钛及钛合金型材生产技术现状

2019-12-12刘伟张耀斌朱栓平

科技创新与应用 2019年33期

刘伟张耀斌朱栓平

摘要：钛及钛合金型材已被广泛应用于航空航天领域，如何制定挤压工艺参数和合理的热处理制度对是否能够生产出合格的型材产品尤为重要。文章阐述了钛及钛合金型材挤压特点，叙述了钛合金型材生产过程中的影响因素。

关键词：钛合金型材;润滑;模具;热处理

中图分类号：TG146.23 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）33-0137-03

Abstract： Titanium and titanium alloy profiles have been widely used in aerospace field. How to formulate extrusion process parameters and reasonable heat treatment system is particularly important for the production of qualified profile products. The extrusion characteristics of titanium and titanium alloy profiles are described in this paper， the influencing factors in the production of titanium alloy profiles are described.Keywords： titanium alloy profiles; lubrication; mould; heat treatment

引言

钛及其合金由于密度低（4.5-4.8g/cm3，比钢约轻40%）、耐蚀性好和比强度高而成为一种优良的结构材料，在航空、航天、海洋及化工机械领域非常引人注目，在国防科技领域占有重要地位。

钛由于具有某些特殊功能（如储氢特性、形状记忆、超弹性）和无毒、生理相容性好等特性而成为新型功能材料和重要的生物医学材料。随着钛合金应用领域的不断开展，钛及钛合金型材在航空、海洋、表链、化工等诸多领域已得到了应用。

钛及钛合金因易受H、O、N等气体元素污染、加工抗力大、热成型温度范围窄等原因，生产难度较大，成本较高。例如TC4合金由于变形抗力大、加工温度高，在型材加工方面，使得工艺选择更为严格，工艺选择不当会产生较大的损失。相比其它材料，钛合金型材的加工技术还不成熟、不系统。因此，研究型材挤压具有重要的应用价值[1-2]。

1 钛合金型材挤压的特点

目前，生產型材的方法主要通过挤压法。挤压型材方法分为空心型材挤压和实心型材挤压。型材的品种和规格较多，诸如：牌号为TC4、TA15、TA18等钛合金以及铜型材、型钢和镁型材，规格为为“L型”、“U型”、“T型”、“Z型”等。在型材挤压当中，异型实心断面型材占据全部挤压型材品种规格的绝大部分，将近65%。采用挤压法生产型材能够大大减少金属的损失和机械加工量。

挤压型材的方法多采用正向挤压法，反向挤压法和联合挤压法目前用的不太多。

正向挤压法的特点是：（1）金属流动方向与挤压轴运动方向相同;（2）锭坯与挤压筒有较大的相对运动，所需的挤压力较大;（3）操作方便，工模具简单。如图1所示。

反向挤压法的特点是：（1）金属流动方向与挤压轴运动方向相反;（2）挤压时的外摩擦小，挤压力小;（3）成品率较高，生产率较低。如图2所示。

联合挤压法的特点是：（1）穿孔前堵住模孔，穿孔时金属反流，然后打开模孔，进行正向挤压;（2）穿孔残料损失小。

目前，我国虽然已经生产出了不同牌号和规格的产品，但未形成钛及钛合金型材的生产规范，产品质量参差不齐[1]。为此，对钛合金型材挤压工艺的探讨具有一定的应用价值。

2 钛合金型材挤压的主要影响因素对钛合金型材挤压和组织性能的影响因素较多，诸如锭坯尺寸、润滑、模具、加热制度、挤压比、挤压速度、型材类型、设备状况等。

本文主要通过对润滑、挤压模具和热处理等因素进行探讨。

2.1 润滑

1941年，SCHEY发明了玻璃润滑挤压工艺[3]，并首先在钢铁挤压生产中得到了应用。如何选择合适的玻璃润滑剂对挤压过程中非稳态金属的流动会产生一定的作用;润滑剂选择好坏对产品和模具的表面质量产生一定的影响，润滑剂选择不当时，会降低挤压制品的表面质量，产生挤压沟条等缺陷，挤压模具会产生粘结等问题。

在型材挤压过程中，玻璃润滑剂主要应用在以下几个方面：（1）对钛合金锭坯进行150℃左右预热，在其表面喷涂防氧化涂层，形成一层保护膜，然后进行加热挤压。惠松晓、段素杰等人发明了一种锭坯涂覆防氧化玻璃浆料，能够使锭坯表面形成一层粉料薄壳。柏春光、徐东生、雷家峰等人[4]分析了：加热温度为950℃时，锭坯表面涂以TB10玻璃防护涂层（黏度在102-103Pa之间），在不同挤压时间下温度和黏度的分布。通过分析发现：950℃挤压试验中采用TB10防护涂层是最合适的，起到了防氧化和润滑的作用。（2）加热后，采用滚涂玻璃粉的形式进行挤压。柏春光、徐东生等人[4]分析了：锭坯经950℃挤压，用TB8玻璃粉进行滚涂，得出在挤压过程中TB8玻璃粉能够起到润滑作用，且形成有效的玻璃润滑薄膜。（3）用玻璃润滑剂制成模垫，放置于模具和挤压工件之间，起到润滑的作用。徐哲、段素杰、佟学文等人[5]研究了：在950℃下挤压钛合金型材时，采用TB8玻璃粉制成的玻璃垫比TB5挤压出的制品表面要好，型材尺寸、形状更加规则。实验发现TB8玻璃垫的厚度为8mm时，能很好的起到隔热、防护作用。崔顺、李中奎、文惠民等人[6]通过实验也验证了上述观点，并进一步分析了采用A5玻璃粉制成的玻璃垫在挤压TC4钛合金厚壁F形、L形型材时润滑效果良好。因此，选择玻璃润滑剂时，应根据其它工艺条件而定。

2.2 模具

在型材挤压过程中，模具的质量好坏直接影响产品的质量。为此，如何正确的设计模具，成为了影响制品好坏的重要因素。模具的正确设计、制造及延长模具使用寿命成为了挤压出高精度挤压产品的必要条件。在实际生产过程中，由于挤压材料与模具工作带表面产生较大的摩擦，必将使其产生磨损。当挤压时间过长时，必将使模具工作带表面状态产生改变，表面质量恶化，这时需要通过修磨或更换模具来进行解决。在挤压过程中有时模具会产生裂纹，会影响产品的尺寸和表面质量。为了延长模具寿命可通过以下方法进行解决：（1）模具强化处理;（2）采用新模具材料，以4Cr5MoSiV代替3Cr2W8V;（3）对模具进行修磨;（4）对挤压制品采用梯度加热;（5）合理的模具设计[7]。由于钛合金的导热性差、低的屈服强度和易黏结变形工模具等倾向，为此需要制备获得稳定产品的型材模具。王俊琪、代春等人[8]通过挤压模具模孔尺寸设计、模孔位置的选取、挤压模具定径带的设计、入口圆角设计制备了型材模具，获得了表面质量较好的TC4钛合金“H”型材制品。

2.3 热处理

为了能够改善钛合金型材的性能，需要通过热处理。钛合金型材的热处理是改善了材料内部的组织状态进而提高了合金的性能。通过去应力退火、再结晶退火、双重退火等方式可以对单相和双相钛合金进行热处理，进而消除内应力，提高塑性及稳定组织。实际当中生产钛合金型材时，大多数是通过双重退火进行的。

双重退火是对合金进行两次加热和空冷。第一次高温退火加热温度高于或接近再结晶终了温度，能够使再结晶充分进行，又不使晶粒明显长大，第二次为低温退火，保温较长时间使亚稳定相充分分解，使组织接近平衡状态，产生时效强化效果[9]。杨建军、李宝霞等人[10]通过TC4钛合金T型材经9种双重退火制度热处理后发现：金相组织基本保留了β单相区加热组织，抗拉强度、屈服强度和延伸率均能够满足航天用型材的要求，其中经750℃×4h/AC+500℃×1h/AC雙重退火处理的，性能指标最好。

3 钛合金型材挤压工艺

型材挤压工艺主要包括挤压温度确定、挤压速度确定、润滑方式、锭坯大小等。挤压型材时多采用实心圆断面锭坯，应保证体积达到最大值，提高成品率和型材质量。针对不同钛合金形状的特点，制定合适的挤压工艺，实现经济效益和成品率最大化。

4 结论

挤压型材方法主要受锭坯尺寸、润滑、模具、加热制度、挤压比、挤压速度、型材类型、设备状况等因素影响。通过合适的热处理方式能够改善挤压后型材的组织并获得良好的性能指标。

参考文献：

[1]马忠贤，冯军宁，胡志杰.钛及钛合金型材研究发展[J].世界有色金属，2016（24）：52-53.

[2]高妍，徐建伟，王伟.TC4钛合金型材挤压过程有限元模拟[J].热加工工艺，2017，46（13）：187-188.

[3]SCHEY J A. Tribology in metalworking： friction，lubrication and wear[M].Ohio：American Society for Metals， Metals Park， 1983.

[4]柏春光，徐东生，雷家峰.钛合金型材挤压玻璃润滑工艺的有限元模拟[J].中国有色金属学报，2010，20（1）：857-861.

[5]徐哲，段素杰，佟学文.玻璃垫在钛合金型材挤压中的应用[J].稀有金属快报，2008，27（11）：37-40.

[6]崔顺，李中奎，文惠民.玻璃润滑在钛合金型材挤压中的应用[J].山西冶金，2016，39（02）：44-46.

[7]邓彩琴.铝型材挤压模具寿命[J].轻合金加工技术，1990（12）：23-25.