量損耗效率，據(jù)此劃分鈦合金流動(dòng)穩(wěn)定區(qū)域和不穩(wěn)定區(qū)域，指出應(yīng)變速率在研究范圍內(nèi)取較低值能有效改變微觀結(jié)構(gòu)。

Feng Cheng等［7］進(jìn)行的復(fù)雜形狀的鈦合金機(jī)翼等溫鍛造模擬結(jié)果顯示等溫鍛造載荷不僅與鍛造溫度相關(guān)，也與壓機(jī)速率相關(guān)；壓機(jī)速率越慢，填充性越好，溫度在900～950℃時(shí)對(duì)填充性的影響最小，機(jī)翼的機(jī)械性能顯著提升。

4 鈦合金等溫鍛造的溫度因素

溫度是鈦合金等溫鍛造中非常重要的因素。為取得良好效果，目前的研究溫度主要集中在800～1200℃范圍內(nèi)。為了進(jìn)行鍛造結(jié)果對(duì)比，研究的溫度已低達(dá)700℃以下，如TC4-DT鈦合金近等溫鍛造微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能研究中最低溫度達(dá)到400℃［8］。不進(jìn)行溫度對(duì)比的等溫鍛造研究基本都在800～1200℃范圍內(nèi)，更集中一些可縮小至900～1100℃。TC4鈦合金葉輪成形模擬將坯料及模具溫度分別設(shè)為940 ℃、900 ℃［9］；TC11 鈦合金葉輪精密成形設(shè)計(jì)方案中模具及坯料溫度為950℃［10］。

為了得到不同溫度條件下鈦合金材料的最佳鍛造效果，研究人員在研究過程中會(huì)采用兩種方式。第一種方式是選取2～3個(gè)不同的溫度，如判斷TC4鈦合金等溫鍛造時(shí)是否進(jìn)入超塑性變形狀態(tài)，分別采用900℃、925℃、950℃三個(gè)不同的變形溫度進(jìn)行分析［11］；描述Ti-22Al-25Nb合金的等溫鍛造流動(dòng)應(yīng)力并計(jì)算其表觀活化能時(shí)，選擇的溫度分別為1060℃和940℃［12］。

第二種方式是選取一個(gè)或多個(gè)溫度范圍，通過軟件或?qū)嶒?yàn)對(duì)鈦合金材料產(chǎn)生的變化進(jìn)行連續(xù)的模擬與分析。如TC6鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)研究將溫度范圍選擇在860～950 ℃［5］；擠壓比為12 的雙相 γ-TiAl合金棒材的等溫?zé)釅嚎s實(shí)驗(yàn)將溫度設(shè)定在900～1100℃［13］；為獲得超細(xì)結(jié)晶微觀結(jié)構(gòu)和較好的性能增強(qiáng)效果，Ti-17粉末壓塊等溫鍛造溫度選為810～920 ℃［14］。

研究結(jié)果認(rèn)為，相對(duì)于第一種方式，選擇第二種方式更普遍也更能準(zhǔn)確把握鈦合金材料在等溫鍛造過程中的變化規(guī)律，甚至可以認(rèn)為后者是前者的基礎(chǔ)。上述第一種方式中Ti-22Al-25Nb合金的研究將鍛造溫度選為1060℃和940℃，其原因在于940～1000℃時(shí)材料呈α2+β/B2+O三相結(jié)構(gòu)，而1000～1060℃時(shí)材料則呈α2+B2二相結(jié)構(gòu)［12］。

有的文獻(xiàn)僅給定了溫度的相對(duì)關(guān)系。如X.G.Fan等［15］基于最終加熱溫度和初始溫度關(guān)系研究了TA15鈦鋁合金等溫局部加載成形的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)和微觀特征并評(píng)價(jià)其等溫成形過程的摩擦因數(shù)。上述研究成果均為等溫鍛造研究打下了理論基礎(chǔ)，其他同類研究成果還有很多，在此不一一例舉。

5 結(jié)論

1）鈦合金等溫鍛造不要求使用大噸位鍛造設(shè)備，從而降低了等溫鍛機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度；等溫鍛造過程中持續(xù)的高溫可降低變形抗力，有利于鍛件一次成形，減少加工工序，提高生產(chǎn)效率；鍛造的零件各部位變形均勻，微觀組織和機(jī)械性能較好，加工余量小。

2）在等溫鍛造研究中溫度仍是研究的重點(diǎn)。此外隨著新材料開發(fā)，鈦合金材料中的微量元素成分一直在變化。為了獲得較好的鍛造結(jié)果，使鍛件機(jī)械性能良好，不同成分的鈦合金對(duì)鍛造溫度有不同的要求，這就需要與新材料對(duì)應(yīng)的新研究來找到最合適的溫度范圍。

3）研究應(yīng)變速率對(duì)鈦合金等溫鍛造的研究中，應(yīng)首先確定溫度，再選取應(yīng)變速率。應(yīng)變速率變化產(chǎn)生的影響將受到溫度的制約。所以以后的應(yīng)變速率研究，必須基于溫度研究的結(jié)論，在合適的溫度范圍內(nèi)確定應(yīng)變速率范圍。

4）等溫鍛造尚處于發(fā)展階段，還可以引入很多理論研究和新實(shí)驗(yàn)方法。目前有效的研究方式不一定是最佳的，還會(huì)有研究人員提出新觀點(diǎn)，借鑒其他成形加工的工藝或從材料研究中找到提升鍛件質(zhì)量的方法。

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