钛合金挤压型材制备工艺技术研究*

2021-08-07张少丹冯红超吴宏刚谢林均

科技创新与应用 2021年21期

张少丹，代春，冯红超，吴宏刚，谢林均

（宝鸡钛业股份有限公司，陕西宝鸡 721014）

钛合金型材是一种新型结构材料，具有强度高、耐热、耐腐蚀等优点，主要应用在航空、航天、海洋工程等领域。美国从五十年代后期以钛合金型材代替部分铝合金型材，俄罗斯也于上世纪六十年代开始进行钛合金型材的研制与生产，国内钛合金型材起步较晚，目前处于工程化研制阶段。钛合金型材作为重要的承力结构件，市场需求紧迫。

宝鸡钛业股份有限公司为国内最早从事钛合金型材研制生产的单位之一。经过多年的不断探索，突破了钛合金型材生产的多项关键技术，打通了整个生产流程。目前，已成功研制出“U”形、“L”形、“T”形、“几”形、“Z”形、直角等厚等边、83°角不等厚不等边、104°角等边、薄壁直角等多种形状及规格的钛合金型材，涉及牌号有TC4、TA15、TC2、TC18等钛合金，其中航天新型运载火箭批量应用TC4钛合金型材填补了国内钛合金型材应用的空白。

1 钛合金型材挤压特点

钛合金型材主要采用挤压法生产，比铝合金、铜合金挤压过程更为复杂，这是由钛合金特殊的物理化学性能所决定的。挤压成形可生产形式各异、截面复杂的型材，具有生产灵活、加工效率高等特点，并且是复杂断面、空腹、变断面型材的唯一加工方法，挤压型材的刚度好。因此，钛合金型材挤压制备工艺技术是其他成形加工技术无法代替的。

2 钛合金型材挤压工艺技术

钛坯料的导热率低，在挤压过程中钛合金金属流速不均匀，以及容易和挤压模具材料粘连，很容易形成型材表面纵向刮线、麻斑、气泡、起皮、飞边、毛刺等缺陷。因此钛合金型材的制备需要考虑以下几方面。

2.1 挤压模具

（1）挤压模具原材料选用耐热高强的热作模具钢。

（2）根据不同型材的截面结构尺寸，设计出其特有的入口角、定径曲线，以确保金属流出模口过程的平稳及流速均匀；模孔尺寸确定，不能仅依据金属制品的线性膨胀曲线设计，要根据所需制品的结构特征加以修正，才能得到制品要求的尺寸公差；钛合金型材为结构件使用，在金属制品表面要避免存在横向微裂纹，在挤压的过程中需要防止死区金属的流入，需要对型材挤压模具结构，模口圆角进行设计。提高模具设计是提高合格率的重要技术措施。

2.2 挤压用棒坯

2.2.1 棒坯熔炼

钛合金型材用棒坯采用真空自耗电弧炉熔炼，为保证冶金质量，海绵钛100%人工挑料；为使元素在棒坯中充分合金化，保证棒坯成分均匀性，合金添加采用中间合金。

2.2.2 棒坯锻造

为充分破碎棒坯铸态组织、细化晶粒、优化棒坯性能，棒坯锻造在单相区大变形开坯、两相区小变形终锻。当棒坯中有气孔、组织疏松或有中心裂纹时，挤压过程中气体的突然释放类似“放炮”，使得模具局部工作带突然减载又加载，形成局部巨大的冲击载荷，对模具影响很大。

2.3 型材挤压

2.3.1 棒坯喷涂

钛合金高温下化学性质活泼，极易吸氧，形成脆性的氧化层，导致破碎/拉裂，影响表面质量，因此坯料加热时采用玻璃润滑进行防护，防护涂层的最基本功能就是可靠地保护被加热金属，不使大气中有害成分向金属扩散，加热过程中，封闭气体扩散通道，随着温度的升高，逐渐形成粘滞的膜层，起到保护作用。“保护”要求高温时涂层具有相对高的粘度和化学惰性，不腐蚀金属。然而挤压过程中又要求涂层具有较小的粘度，起到辅助“润滑”的作用。在工作温度有高的耐压、抗拉性能和良好塑性，可随金属一起延展润滑膜不断裂（见图1）。

图1 棒坯喷涂

2.3.2 模具喷涂

钛在高温下易与铁基合金形成易熔共晶体，导致模具粘结，磨损严重，严重影响表面质量，因此挤压模具表面采用工作面底层进行Mo基火焰喷涂、表层进行ZrO2等离子喷涂，改善了模具耐磨性、耐高温性。形成隔离，减少挤压坯料和模具之间的热交换，模具表面喷涂不仅起到隔热作用，也可起到润滑作用。通过挤压试验验证，涂层对模具耐高温、高压性能起到了较好提升，挤压后型材质量较理想，模具损伤小（见图2）。

图2 模具喷涂

型材挤压关键工艺参数主要为挤压比、棒坯加热温度、挤压速度，合理选择挤压工艺参数是制备型材满足要求的关键。

2.3.3 挤压比

由于大挤压比存在严重的金属流动不均匀，再者钛合金导热性差，挤压中温度升高，容易在高温下粘接模具，使润滑条件恶化，造成模具快速损坏，挤压产品质量恶化，因此钛合金挤压比不易过高。可减少外层金属和死区金属流入模口，提高型材成形性及表面质量。

挤压比λ的选择与合金种类、挤压方法、产品性能、挤压机能力、挤压筒内径及锭坯长度等因素有关。如果λ值选用过大，挤压机会因挤压力过大而发生“闷车”，使挤压过程不能正常进行，甚至损坏工具，影响生产率。如果λ值选用过小，挤压设备的能力不能得到充分利用，也不利于获得组织和性能均匀的制品。厚壁型材挤压比λ一般为10~30，薄壁50~180（见图3、图4）。

图3 Π型材

图4 Y型材

2.3.4 挤压速度

在挤压过程中，当挤压速度过快时，会造成金属流动难于均匀，钛金属流到模具腔内壁摩擦加剧致使模具工作带磨损加速，模具温度实际较高等现象。如果此时金属变形产生的余热不能被及时带走，模具就可能因局部过热而失效。如果挤压速度适宜，就可避免上述不良后果的发生，挤压速度一般应控制在200mm/s以下。

2.3.5 挤压温度

挤压温度是由模具预热温度、挤压筒温度和棒坯温度来决定的。

（1）模具预热温度

型材模具预热温度选择200~300℃。如预热温度过低，挤压力过大，模具容易碎裂；预热温度过高则难以装模。

（2）挤压筒温度

挤压简温度选择的不合理也会影响挤压的质量，对于厚壁型材建议挤压筒温度为420~450℃，另一方面，挤压筒不干净，余积氧化皮过多，或者挤压筒已变形，以及挤压简与挤压垫间隙过大，均影响挤压质量。

（3）棒坯温度

棒坯温度过低容易引起挤压力升高或产生闷车现象，模具容易出现局部微量的弹性变形，或在应力集中的部位产生裂纹而导致模具早期报废。棒坯温度过高会使挤压金属流速过快，金属的变形抗力相对减弱，型材边部难以成形。根据棒坯牌号选择合理加热温度（见图5）。

图5 加热后的棒坯

3 钛合金型材未来发展研究方向

3.1 挤压模具重复利用研究

为了节约成本，更好地保护模具并提高制品质量，开发出复合润滑方法，模具表面氧化锆喷涂技术和模具表面润滑剂配比及使用，有效保护了挤压模具，目前能够实现部分型材挤压后，模具仅发生涂层的脱落，基体未发生破坏和变形，因此，模具重新喷涂后可实现重复使用2~3次。

3.2 坯料加热过程表面防护技术及挤压润滑工艺技术

由于钛合金型材挤压温度高，高温高压下，模具极易磨损。因此，钛合金热挤压成型工艺都必须采用玻璃润滑剂，才能起到减小坯料断面的温差，改善塑性和隔离钛与模具材料的作用。防护涂层主要目的是防止或减缓因气体或合金成分的互扩散对基材造成的热腐蚀及对涂层的改性，所以涂层性能在高温下的持续和稳定性成为高温涂层研究的重点，防护效果好就要求涂层在高温下活性差，具有一定的粘度，但是高温粘度大，润滑效果就差，有待对玻璃润滑和防护涂层进一步优化和研究，改善型材表面质量。