鈦合金板鍛造工藝研究

2018-04-16 08:35:12李七平韓文科許敬月

裝備機械 2018年1期

關鍵詞：變形工藝

□李七平□潘強□李慧□韓文科□許敬月 □王波

1蘭州蘭石能源裝備工程研究院蘭州 730314

2甘肅省高端鑄鍛件工程技術研究中心蘭州 730314

1 鈦及變形鈦合金概述

1.1 應用概況

鈦是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬，其主要特點是密度小、強度高，特別是比強度高，同時具有良好的耐熱性和耐蝕性，因此鈦合金首先在航空工業中得到應用[1]，主要有航空發動機用高溫鈦合金和機體用結構鈦合金。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發，并進行了實際應用。因鈦合金的耐蝕性能優異，近年來，鈦合金在石油、化工、冶金、生物醫學和體育用品等領域開始應用，并成為新工藝、新技術、新設備不可缺少的金屬材料，鈦工業進入了一個新的發展時期[2-5]。

1.2 鈦的基本物理特性

純鈦是銀灰色金屬，具有良好的塑性和冷熱成形性能，但強度低，可通過合金化的方法獲得所需要的性能合金。純鈦熔點為1668℃，密度為4.54g/cm3，在882.5℃時會發生同素異晶轉變。在882.5℃以下為密排六方晶格，稱為α-Ti。在882.5℃以上為體心立方晶格，稱為β-Ti。β-Ti耐熱性較差，但工藝塑性較好，易于鍛造[6]。

鈦和鈦合金的導熱性差，化學活性強，對可引起自身脆性的氫、氧和氮很敏感，給冶煉、機械加工、熱處理帶來不少困難，造成生產成本較高[7]。

1.3 變形鈦合金分類

按照退火狀態的相組成分類，可以將鈦合金劃分為三大類：α型、α+β型和β型鈦合金，還可以將α+β型鈦合金再進一步細分為近α型、α+β型和近β型三類[8]。

2 鈦合金板鍛造工藝準備

采用陜西寶雞某鈦業公司的20件鈦合金板鍛件進行試驗，材質為TA1/TA2，材料尺寸為2 100 mm×910 mm×170 mm，根據生產過程在一定范圍內進行控制，質量為1 505 kg。試驗目的是提高材料利用率，盡可能減小機加工量。為獲得理想的內部組織，要求經過一次加熱鍛造完成。鈦合金板鍛件如圖1所示，其技術要求為：①板坯板面平整，棱角方正，鍛件表面不得有裂紋、凹坑、折皺等缺陷；②板面不平度≤5 mm/m，板坯厚度差≤5 mm，板寬厚度差≤5 mm；③必須一次加熱鍛成。

圖1 鈦合金板鍛件

2.1 鍛造熱力規范

鈦合金的組織和性能基本取決于合金的化學成分和熱處理，鍛造溫度范圍、變形程度和變形速度等熱力學規范參數，對鈦合金鍛件的組織及性能有很大影響[9]。從利用金屬塑性的角度出發，鈦合金的始鍛溫度越高越好，但α+β型鈦合金或α型鈦合金，如果始鍛溫度超過合金的β相轉變溫度，那么由于晶粒劇烈長大，鍛后會形成魏氏組織，鍛件的室溫塑性很低。已知TA1/TA2的β相轉變溫度為885～900℃，因此鍛造溫度區間定為650～950℃。

由于試驗使用的是天然氣加熱爐，因此要求爐中保持微氧化氣氛，盡可能減小氫對鈦錠表面的污染。鈦合金的鍛造溫度區間較窄，是鈦合金鍛造比較困難的原因之一[10]。

2.2 鈦合金板收縮率

鈦合金收縮率比鋼小得多，一般為0.5%～0.7%，同時鈦合金板終鍛溫度較低，因此收縮率取0.4%～0.5%即可。

2.3 鈦合金板鍛造工裝

為做好試驗，專門設計制造了一件長方形上砧板，板寬550 mm，長2 300 mm，工作表面粗糙度為3.2 μm。砧板邊緣倒較大圓角，鍛造前砧板預熱溫度為200～300℃。

2.4 鈦錠表面潤滑

鈦合金化學性質活潑，在高溫劇烈變形時，金屬流動產生的新鮮表面容易粘在模具上[11-13]。選用玻璃防護潤滑劑，可以減少氧化皮，還可以起潤滑與防護作用，保護鈦合金免受氫氣、氧氣、氮氣污染，避免形成表面α脆化層而產生鍛造裂紋。由于鈦錠表面經過去雜質處理，因此要提前24 h刷涂玻璃防護潤滑劑，自然風干，然后裝爐。

3 編制鍛造工藝

3.1 工藝指導原則

TA1/TA2屬于工業純鈦，為α型鈦合金。在嚴格控制一次加熱鍛成的情況下，鈦錠的始鍛溫度控制在940～960℃，也就是在β相轉變溫度下鍛造。在此狀態下工藝塑性較好，利于塑性變形，但晶粒較粗大，必須給予較大的變形量，以使晶粒細化，這是開始變形時的主要鍛造特點。開始鍛造時給予大變形量，既可獲得較細的晶粒度，又能減少因溫度較低產生表面裂紋的現象。待接近成品尺寸時，留一些修整量即可。

鈦合金的變形抗力隨溫度降低而急劇增大，隨溫度升高則顯著下降，因此在高溫區需要大變形量展寬時盡可能展寬，并留出一定的寬度修整量，而不要急于鍛出棱邊，否則由于棱邊降溫快及棱邊的牽制效應，高溫區材料的流動會被低溫區棱邊固定，造成最終鍛件頻繁修整。

在展寬獲得足夠寬度的情況下，鍛出棱邊。由于厚度尺寸已經鍛到最終尺寸，修整量并不大，因此利于快速修整出最終成品。

3.2 成形工藝確定

按常規鍛打方塊，優點是工藝方案容易理解，鍛打方法較熟練，缺點是三個面來回翻轉，厚度較薄，鐓粗易彎曲，而且三個方向的尺寸不易控制，材料流動控制較難。

將鍛打方塊與拔長工藝相結合。由于鈦錠的截面尺寸較小，約φ450 mm，不能采用拔料的方法直接鍛出圖紙截面尺寸，而必須采取鐓粗方法，增大截面積，為后續展寬做鋪墊。這一方法的最大優點是材料流動有規律，寬度和厚度尺寸容易控制，長度不限。工藝路線為：展寬，保證一定的厚度；立起鐓粗，再展寬，鐓粗；起4個角，平整，立起；壓棱邊，翻轉90°；平厚度，再轉 90°；壓棱邊，平整；最終完成成品。

經比較兩種成形工藝，確定采用鍛打方塊與拔長工藝相結合的成形工藝。

3.3 鍛造工步

（1）先對坯料進行壓扁，然后鐓粗，增大截面積。坯料先壓扁至厚度250 mm，寬度600 mm，然后立起鐓粗，增大截面積，同時盡可能鍛出4個角，壓下量為200 mm。翻轉180°，再鐓粗，壓下量為200 mm，總壓下量約400 mm。圖2、圖3所示為坯料展寬和展寬后鐓粗現場。完成上述鍛造工步，坯料高度約1 700 mm，寬度約700 mm，厚度約280 mm。