鈦合金TC4浮球鍛造工藝研究

劉衛標，楊 松

（云南昆鋼重型裝備制造集團有限公司，云南 昆明 650000）

關鍵字：鈦合金；TC4；鍛造；工藝

1 鈦合金TC4材料要求

1954年美國成功研制Ti-6Al-4V合金，即TC4鈦合金。由于它的耐熱性、強度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好，成為鈦合金工業中的王牌合金，其使用量已占全部鈦合金的75%～85%。

1.1 鈦合金TC4成分

TC4是國內的稱呼，鍛件的國標為HB5432-89。在ASTM中對應為GrF5，鍛件標準為ASTM B 381。在AMS中對應為TI6AL4V，鍛件標準為AMS 4928。在美軍標中對應TI6AL4V，鍛件標準為MIL-T-9047。

在飛機用TC4鈦合金鍛件標準HB5432-89中，TC4鈦合金鍛件的化學成分要求如下：

表1 TC4鈦合金鍛件的化學成分

1.2 室溫力學性能要求

表2 TC4鈦合金鍛件的室溫力學性能

1.3 表面質量要求

鍛件最終交貨時，表面質量要求如下：①鍛件表面不允許有夾雜等影響材質的冶金缺陷，發現后鍛件予以報廢。②在鍛件的待加工表面，裂紋、氧化皮等雜物必須全部消除，其他缺陷允許不清除。在所有清除和允許不清除缺陷的所在部位，均須保證鍛件留有三分之一的名義加工余量。③保證鍛件有后續加工過程中所需的加工工藝余量。

2 浮球尺寸特點

圖1 浮球三維模型

浮球有以下幾個特點：

①該球體有上下兩半組成，裝配后，兩球體球心不重合，直徑最大為700mm；成品重量約90kg半球重量45kg；②該球體為薄壁件，最薄處厚度為13mm，最厚處26mm；③兩個半球的結合面、尾部端面加工精度要求高，表面精度Ra0.8。

3 鍛造工藝

鍛造采用自由鍛形式，最后在模具內成型。

3.1 工藝線路確定

①TC4鑄錠外購，外購鑄錠重量約560kg；②兩次鐓拔，裂紋處理；③下料，半球毛坯重量約180kg；④對半球毛坯進行加熱鐓拔，鍛造成餅狀，尺寸約為￠1000x100；⑤對餅狀坯料、剝皮、探傷、力學性能試驗、尺寸檢測，全部滿足要求后模具成型；⑥初車加工；⑦無損檢測、尺寸檢驗。

3.2 外購鑄錠計算

在鍛造加工過程中，需要清理裂紋，剝皮、粗車加工等，材料損耗較大。還有考慮出現缺陷問題時可以修復，所有留有較大的余量。綜合各種因素，外購鑄錠的重量按成品重量的6倍-8倍考慮。本產品外購鑄錠的重量為560kg。

3.3 初鍛工藝

按退火后的組織，鈦合金可以分為三大類：①α合金及近α合金。②（α+β）合金。③β合金及近β合金。國家標準用TA代替α合金；TB代表β合金；TC代表（α+β）合金。TC4為（α+β）鈦合金。

鈦合金錠在相變溫度（882℃）以上經過兩墩兩拔。

第一次墩拔加熱溫度控制在1020℃～1030℃，出爐后快速到31.5MN快鍛機進行鍛打，當溫度低于930℃時，進爐加熱，如此反復直到所有材料經過鍛打不少于三次。在鍛造過程中如產生裂紋應清除后再鍛。第二次墩拔溫度稍低于第一次。經過兩次墩拔，材料晶粒細密均勻，密度提升，性能提高。產品的形狀以長條形為宜，便于下道開坯工序。

3.4 精鍛工藝

初鍛完后及時進行外觀檢查，不能有裂紋，并對產品的重量進行核查，不能低于400kg。上述兩項合格后，將產品開坯成重量相等的兩份。

精鍛是為了充分優化纖維組織，進一步提高材料性能。精鍛過程與初鍛相同，但必須嚴格控制出爐溫度與鍛造溫度。產品形狀為餅狀。

3.5 檢驗檢測及成型

精鍛完成后，進行剝皮處理，同時完成無損檢測、力學性能檢測，滿足國標HB5432-89的要求。最后進行尺寸檢測，不小于￠970x70。

把合格的坯料加溫后（低于相變點80℃～90℃左右）在模具內成型，成型時模具需要保持一定溫度還要涂抹潤滑劑，成型壓力控制在1.4Mpa～2.1Mpa，時間控制在10min以內，成型以后自然冷卻。探傷合格，尺寸復查合格后再回爐退火。

4 總結

在鍛造過程中，應嚴格控制氫、氧、氮的含量，必須在產品表面涂層保護膜。氫在α相中溶解度很小，鈦合金中溶解過多的氫會產生氫化物，使合金變脆，氫含量應控制在0.015%以下。氧和氮在α相中有較大的溶解度，對鈦合金有顯著強化效果，但卻使塑性下降，氧含量應控制在0.15%以內。氮含量應控制在0.05%以下。

通過試驗，產品室溫強度達到1172MPa，優于國標標準。在模擬深海6000米試驗時，沒有出現變形及滲漏現象。