摘要：钛合金由于具有低密度、高比强、耐高温、抗腐蚀及无磁性等优异的综合性能，成为当代航空航天领域最具前途的金属结构材料之一。随着钛合金的大量应用，其冶金质量问题也日益引起业界人士的广泛关注，于是钛合金的冶金质量显得越来越重要。锻造变形是保证钛合金材料获得理想组织与性能的最主要手段，但是不正确的锻造工艺往往会使钛合金产品出现一些不理想的组织和冶金缺陷，从而恶化其力学性能，给钛合金产品的正常使用造成潜在危害。
关键词：钛合金；材料；结构
目前工业钛合金80%以上以变形钛合金使用，如锻件、锻棒及轧制型材等形式。锻造变形是保证钛合金材料获得理想组织与性能的最主要手段，但是不正确的锻造工艺往往会使钛合金产品出现一些不理想的组织和冶金缺陷，从而恶化其力学性能，给钛合金产品的正常使用造成潜在危害，同时给生产及使用厂家造成大量浪费。故研究分析各种钛合金锻造缺陷的形成机理，并采取有效预防措施具有十分重要的价值。
1. 钛合金的常规锻造
常用变形钛合金通常都是在β转变温度以下锻造的，这种方法称为锻造或常规锻造。根据坯料在(α+β)相区加热温度的高低，还可以更细致地分为上两区锻造与下两区锻造锻造。
1.1 下两区锻造
下两区锻造一般在β转变温度以下40~50℃加热锻造。采用这种锻造工艺时，初生α相和β相同时参与变形。变形温度愈低，残余变形的α相数量愈多。与β区变形相比，在下两相区域β相的再结晶过程急剧加快，再结晶形成的新的β晶粒不仅沿变形的原始β晶界内和α片层间的β中间层内出现，它与β相区变形时的区别是：在(α+β)区变形过程中同时发生β晶粒和α片形状的变化，β经历被压扁，沿金属流动方向拉长、破碎。晶界附近与晶内α相间的差别逐渐消失。经这种工艺生产的锻件强度很高，塑性较好，但其断裂韧性与蠕变形能还有很大潜力。
1.2 上两相区锻造
为了降低变形抗力，上两相区变形一度被人们所重视，是在 β/(α+β)相变点以10~15℃的温度下始锻。就其变形过程微观组织变化而言，余下两相区锻造没有区别，但其变形后的最终组织却含有较多的β转变组织。在常规加热条件下，两相钛合金的强度和热度主要来源于固溶强化、沉淀强化和组织细化，是合金元素在钛的两个同素异晶体中固溶强化、β相沉淀强化和组织细化的复合作用。但是，钛合金的抗蠕变性能还和等釉α与魏氏α组织的相对含量有关。在相同的热处理条件下，魏氏α组织比等釉α组织有较好的抗蠕变能力。而因增加合金组织中的β转变组织的相对含量，必然导致蠕变性能的断裂韧性的提高。研究表明，利用上两相区锻造工艺可使钛合金塑性、强度、韧性兼得。
2.钛合金常见锻造缺陷
2.1 组织不均匀
金属锻压过程中，由于外摩擦等因素影响会产生不均匀变形，这对实现成形和成形后材料组织性能有重要影响。钛合金在变形温度 800℃~950℃时，晶粒尺寸虽然得到了细化，但再结晶体积分数较小；在 950℃~1150℃时,动态再结晶较为充分，组织均匀性相应得到改善，但温度超过 1050℃，晶粒过分长大，合金组织粗化严重。具体如图1。这种粗大α块又称大白块，与网篮组织中细小的正常α条相比，其晶界面比较粗糙，凹凸不平。在形态上表现为不均匀，粗大、由晶界向晶内生长，而正常α条的晶界面比较平滑，影响了锻件质量。
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图1 钛合金锻件显微组织
2.2 裂纹缺陷
裂纹缺陷主要指锻造裂纹。钛合金的粘性大、流动性差，加上导热性不好。因而在锻造变形过程中，由于表面摩擦力大，内部变形不均匀性明显以及内外温差大等，容易在锻件内部产生剪切带（应变线），严重时即导致开裂，其取向一般沿最大变形应力方向。锻造产生的裂纹可能是锻造折叠还有可能是锻造后的淬火裂纹，制备裂纹的横向金相试样看看裂纹附近的组织，是否有过热过烧的组织，能分析裂纹断口，看看断口表面氧化物的成分。
3.加强钛合金锻件质量的措施
3.1 改善钛合金自由锻件组织均匀性
首先，在钛合金大规格棒材的轧制生产过程中，由于变形道次少，原始铸坯中粗大、不均匀组织往往得不到充分、有效改善。
其次，棒材低倍组织容易产生晶粒粗大且不均匀。同时，防止在钛合金中出现这种不均匀组织。钛合金在熔炼凝固过程中，由于各类合金元素的平衡分配系数≠1，致使后凝固的晶界处有α稳定元素富集与偏析，所以在其富集处α相首先析出，并沿晶界向晶内生长，从而形成了粗大α块，微区成分偏析是产生这种不均匀组织的根本原因。
3.2 防范性能缺陷
首先，必须考虑锻造过程中的中心热效应。不能连续重击坯料。钛合金锻造在有条件的情况下建议采用压力机或快锻机，该类锻造设备打击速度低，锻造过程中坯料瞬时应变速率较低，产生的变形热不是非常明显，同时有足够时间进行变形热扩散，不会导致瞬时心部温度明显增高。
其次，钛和钛合金的变形抗力大，锻造温度窄和缺陷敏感性高。钛材的加热要防污染，一般采用电炉、感应炉，用煤气炉加热时火焰不能直接喷射到金属表面上。钛材的锻造温度一般控制在800－1150℃之间，加热温度不宜高，时间不宜长，否则容易被气体污染，吸氢，吸氧，使晶粒粗大影响锻件质量。
3.3 防范裂纹缺陷
首先，模具要预热。模具预热为使锻造顺利进行，并减少锻造过程中金属的温降，尤其是减少坯料表面激冷，锻造钛合金的模具需要预热。否则，金属的温降和表面激冷将使金属不能很好地填充模具型槽及有可能导致很多裂纹。用于钛合金锻造的模具预热系统通常是可拆式的，但有时也采用装在压力机上的加热装置。可拆式模具加热系统通常是燃气加热器，它可以在模块装配到锻造设备之前将模具缓慢加热到所需温度区间。固定在压力机上的加热装置通常采用感应加热或电阻加热。
其次，要多向反复镦拔。是在β转变点温度以上 80～120℃始锻，交替进行 2～3 次镦粗和拔长，同时交替改变轴线和棱边。这样使整个毛坯截面获得非常均一的具有β区变形特征的再结晶细晶组织。如毛坯在轧机上轧制，可不必进行此种多向镦拔。
第三，锻造时棱角处冷却最快。因此拔长时必须多次翻转毛坯，并调节锤击力，以免产生锐角。锤上锻造开始阶段要轻打，变形程度不超过 5%～8%，随后可以逐步加大变形量。
结束语：目前钛合金中常见的锻造缺陷主要有组织过热及不均、空洞、裂纹等，这些缺陷一般在钛合金产品显微组织检查或超声波检测中很易发现，主要是在钛合金产品锻造过程中工艺参数控制不当形成的，所以在锻造过程中需依据不同特性的钛合金材料选择合适的变形速率（锻造设备）、加热锻造温度、道次变形量及锻后冷却速度。
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