TC4钛合金连接板精密模锻工艺开发

文/詹辉，李波，翟宏·中车资阳机车有限公司

本连接板属于某化工设备重要零件，工作环境具有强腐蚀性和较高的温度，对零件材料性能和尺寸精度提出了较高的要求。根据锻件结构特点和钛合金的工艺特性，开发小组设计出四个工步完成锻造成形，并采用了预锻和精锻两次切边的切边模结构，合理制定了钛合金棒料的全过程工艺规范，在试制过程中不断优化锻模结构，重点解决锻件筋板厚度尺寸精度要求和成形难点，实现小批量生产，产品质量完全满足技术要求。

由于钛合金具有低密度、高比强、耐高温、抗腐蚀及无磁性等优异的综合性能，钛合金锻件不仅广泛应用于航空、航天制造业中，并在海洋、化工、汽车工业和医疗器械等行业有广泛的应用。因此，我们选择TC4钛合金作为制造该连接板的理想材料。图1为该锻件的三维模型。

工艺难点分析

⑴该锻件属于高筋薄壁类锻件(图2)，中间筋板厚度尺寸5.4±0.5mm，属于精密级模锻件尺寸公差要求。由于钛合金金属流动性较差，变形抗力大，我们分析该件最大的工艺难点在于筋板厚度尺寸如何打靠。

⑵锻件左右侧各有3个薄壁凸台，宽度10mm，高度45mm，位于锻件两边及对角位置，充满成形相对困难。

⑶锻件两侧边缘为5.4mm薄板结构，切边时容易拉弯变形并产生毛刺。

工艺流程的制定

根据钛合金锻造工艺规范，初步制定2火次锻造工艺流程为：下料(锯床)→车坯(车床)→刷涂料(预热120℃)→加热(箱式电炉)→制坯、预锻(5000t压力机)→切边(1000t油压机)→喷砂、打磨修伤→刷涂料(预热120℃)→加热(箱式电炉)→终锻、精锻(5000t高能螺旋压力机)→切边(1000t油压机)→热处理(退火)→喷砂、打磨→检验。

锻造工艺及工装设计要点

⑴棒料规格的选取。通过三维模型取截面分析可知，锻件最大截面位于两端，等效直径为φ90mm，其余截面等效直径为φ68mm，锻件在长度方向截面尺寸相对均匀。该锻件长度为300mm，根据我们开发多种类似形状锻件的经验，棒料长度与锻件尺寸接近才能保证两端成形饱满，因此初步选取棒料长度为300mm，再按锻件体积乘以1.25作为棒料体积，计算出棒料直径为φ80mm，由此初步得出下料规格为φ80mm×300mm。

⑵钛合金棒料准备。锻造用的锻(轧)棒，表面有一层硬脆的α层，模锻前，需去掉该层，以免锻造时引起坯料表面开裂。直径大于50mm时，一般车削去掉5mm。车削后，如个别部位仍有缺陷，须打磨予以消除，打磨深度不大于0.5mm。棒料两端倒R5圆角，以免锻造时坯料开裂。

⑶设备选择。该锻件计算打击力为4000t。钛合金热导率低，室温时是铝的1/15，铁的1/5，锻锤锻造钛合金速度较快时中心热效应易产生过热现象，对锻件性能影响较大，而压力机产生的变形热不明显。根据锻件精度要求和我厂设备实际情况，选择5000t高能螺旋压力机作为锻造设备。

⑷坯料润滑。坯料预热温度120±30℃，在预热炉中预热20min，均匀喷涂玻璃润滑剂，坯料表面润滑剂烘干后才能装炉。

⑸加热规范。按标准确定TC4钛合金始锻温度为960℃，终锻温度为800℃，保温时间0.8min/mm。钛合金的热传导率低，为防止过热氧化和吸氢，新炉子和长时间不使用的炉子先要空烧除去水分再使用，电炉温度场精度±10℃。温度过高，组织粗化，晶粒粗大；温度过低，变形抗力大，易产生裂纹等锻造缺陷。制定加热曲线如图3所示。

⑹制坯。目的在于对金属进行合理分配，本产品需将金属聚集到锻件两侧和两端，制坯形状的设计对预锻和终锻成形效果至关重要。为避免变形量过大造成坯料开裂，制坯变形量≤60%，制坯外形设计如图4所示。

⑺锻模型腔设计。第1火完成制坯和预锻，第2火完成终锻和精锻。预锻后切边、喷砂、打磨，一方面清除锻件表面缺陷，提高锻件终锻后的表面质量；另一方面，切边后可减小金属成形阻力，有利于锻件厚度尺寸打靠。型腔设计为四个型腔(图5)：制坯(左上)→预锻(右上)→终锻(右下)→精锻(左下)。设计精锻型腔的目的在于提高模具寿命和锻件尺寸精度。为了锻件成形饱满，锻件相对复杂和较深的型腔放在上模。变形量控制：制坯模筋板厚度设计为21.5mm，预锻后筋板厚度设计尺寸为12mm，终锻筋板厚度为5.2mm，终锻变形量大于30%，否则易造成锻件晶粒粗大，性能下降。模具预热温度：200℃～300℃。

⑻切边模设计。切边模设计有2个型腔(图6)，右侧为预锻后切边，切边时保留部分飞边用作终锻时顶料，左侧型腔为终锻后切边型腔。为了保证切边精度，切边上下模间隙设计为0.8mm，设计导柱导套结构用于切边模装配定位和控制上下模间隙尺寸精度。

⑼锻件冷却和热处理。锻件空冷后，完成退火热处理。

⑽钛合金在锻造过程中的污染及清理。坯料加热前应清理干净，不得有油污、铁屑、氯化品，不允许残留指纹；电炉内不得残留氧化皮，不得有钢坯料，炉底衬板以铸造不锈钢为好；坯料上涂玻璃润滑剂，或在保护气氛中加热。

样件试制及工艺改进

我们分别采用长度305mm、300mm、295mm三种规格试制，确定最佳规格为φ80mm×305mm。制坯效果符合预期(图7)，预锻成形较饱满，切边毛刺小(图8)。终锻和精锻(图9)后，实测中央筋板厚度尺寸值为8.2～8.8mm，超上差2.1～ 2.9mm，因此，后期改进工作重点在于控制锻件厚度尺寸精度。

改进措施：⑴预锻型腔和终锻型腔减浅2mm，精锻型腔减浅1mm；⑵减小终锻型腔的桥部宽度尺寸以减小变形阻力；⑶适当加大预锻、终锻型腔桥部圆角，对型腔进行抛光提高锻模型腔光洁度，既改善了金属的流动性，又能提高锻件表面质量。采取以上措施后，再次试制后检测，锻件厚度尺寸达到5.4～5.8mm，达到设计要求。

热处理

锻件单层摆放，退火温度：730±10℃，保温时间90分钟，出炉后空冷。按取样图做室温拉伸，低倍、高倍组织，各项指标均达到产品质量规范要求。

结论

⑴对于钛合金锻件，棒料需通过车坯清除表面缺陷，两端倒角。

⑵为了获得高等级的外观质量，玻璃润滑剂需涂抹均匀，炉膛和锻模型腔要清理干净，预锻后需清除坯料表面缺陷再终锻，生产操作过程中尽量避免磕碰、污染。

⑶锻造加热质量对于锻件最终性能至关重要，既要保证电炉设备精度，又要控制锻造变形量和打击速度，防止锻件因变形发热升温过高影响性能。

⑷调整预锻型腔深度，预锻后切边，减小终锻型腔桥部宽度、适当加大口部圆角，减小变形抗力，有利于锻件厚度尺寸打靠。为确保锻件难成形部位充满，可在锻模相应部位设置阻力凸台。

⑸对于锻件薄板部位的切边，应减小切边上下模间隙，精锻时保留足够的飞边宽度，有利于减小切边毛刺和局部变形，提高切边质量。

⑹此产品为我公司第一次开发的钛合金锻件。由于前期工艺准备工作较为充分，完全按照钛合金相关工艺规范编制锻造和热处理工艺，制定的制坯和模锻工步合理可行。在试制过程中，针对厚度尺寸打靠和筋板局部成形的工艺难点进行了有效的优化改进。经小批量生产验证，连接板锻件的尺寸精度、表面质量、性能指标均符合设计要求(图10)。