等温锻造技术研究动态

2012-12-15王淑云张敏聪东赟鹏刘趁意北京航空材料研究院焊接及锻压工艺研究室

锻造与冲压 2012年1期

文/王淑云，张敏聪，东赟鹏，刘趁意·北京航空材料研究院焊接及锻压工艺研究室

等温锻造是将锻造模具加热到与坯料相同的温度进行变形，可以采用低的变形速度和长的保压时间使锻件在变形过程中温度变化降到最低程度。因此，在实际应用中等温锻造逐渐超出了传统超塑性模锻的范畴，广义的讲，等温锻造是指把锻模的温度控制在和毛坯加热温度大致相同的范围内，使毛坯在温度基本不变的条件下慢速完成全过程的锻造工艺。

工艺特点

在金属热锻过程中，锻造模具温度、变形速度等因素对工件不同部位的温度均匀性及变形量分布会产生非常大的影响，按照锻件成形过程中模具温度和变形速度的不同，可以将热锻分为常规热锻、等温锻造和热模锻造等三种锻造成形方法。采用常规热锻、等温锻造和热模锻造等三种不同的锻造方法进行铝合金、钢、钛合金及镍基高温合金锻造时，模具温度及锻件变形时间对比示意图如图1所示。

图1 不同锻造方法划分示意图

常规热锻是将锻件加热到一定温度，然后置于温度远低于锻件温度的模具上进行快速锻压成形，整个锻压过程只需几秒钟。从图1可以看出，常规热锻时模具温度一般为坯料加热温度的10%～38%，而锻造时压力保持时间甚至会小于1s。

等温锻造的主要特点是模具与成形件处理基本在相同的温度，因此需要带有模具加热及控温装置。由于等温锻造具有相对较高的模具温度，减少或消除了锻坯接触冷模而产生的“激冷”效应，保证锻坯在整个锻造过程能保持在基本恒定的温度，等温锻造时毛坯的变形速度可以很低，一般应变速率为0.001～0.1/s。对于具有超塑性变形特点的材料，根据材料的具体变形特性，等温锻造应变速率甚至可以降低到1×10-4/s以下，以充分利用合金的超塑性。

热模锻造是介于常规热锻和等温锻造之间的一种锻造工艺，其工艺特点是将模具温度加热到比坯料温度低110～225℃的温度范围，在液压机上以10～20mm/s的速度进行锻造，热模锻造主要应用于变形温度较高且变形温度范围较窄的钛合金、高温合金构件的锻造成形。

模具材料

等温锻造要求模具加热到与坯料相同温度下工作，所以对模具材料的高温性能也提出了严格的要求，等温锻造模具材料应满足如下要求：

(1)高的高温强度，一般认为至少在成形温度模具材料的屈服强度σs应为工件材料极限强度σb的2.5～3倍。

(2)高的耐磨性和一定的高温硬度。

(3)优良的耐冷热疲劳性和抗氧化性能。

(4)适当的冲击韧性。

(5)较好的淬透性和导热性。

按工件材料变形温度范围和等温锻造模具的使用温度范围，可将等温锻造模具材料分为三种，分别是热作模具钢模具材料、铸造高温合金及金属间化合物模具材料和难熔金属合金模具材料。

热作模具钢模具材料

铝合金、镁合金等锻造温度较低，一般不超过600℃，其等温锻造模具一般采用常规的热作模具钢制造，常用的热作模具钢模具材料有5CrNiMo、5CrMnMo、4CrMnSiMoV、4Cr5MoVSi（H13）等。

铸造高温合金及金属间化合物模具材料

钛合金和部分镍基高温合金等温锻造的温度范围在700～1100℃之间，常用Ni基或Ni3Al基铸造合金作模具材料。这类模具材料的特点是高温强度高、有较好的抗氧化性和冷热疲劳性能、可在大气下条件下使用。表1为国内外部分使用温度700℃以上的等温锻造模具材料的化学成分。

表1 国内外典型的等温锻造用高温合金成分

图2 K21、N3和DM03合金在不同温度条件下拉伸性能

图3 美国几种典型等温锻造模具材料性能对比

国内研究的应用于钛合金和高温合金等温锻造的Ni基或Ni3Al基模具材料主要有K3合金、K21合金、N3合金和DMO2合金等四种。K3合金使用温度一般在1000℃以下，主要用于钛合金构件的等温锻造。N3合金和DM03是近几年由北京航空材料研究院开发的使用温度可以达到1100℃的等温锻造模具材料，K21合金、N3合金和DM03合金高温拉伸性能如图2所示。

铸造成形性能是制造大型等温锻造模具的主要手段，材料的可铸性直接影响到模具的加工和使用寿命。N3合金具有良好的铸造性能，目前国内采用真空精密消失模铸造工艺技术制造的大型N3合金等温锻造模具，已应用于粉末冶金高温合金盘件的等温锻造。

俄罗斯开发了多种Ni基高温合金模具，主要有ЖС6К、ЖС6У、ИЩВ—1、ИЩВ—2。ИЩВ—1的工作温度为850～900℃，ИЩВ—2的工作温度为900～1000℃，这两种合金主要用于钛合金的等温锻造。Ni3Al基合金具有熔点高，密度小，比强度高，抗氧化性能好等优点，是一种潜在的高性能、高温结构材料。俄罗斯轻合金研究院给出了几种典型的使用温度在1000℃及其以上的等温用模具材料的技术参数，具体见表2。

表2 俄罗斯几种高温合金等温用模具材料的技术参数

难熔金属合金模具材料

美国等温模锻用的Ni基高温合金模具材料一般在1000℃以下使用，使用温度1100℃及其以上的等温锻造模具材料主要为TZM钼合金。图3为美国几种典型等温锻造模具材料的高温强度水平的对比。

1973年，Pratt&Whitney首次将TZM钼合金作为Gatorizing等温锻造模具材料生产高温合金盘件并获得成功，其成分为Mo-0.5Ti-0.07Zr-(0.01～0.04)C。TZM钼合金在工作温度超过500℃时极易氧化，作为等温锻造模具必须在真空或惰性气体保护下使用，需要建立专用的全封闭等温锻造压机。图4为美国Ladish公司设计的100MN和Wyman-Gorden公司的80MN真空等温锻压力机。

图4 美国真空等温锻造设备

图5 Ti-6Al-4V合金锻造变形时模具温度与锻造压力的关系

目前，TZM钼合金在美国作为钛合金、高温合金盘件等温锻造用模具材料得到广泛的应用，并且是世界上用等温锻造或超塑性锻造方法工业生产粉末高温合金盘件的惟一模具材料。

工艺优势

等温锻造特别适合于那些锻造温区窄的难变形材料，例如高温合金、钛合金及粉末高温合金等。等温锻造与常规热锻相比，其技术优势主要体现在以下几个方面：

⑴提高材料可锻性。等温锻造可显著提高金属材料的塑性，对变形速度和变形温度都非常敏感，甚至允许变形温度范围极窄的热加工性能差的难变形材料，如镁合金、钛合金、镍基高温合金、金属间化合物及陶瓷材料等，常规热锻时存在高变形抗力、高锻造载荷、多火次锻造、并且极易导致锻件开裂等多种问题，变形速度的提高和变形温度的降低都会严重影响其变形性能和锻件质量，而等温锻造使材料变形过程温度保持不变并采用很慢的变形速度，可有效改善材料热加工塑性，实现利用常规热锻方法难以变形材料的锻造成形。

⑵降低锻件成形载荷。等温锻造极大地降低金属的流变抗力，材料在超塑性状态下，金属的流变抗力很低，一般超塑性模锻的总压力只是相当于普通模锻的几分之一到几十分之一。锻造模具温度对锻件成形所需的压力具有极大的影响，由于等温锻造模具温度与坯料温度一致，使工件在与模具接触时不会产生温降，同时工件和模具间通过良好的润滑条件，使摩擦力降到最低，降低变形可以使材料的流变应力降低，因此金属在等温锻造时可以有效降低锻件成形载荷。图5为Ti-6Al-4V合金锻造变形时模具温度与锻造压力的关系，模具温度由955℃降低到730℃时可导致锻造压力提高一倍。

表3 典型近净成形等温锻件设计参数

等温锻造时所需变形压力通常只有常规热锻压力的10%～20%，因此可以实现在吨位较小的锻造设备上模锻尺寸较大的工件。

⑶提高锻件材料利用率。等温锻造工艺通过将模具加热到与锻坯相同的温度，使锻件成形过程温度保持恒定和降低应变速率，特别是充分利用合金的超塑性，有效改善了材料的热加工性能和金属流动性。在进行锻件设计时，等温锻造锻件可以比常规热锻件具有更小的过渡圆角、拔模斜度和锻件表面加工余量。据资料统计，超塑性模锻与普通模锻相比，金属材料消耗降低一半以上。表3为国外典型构件等温近净成形时采用的设计参数。图6为等温锻造镍基高温合金盘型件与普通热锻锻件轮廓线对比。

图6 等温锻造镍基高温合金盘型件与普通热锻锻件轮廓线对比

⑷提高锻件冶金质量均匀性。等温锻造减少甚至消除了坯料锻造过程接触冷模而造成的温降，可以采用低的变形速度和长的保压时间使锻件慢速成形，等温锻造变形过程锻件各部位温度基本保持一致，超塑性成形后金属晶粒仍为等轴晶，锻件所获得的是均匀细晶粒组织，并呈各向同性，使锻件的屈服强度、疲劳性能及抗应力腐蚀性能都有显著提高。因此，等温锻造锻件冶金质量与普通锻造锻件相比，等温锻件的显微组织和力学性能都更加均匀，具有良好的综合力学性能。

技术的应用选择

锻件成形工艺设计不但要保证锻件几何形状和冶金质量满足用户要求，还要考虑锻件制造过程成本与质量间的平衡。利用等温锻造生产的锻件冶金质量一般明显优于常规锻造工艺制造的锻件，但等温锻造也具有其局限性，主要表现在：等温锻造模具及其配套加热装置的成本昂贵，工艺控制成本高，锻造生产率较低，因此，在锻件需求数量较少时，等温锻件的制造成本会明显高于常规热锻件。等温锻造的首批投入一般都很高，等温锻造和热模锻造的成本增加主要来源于模具及其配套加热装置和严格的工艺控制，但成本增加所带来的好处是可以实现对锻件几何形状、微观组织与力学性能的全方位控制，可以减少或消除冷模组织及其他缺陷，实现近净成形，降低材料损耗和后续机加工费用等。

决定是否采用等温近净锻造成形需要考虑以下几方面的因素：锻件冶金质量要求、材料锻造性能、锻件几何形状及复杂程度、锻造温度及模具温度、锻件总数量、节省原材料和零件机加工费用、模具寿命和工具维护费用等。图7所示为采用板材直接机械加工、常规热锻＋机械加工以及等温近净成形等三种不同工艺制造Ti1023合金发动机安装支架零件时，制造零件数量与零件单件价格的关系统计结果。