等温锻造钛合金技术研究新进展

罗谨灵， 杨启明， 毛东壁， 冯斐斐

（西南石油大学，成都610500）

0 引言

“等温锻造”的概念出现于20世纪60年代，其研究始于美国，很快前苏联也投入其中，使得相关工作取得进步。等温锻造是指在锻造过程中，毛坯和模具都保持稳定或变化非常缓慢且高于常规锻造的温度，创造出优于常规锻造的条件，使许多常规锻造存在的缺陷在等温锻造条件下能较好地克服。

钛是20世纪50年代开发出供制造业使用的金属，具有强度高、耐热耐腐蚀、韧性好等优点，是汽轮机、发动机及航空航天等精密零部件的优选材料。据NASA估计，到2020年发动机材料总量的20%～25%将是钛铝合金。钛合金锻造融合CAD/CAM技术，采用等温锻造、超塑性锻造等新兴工艺，可防止出现在常规锻造条件温度下降迅速导致材料成形困难的状况，使毛坯保持和模具相同的温度，提升钛合金材料塑性，可将需要多次成形的工件一次精锻成形。除此之外，等温锻造减少了锻后加工余量，节省购买昂贵的钛合金材料而支付的生产成本，同时降低锻造效果对操作人员个人技术的依赖，大幅提升锻件质量。

1 等温锻造特点

常规锻造下，毛坯温度高于模具温度并不断将热量传递给模具，毛坯自身迅速冷却，内部分子动能降低，难以克服分子间引力，导致塑性降低，变形抗力增加。这就要求使用大吨位锻造设备，而形状复杂的结构如薄壁、高肋件则成形困难且易开裂。

等温锻造特别适合于常规条件下因塑性差、锻造温度范围窄、变形抗力高等引起成形困难的合金及一些金属材料，要求模具和毛坯均保持低于或等于热锻温度不变。由此可增加材料的塑性，降低分子间的引力，增加材料对应变速率的敏感性，增加毛坯与模具接触时间。同时，等温锻造对锻压加工设备的压力要求降低，其原因在于此时由于温度较高，材料的变形抗力大幅降低，只需要常规锻造压力的20%～30%就可以进行锻压加工。采用等温锻造加工的零件各部位变形均匀，微观组织和机械性能较好，加工余量小。

2 钛合金等温锻造研究成果新进展

Ti-6Al-4V是世界上第一代能大规模应用的钛合金，相关基础研究成果较多。奥地利研究人员提出细胞自动机方法并结合晶粒动力学进行Ti-6Al-4V合金等温和非等温热处理双相晶粒结构建模，建立了预测微观两相区域晶粒尺寸变化的概率性细胞自动机模型［1］。

德国赫姆霍兹材料研究院采用铸块冶金学研究了大尺寸钛铝合金件，指出采用无损检测（NDE）技术新方法处理的大尺寸钛铝合金材料可用于生产高质量磁盘和整体叶盘等产品［2］。

俄罗斯科学院通过添加硼元素改进钛合金，发现加硼后的钛合金有利于变形加工。硼合金化处理的VT8钛合金在700～1000℃范围能大大提升压缩屈服应力；在650～700℃多重等温锻造时加快了动态再结晶动力学速度［3］。

目前用等温锻造进行模拟制造的零件主要集中在航空和汽轮机的零部件上。叶片和叶盘类零件的研究很多，采用的材料主要为TC4钛合金。此外，航空用的钛合金机翼和钛铝合金舱壁取得了长足的发展。

特殊加工工艺的采用能够增强钛合金等温锻造后的机械性能，有利于锻造成形并获得质量较好的锻件。例如Huang Shuhui等［4］观察了TC4钛合金叶片未置氢和氢质量分数0.25%时等温锻造后等温锻造组织的演变，得出置氢使叶片强度提升11%，伸长率下降3%～15%的结论。

3 钛合金等温锻造的应变速率因素影响分析

钛合金等温一次锻造成形过程中模具与毛坯接触时间约为102～103s，应变速率比非等温锻造低，其数量级一般在10-3～10-5m/s范围内。由于温度在锻造过程中是相当重要的因素之一，目前研究应变速率对锻造效果的影响需要结合温度条件。

李晓丽等［5］对TC6钛合金晶粒尺寸演变的研究发现变形速度越大，晶粒尺寸越小，但分布越不均匀。

Z.L.Zhao等［6］通过Ti-17粉末压块等温锻造在810～920℃范围内应变速率为0.001～1 s-1范围时得到不同变形条件下的能量损耗效率，据此划分钛合金流动稳定区域和不稳定区域，指出应变速率在研究范围内取较低值能有效改变微观结构。

Feng Cheng等［7］进行的复杂形状的钛合金机翼等温锻造模拟结果显示等温锻造载荷不仅与锻造温度相关，也与压机速率相关；压机速率越慢，填充性越好，温度在900～950℃时对填充性的影响最小，机翼的机械性能显著提升。

4 钛合金等温锻造的温度因素

温度是钛合金等温锻造中非常重要的因素。为取得良好效果，目前的研究温度主要集中在800～1200℃范围内。为了进行锻造结果对比，研究的温度已低达700℃以下，如TC4-DT钛合金近等温锻造微观结构和机械性能研究中最低温度达到400℃［8］。不进行温度对比的等温锻造研究基本都在800～1200℃范围内，更集中一些可缩小至900～1100℃。TC4钛合金叶轮成形模拟将坯料及模具温度分别设为940 ℃、900 ℃［9］；TC11 钛合金叶轮精密成形设计方案中模具及坯料温度为950℃［10］。

为了得到不同温度条件下钛合金材料的最佳锻造效果，研究人员在研究过程中会采用两种方式。第一种方式是选取2～3个不同的温度，如判断TC4钛合金等温锻造时是否进入超塑性变形状态，分别采用900℃、925℃、950℃三个不同的变形温度进行分析［11］；描述Ti-22Al-25Nb合金的等温锻造流动应力并计算其表观活化能时，选择的温度分别为1060℃和940℃［12］。

第二种方式是选取一个或多个温度范围，通过软件或实验对钛合金材料产生的变化进行连续的模拟与分析。如TC6钛合金的微观结构研究将温度范围选择在860～950 ℃［5］；挤压比为12 的双相 γ-TiAl合金棒材的等温热压缩实验将温度设定在900～1100℃［13］；为获得超细结晶微观结构和较好的性能增强效果，Ti-17粉末压块等温锻造温度选为810～920 ℃［14］。

研究结果认为，相对于第一种方式，选择第二种方式更普遍也更能准确把握钛合金材料在等温锻造过程中的变化规律，甚至可以认为后者是前者的基础。上述第一种方式中Ti-22Al-25Nb合金的研究将锻造温度选为1060℃和940℃，其原因在于940～1000℃时材料呈α2+β/B2+O三相结构，而1000～1060℃时材料则呈α2+B2二相结构［12］。

有的文献仅给定了温度的相对关系。如X.G.Fan等［15］基于最终加热温度和初始温度关系研究了TA15钛铝合金等温局部加载成形的微观结构形态和微观特征并评价其等温成形过程的摩擦因数。上述研究成果均为等温锻造研究打下了理论基础，其他同类研究成果还有很多，在此不一一例举。

5 结论

1）钛合金等温锻造不要求使用大吨位锻造设备，从而降低了等温锻机的液压系统设计难度；等温锻造过程中持续的高温可降低变形抗力，有利于锻件一次成形，减少加工工序，提高生产效率；锻造的零件各部位变形均匀，微观组织和机械性能较好，加工余量小。

2）在等温锻造研究中温度仍是研究的重点。此外随着新材料开发，钛合金材料中的微量元素成分一直在变化。为了获得较好的锻造结果，使锻件机械性能良好，不同成分的钛合金对锻造温度有不同的要求，这就需要与新材料对应的新研究来找到最合适的温度范围。

3）研究应变速率对钛合金等温锻造的研究中，应首先确定温度，再选取应变速率。应变速率变化产生的影响将受到温度的制约。所以以后的应变速率研究，必须基于温度研究的结论，在合适的温度范围内确定应变速率范围。

4）等温锻造尚处于发展阶段，还可以引入很多理论研究和新实验方法。目前有效的研究方式不一定是最佳的，还会有研究人员提出新观点，借鉴其他成形加工的工艺或从材料研究中找到提升锻件质量的方法。

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