钛合金零件等温锻造工艺的应用与现状

文/洪慎章·上海交通大学塑性成形技术与装备研究院

钛合金零件等温锻造工艺的应用与现状

文/洪慎章·上海交通大学塑性成形技术与装备研究院

金属材料热变形的目的是降低材料的变形抗力，提高其塑性，有利于成形过程的稳定。传统的热变形方法是将坯料从加热炉内移至冷模或预热的模具中进行加工。多数情况下热变形时模具的预热温度远低于坯料温度，在成形过程中，由于坯料与模具之间的温差较大，会使坯料温度急剧降低，导致材料变形抗力增加，塑性降低。尤其是对于小型零件或表面积与体积比很大的的带窄肋、薄腹板的零件，薄壁处温度下降得非常快。

在成形过程中，坯料温度的降低会减慢材料的塑性流动能力，提高其变形抗力，不但增大设备功率，增加生产成本，降低模具的使用寿命，而且由于材料变形温度的降低，会在坯料中产生不均匀的温度场，形成难变形区或局部变形区，从而引起材料组织与性能的不均匀。虽然通过将坯料加热到实际变形温度以上，或经过多火次成形，可以适当解决坯料在变形过程中温度降低的问题，但是，这样不仅浪费能源，增加坯料的加热时间，而且会造成金属组织粗大，降低其塑性和强度，增大零件表面氧化层、脱碳层或使其他缺陷层加厚，加大了加工余量，不仅使材料利用率降低，而且增加了机械加工的工时，增加了零件的制造成本，这一点在有色金属材料热变形方面表现得更为突出。

等温锻造工艺的实质及特点

等温锻造是一种新兴工艺，它与常规锻造的主要不同点在于，等温锻造是把模具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完成成形的全过程。常规锻造与等温锻造的比较如图1所示。

这种工艺由于减少或消除了模具激冷和材料应变硬化的影响，不仅变形抗力很小，而且有助于简化成形过程，以及能生产出满足复杂零件要求的精密锻件。因此，等温锻造具有材料利用率高，机械加工费用少，适用范围广等优点。

随着航空工业的迅速发展，钛合金材料将得到更广泛的使用。但是由于钛合金的锻造温度范围窄，变形抗力大，用常规锻造方法很难成形。钛合金的流动应力随着变形温度的降低或变形速度的增加而迅速增大，因此最适合采用等温锻造工艺。等温锻造工艺由于克服了常规热变形过程中坯料温度变化的问题，因此具有以下特点：

图1 常规锻造和等温锻造的比较

⑴降低材料的变形抗力。在等温锻造过程中，由于坯料与模具的温度基本一致，因此坯料的变形温度不会降低，在变形速度较低的情况下，材料软化过程进行得比较充分，使材料的变形抗力降低。此外，也可以使用具有一系列优良的工艺和使用性能的玻璃润滑剂，进一步降低变形抗力，可选用占用空间小，节约能源的低功率设备。

⑵提高材料的塑性流动能力。等温锻造的突出特点之一是可提高材料的塑性流动能力。由于等温锻造时坯料温度不会降低，而且变形速度是比较低的，从而延长了材料的变形时间，可使材料的软化过程充分进行，提高材料的塑性流动能力，并使缺陷得到愈合。这就使形状复杂，具有窄肋、薄腹零件的成形成为可能，也为成形低塑性的难变形材料提供了有效途径。

⑶成形尺寸精度高，表面质量好，组织均匀，性能优良。等温锻造时，由于坯料变形温度基本保持恒定，故可以使材料在较低的变形温度下进行成形加工，而且可以采用一火次成形。等温锻造时的坯料加热温度比常规热变形低100～400℃，加热时间缩短1/2～2/3，从而减少了坯料表面氧化、脱碳等缺陷，提高了锻件的表面质量。由于坯料内温度分布比较均匀，在良好的润滑条件下可使坯料的变形均匀，因而产品组织比较均匀，可以得到最佳的使用性能。此外，由于材料变形抗力低，变形温度波动小，从而减少了模具的弹性变形，有利于锻件几何尺寸的稳定与控制。当采用较低的变形速度进行成形时，由于材料的软化过程比较充分，从而使成形件的内部残留应力变小，成形件在冷却以及热处理过程中变形减小，提高了锻件的尺寸精度。

⑷延长模具使用寿命。等温锻造时所用模具材料及加工费用较高，加工精度的要求也较高，但是在等温锻造过程中，由于模具是在准静载荷、低压力、无交变热应力的条件下进行工作，并且可以使用一系列具有优良的工艺和使用性能的润滑剂，因此模具的使用寿命比常规热变形模具的使用寿命要高。等温锻造通常采用一道工序进行成形，因此只需要一套模具；而常规热变形一般需要多道工序，故需要多套模具。总体来说，采用等温锻造可提高模具使用寿命，降低模具成本。

⑸材料利用率高。等温锻造可以通过减少加工余量，提高产品尺寸精度来减少金属消耗。例如，生产同一涡轮发动机零件，等温锻造所用的原料只有常规热模锻的1/3左右。

等温锻造工艺可以生产各类锻件，如叶轮、整体涡轮、转子叶轮、带轴叶轮、飞机起落架轮毂、舰艇推进器螺旋桨，过去都采用带飞边的热模锻工艺生产，该工艺不仅加工余量大，变形工序多，加热能源消耗大，而且存在锻件质量低及生产成本高等缺陷。

螺旋桨锻件的工艺分析及模具结构设计

工艺分析

螺旋桨锻件是舰艇推进器的关键零件，不仅要有较高的力学性能，而且外形复杂，主轴上的6个桨叶在径向上呈发射状，且扭成倾斜角度50°，从叶根部分的4mm厚度逐渐减薄到叶顶部分的1.5mm。这样的零件形状除了采用高速锤成形之外，还可采用等温锻造。前者需要高速锤，后者要设计专用的等温锻造模具，在投资方面，后者比前者节省。

模具结构设计

根据螺旋桨的几何特征，模具的分模面必须在桨叶的轮廓线上，凹模需要采用组合镶块的结构，等温锻造后的锻件才能脱模。由于桨叶是螺旋面组成的，故分模面也为与之相应的空间曲面。

图2为螺旋桨等温锻造模具结构，它由上下两部分组成，上模部分由上模板和上凸模组成；下模部分由上压板、六片上凹模镶块、压紧圈、六片下凹模镶块、加热装置、下垫板、下模板、下凸模和下顶杆组成。

图2 螺旋桨等温锻造模具结构

结束语

目前，我国等温锻造技术的应用及发展与航空和汽车产业的发展紧密相关。虽然我国航空、船舶及汽车工业稳定增长，但至今我国钛合金成形技术还较落后，因此要想在越来越激烈的世界高新技术竞争中占据一席之地，我们应瞄准国外的先进技术，不断学习国外的经验，进行消化、吸收，在创新和开发方面缩短差距，为提高我国等温锻造技术的生产水平及推动技术进步提供技术支持，使我国早日成为钛合金行业强国，实现我国大飞机的梦想。