钛合金板的锻造工艺方案研究

供稿|李七平 ，潘强，刘永利，李慧 ，詹劲，许敬月 / LI Qi-ping , PAN Qiang LIU Yong-li, LI Hui ,ZHAN Jin XU Jing-yue

内容导读

钛合金密度小、强度高，同时具有良好的耐热性和耐蚀性能，因此它在航空工业、化学工业中的泵体和管道、建筑、体育休闲、食品、制药、生物材料、能源、海洋、汽车行业中有着广泛的应用。文章对材质为TA1/TA2的钛合金锻造工艺进行研究，通过对常规锻打方块工艺和锻打拔长工艺比较分析，得出锻打拔长工艺更实用。钛合金板的锻造工艺为：先对坯料进行压扁，然后镦粗；平放坯料，再用平砧下平台进行压扁；竖起压棱边；平放展长度；立起镦粗平整两端面，最终得到理想的成品。

钛合金是19世纪40年代之后发展起来的新型金属结构材料，其主要特点是密度小、强度高，尤其是比强度(强度/密度)高，同时具有良好的耐热性和耐蚀性能，因此钛合金首先在航空工业中得到应用，同时航空工业也是钛合金的主要使用部门[1]。因钛合金耐蚀性能优异，在化学工业中的泵体和管道上、建筑、体育休闲、食品、制药、生物材料、能源、海洋、汽车中也得到了强劲应用，随着钛合金成本的逐步降低，它在民用领域内的应用必将更加广泛[2-5]。

钛合金物理特性及分类

纯钛是银灰色金属，具有良好的塑性和冷热成形性能，强度低，可通过合金化的方法获得所需性能的合金。纯钛熔点1668℃，密度4.54 g/cm3，纯钛在882.5℃时发生同素异晶转变。在882.5℃以下为密排六方晶格，称为α-Ti；882.5℃以上为体心立方晶格，称为β-Ti，β-Ti耐热性较差，但工艺塑性较好，易于锻造[6]。

钛和钛合金的导热性差、化学活性高，对引起其脆性的氢、氧和氮很敏感，给冶炼、机械加工、热处理带来不少困难，并且造成生产成本较高[7]。

按照退火状态的相组成分类，可将钛合金划分为三大类：α型、α+β型和β型钛合金。还可把α+β型钛合金再进一步细分为近α型、α+β型和近β型3类[8]。

钛板的自由锻造工艺准备

本次实验使用陕西宝鸡某钛业公司的20件钛板锻件进行实验，材质为TA1/TA2(工业纯钛)，材料规格φ450 mm×2100 mm，质量为1505 kg。为了提高实验的材料利用率，尽量减少机械加工量，同时严格要求样板尺寸，为获得理想的内部组织，要求必须一火次锻成，锻件图见图1。其内控技术要求为：

①板坯板面平整，棱角方正。锻件表面不得有裂纹、凹坑、折皱等缺陷。

②板面不平度≤5 mm/m，板坯厚度差≤4 mm，板宽厚度差≤5 mm。

③必须一火次锻成。

图1 钛板锻件图

(1) 锻造的热力学规范。

钛合金的组织和性能基本上取决于合金的化学成分和热处理。但是锻造温度范围、变形程度和变形速度等热力学规范参数，对钛合金锻件的组织以及性能有很大的影响[9]。

从利用金属塑性的角度出发，钛合金的始锻温度越高越好，但像α+β钛合金或α钛合金，如果始锻温度超过合金的β转变温度(Tβ)，由于晶粒剧烈长大，锻后会形成魏氏组织，锻件的室温塑性很低。而TA1/TA2的Tβ=885～900℃，因此锻造温度区间定为800～900℃。钛合金的锻造温度区间较窄是钛合金锻造比较困难的原因之一[10]。

由于本实验使用的是天然气加热炉，因此要求炉中保持微氧化气氛，尽可能降低氢对钛锭表面的污染。

(2) 钛板的收缩率。

钛合金收缩率比钢小的多，一般为0.5%～0.7%；同时钛板终锻温度较低，因此收缩率取0.4%～0.5%即可。

(3) 钛板自由锻工装。

为本实验专门设计制造了一件长上砧。砧宽550 mm，长2300 mm；工作表面加工粗糙度小，Ra=3.2；边缘倒较大圆角；锻造前砧子预热温度200～300℃。

(4) 钛锭的表面润滑。

钛合金化学性质活泼，在高温剧烈变形时，金属流动产生的新鲜表面容易粘在模具上[11]。选用玻璃防护润滑剂可以减少氧化皮，起润滑作用和防护作用。玻璃防护润滑剂能保护钛合金免受H2、O2、N2污染形成表面α脆化层而导致产生锻造裂纹。由于试验用钛锭去除了表面氧化皮，因此要提前24 h刷涂玻璃防护润滑剂，自然风干，然后装炉。

编制锻造工艺的原则

工艺 指导原则

(1) 由于TA1/TA2属于工业纯钛，为α型钛合金。在严格控制一火次锻成的情况下，钛锭的始锻温度控制在(900±10)℃，即在β相转变温度Tβ下锻造。在此状态下工艺塑性较好，利于塑性变形。但该状态下开始变形时的主要锻造特点是晶粒较粗大，必须给予较大的变形量，使晶粒细化。因此开始锻造时必须给予大变形量，则既可获得较细的晶粒度，又能减少因温度较低产生表面裂纹的几率。待接近成品尺寸时，留一些修整量即可。

(2) 由于钛合金的变形抗力随着温度的升高显著下降。因此在高温区需要大变形量展宽时尽可能展宽，并留出一定的宽度修整量，而不要急于锻出棱边，否则由于棱边降温快，棱边的牵制效应，高温区材料的流动被低温区棱边固定，最终造成锻件频繁修整。

(3) 在展宽获得足够宽度的情况下，锻出棱边，由于厚度尺寸已经锻到最终尺寸，修整量并不大，以利于快速修整出最终成品。

成形 工艺特点

(1) 常规锻打方块工艺。

常规锻打方块工艺方案的优点是锻打方法较成熟，缺点是三个面反复翻转，厚度较薄，镦粗易弯曲，三个方向尺寸不易控制，金属流动控制较难。

(2) 锻打拔长工艺。

由于钛锭的截面尺寸较小(约φ450 mm左右)，不能采用拔料的方法直接锻出图纸截面尺寸，必须先采取镦粗办法，增加截面积，为后续展宽做铺垫。锻打拔长工艺方法的最大优点是金属流动有规律，宽度和厚度尺寸容易控制，长度不限。工艺路线为：首先展宽，保证一定的厚度，立起镦粗；再展宽，镦粗，锻出4个角；平整；立起，压棱边；翻转90°平厚度；再转90°压棱边；平整，完成成品。

锻打 拔长工艺方案

锻打拔长工艺方案的具体锻造工艺为：

(1) 先对坯料进行压扁，然后镦粗，增加截面积。坯料先压扁至厚度250 mm，宽度约600 mm，然后立起镦粗，增加截面积，同时尽可能锻出4个角，压下量200 mm，翻转180°再镦粗，压下量200 mm，也就是说本序总压下量约400 mm左右，见图2和图3。至此坯料尺寸为：高度约1700 mm，宽度约700 mm，厚度约280 mm。

图2 坯料展宽

图3 展宽后镦粗

(2) 平放坯料，再用上平砧下平台进行压扁操作，尽可能展宽，控制厚度170 mm，宽度最大1020 mm，长度约1050 mm。立起镦粗，主要目标是规整4个角，压下量约50 mm.，翻转180°再镦粗，压下量50 mm，见图4和图5。

图4 再展宽

图5 再镦粗后的截面尺寸

(3) 竖起压棱边。由于宽度展宽至1020～1050 mm，有足够的余量压棱边。送进量不太大，约300 mm，主要目的是在起棱边的同时让多余料尽可能多的沿长度方向延伸。锻压过一道次后再翻转180°再压一道次，控制宽度尺寸900 mm，见图6。

(4) 平放展长度。由于前面压棱边镦粗导致厚度尺寸增大到约200 mm，这时必须通过拔长的方法进行长度延伸而又不过分展宽，必须控制送进量，送进量不能太大，控制在300 mm左右，锻压过一道次后再翻转180°再压一道次。

(5) 立起镦粗平整两端面，镦粗可以分2次锻压，也可以分3～4次锻压，修整锻件，最后完成成品，见图7和图8。

图6 控制锻压宽度并起棱边

图7 镦粗示意图

图8 最终成品

结束语

采用材质为TA1/TA2的钛合金进行钛合金板锻造工艺的研究，对比分析了常规锻打方块工艺和锻打拔长工艺的优缺点，详细介绍了锻打拔长工艺。得出钛合金板锻造的锻打拔长工艺方案的具体工步为：先对坯料进行压扁，然后镦粗；平放坯料，再用平砧下平台进行压扁；竖起压棱边；平放展长度；立起镦粗平整两端面，最终得到理想的成品。

[1] 费跃，朱知寿，王新南，等. 锻造工艺对新型低成本钛合金组织和性能影响. 稀有金属，2013，37(2)：186

[2] 赵张龙，李晖，郭鸿镇，等. 粉末钛合金锻造技术研究进展. 精密成形工程，2015，7(6)：31

[3] 汪波，曾卫东，彭雯雯. 不同锻造工艺对TC4钛合金棒材显微组织与力学性能的影响. 钛工业进展，2014，31(5)：14

[4] 郭拉凤，朱艳春，孔虎星，等. 钛合金复杂构件等温锻造工艺研究. 稀有金属，2012，36(3)：357

[5] 张智，巨建辉，戚运莲，等. 钛合金锻造工艺及其锻件的应用. 热加工工艺，2010，39(23)：34

[6] 曲银化，孙建科，孟祥军. 钛合金等温锻造技术研究进展. 钛工业进展，2006，23(1)：6

[7] 龚龙清，许川，袁宝国. 钛合金多向锻造数值模拟. 精密成形工程，2016，8(6)：54

[8] 王海英，郭志猛，芦博欣，等. 钛合金粉末冶金工业化生产技术.钛工业进展，2017，34(1)：1

[9] 李卓梁，丁桦，李继忠. 钛及钛合金剧烈塑性变形的研究进展. 航空制造技术，2013，34(16)：139

[10] 曹颖玺. 钛合金锻造软包套工艺应用研究. 航空维修与工程，2015(12)：92

[11] 刘兴旺. 钛合金常见锻造缺陷及预防策略. 黑龙江科技信息，2016(3)：28