大型薄壁鈦環成形工藝

郭銳濤　張素芳　張廣威　李　雪　孔玉婷

(1. 中信重工機械股份有限公司，河南 471003；

2. 河南省大型鑄鍛件工程技術研究中心，河南 471003)

?

大型薄壁鈦環成形工藝

郭銳濤1,2張素芳1,2張廣威1李雪1,2孔玉婷1,2

(1. 中信重工機械股份有限公司，河南 471003；

2. 河南省大型鑄鍛件工程技術研究中心，河南 471003)

摘要：通過分析鈦的熱變形行為，制定出合理的制造成形工藝參數，成功生產了大型薄壁鈦環鍛件。

關鍵詞：鈦環；軋制；熱處理

鈦比一般金屬輕，具有強度高、韌性強、耐酸堿性、抗腐蝕性、穩定性高等優點，是現代宇宙航空科學、海洋科學和核能發電等尖端科學工業所不可缺少的材料。軋環機具有成型過程短、幾何精度高、內部組織均勻、金屬流線分布完整等優點。環軋是生產大型薄壁件的首選加工方法[1]。本文中大型薄壁鈦環的成型方法主要采用鍛造制坯和軋環機軋制配合的方法生產。鍛造及軋制工藝參數對鈦的組織和性能有明顯的影響。

1鍛件規格

鈦環鍛件尺寸見圖1。

圖1　鈦環鍛件尺寸

2制造難點

該鍛件的鍛造生產流程為：下料→鐓粗、沖孔→擴孔、平整高度→粗車→軋環出成品→鍛后熱處理。在生產中的主要難點如下：

(1)在鍛造時表面易產生裂紋。鈦的導熱性能差，高溫下易惡化其變形性能，鈦在高溫下與氧親和力極強，氧通過不斷向鈦基體擴散在基體內

部形成一硬脆層，易在鍛造時產生裂紋[2]。

(2)成型需要多火次加熱，晶粒易粗大。由鈦錠開坯到軋制出成品，需要多次的變形，難以控制鍛件晶粒度及性能要求。

(3)大型薄壁鈦環易產生軋制缺陷。該鍛件壁厚較薄，高度較大，已達到我公司軋環機軋制極限，易造成軋環件尺寸的不穩定性。

3制坯工藝參數確定及分析

(1)制坯加熱工藝

由于鈦加熱時容易吸收氧、氫和氮，使其塑性降低、性能變壞，所以，在加熱前將鈦圓坯表層涂加防氧化涂料。鈦的導熱性差，需進行分段加熱，從室溫以40℃/h緩慢升至750℃并根據導熱系數計算保溫時間。為防止在高溫下鈦相變的脆性轉變需快速升溫，加熱以70℃/h速度進行升溫至變形溫度。工業純鈦的相轉變溫度為900~995℃，在β相區變形應變速率高時，發生不連續屈服，應變速率低時會產生大晶粒超塑性變形現象，在α+β相區變形會使得兩相晶粒相互制約，利于鍛件成形[2、3]。變形溫度低于850℃時容易產生裂紋，故選擇在兩相區進行加熱，加熱溫度控制在995℃以下，選擇溫度為980℃，終鍛溫度控制在850℃以上。

(2)水壓機制坯

制坯前要對所有冶金輔具進行預熱，以防坯料降溫太快影響制坯效果。水壓機制坯時坯料尺寸的確定主要依據后期的軋制成形的可行性。根據德國THYSSEN-WAGNER公司的軋制公式、體積不變原理以及長期積累的設計經驗來設計鈦環的最佳環坯幾何尺寸。其中WAGNER軋制公式為：

(1)

式中，h為環高；s為環壁厚；Δh為高度壓下量；Δs為壁厚壓下量；c為修正系數。

在制坯時為充分打碎鑄態組織，需對鈦圓坯料進行充分變形，純鈦在高溫下的軟化性較強，為防止沖孔過程中內孔出現折疊，鈦環制坯時采用鐓低拔高的方法進行成形。鐓粗沖孔250 mm，預擴內孔至?450 mm、外圓?945 mm，將坯料精擴內圓至?800 mm、平整高度730 mm。制坯完成后冷卻至室溫。

4軋制工藝參數確定及分析

工業純鈦屬于難鍛材料，在鍛造過程中極易產生裂紋，并且氧化性強，一旦產生裂紋只能冷卻至室溫后磨削去除裂紋。為了鈦環成品幾何尺寸及表面質量一次符合要求，對環坯進行粗加工，清理表面缺陷，特殊情況下進行倒角和切坡口。

(1)軋制加熱參數

將粗車完成后的鈦環坯料表層涂加防氧化涂料并進行加熱。軋制過程是一個連續的線接觸過程，成形速度快，變形能會使得鈦環鍛件溫度升高。鈦環的導熱性差，溫度升高超過相變區域，結合純鈦的相變溫度以及在軋制時環件溫度較高會發生動態再結晶行為，因此為了確保鈦不在β相區進行軋制，應使加熱溫度低于相變溫度，加熱均熱段溫度設定為880～900℃，鍛造溫度控制在850～900 ℃。

(2)軋制成形

軋制過程中速度較大，可以細化晶粒，但也會產生大量的變形熱，使得坯料溫度升高，增加動態再結晶行為的可能性。環件溫度過高，容易粗晶，過低則容易產生裂紋。因此，需要合理制定軋制工藝參數。軋制工藝參數制定的重點是軋制曲線的設計。該環件屬典型的簿壁筒形環，選用筒形環軋制曲線，如圖2所示。

圖2　軋制曲線

初軋階段進給較慢，主要消除環坯橢圓和壁厚差，軋制力和長大速度緩慢上升。主軋階段實現快速穩定軋制，軋制速度定為(5～7)mm/s及定心力10%～15%，隨著環剛性的下降軋制力相應下降。減速成圓階段定心力最終減小至5%以下，以保證消除橢圓、波浪等缺陷[4]。軋制進給曲線如圖3所示。

圖3　軋制進給曲線

軋制成品表面均勻光滑，無肉眼可見缺陷，圓度較好。軋制完成后鍛件收縮在預定的1.007之內，顯示橢圓5 mm，滿足要求。

5鈦環的鍛后熱處理

軋制完成后需對環鍛件進行消除應力退火處理。退火工藝如圖4所示。

圖4　鈦環的退火工藝

經過熱處理后的鈦環鍛件，經本體取樣，晶粒度符合要求。

6結論

(1)通過水壓機制坯-軋環機成型工序成功生產了外徑2 297 mm、壁厚68 mm的大型薄壁鈦環。

(2)通過對工業純鈦TA1的相變和鍛造過程進行分析，制定了合適的加熱溫度、鍛造溫度以及

鍛后熱處理工藝，從而有效控制了成型后晶粒度，其中制坯鍛造溫度控制在850 ~ 980℃，軋環鍛造溫度控制在850~ 900℃。

(3)根據薄壁環件易產生橢圓、波浪等特性，初軋速度較慢、主軋快速穩定的軋制進給曲線設計是鍛件合格的關鍵。同時鍛件制坯尺寸的確定也至關重要，該鍛件制坯參數的選擇符合軋環機軋制要求。

參考文獻

[1]糜丹青. 鈦的鍛造[J]. 鈦工業進展, 1996(6): 14-17．

[2]王震, 洪權, 趙永慶. 鈦合金熱變形行為研究[J]．鈦工業進展, 2010, 27(3)：12-17．

[3]李東, 趙永慶. 鈦合金晶粒細化研制進展[J]. 材料導報, 2005, 19( 11) : 421-42.

[4]陳洪，王雷剛，錢喜根，吳君三，范禹. 大型環件軋制時偏心現象研究[J]. 大型鑄鍛件，2012, 6(11)：17-21.

編輯杜青泉

Forming Process of Heavy Thin Walled Titanium Alloy Ring Forging

Guo Ruitao, Zhang Sufang, Zhang Guangwei, Li Xue, Kong Yuting

Abstract：By analyzing the thermal deformation behavior of titanium alloy, the rational forming process parameters have been prepared. Meanwhile, the heavy thin walled titanium alloy ring forging has been produced successfully.

Key words：titanium alloy ring forging; rolling; heat treatment

作者簡介：郭銳濤(1985—)，工藝員，從事大型鍛件的軋制工藝研究。

收稿日期：2015—07—22

中圖分類號：TG331

文獻標志碼：B