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钛合金锻造工艺及其锻件的应用王振桥

发表时间：2021/3/16 来源：《中国科技信息》2021年1月作者：王振桥

[导读] 目前，我国的现代化发展迅速，金属领域研究也越来越深入。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，使其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。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。

黑龙江哈尔滨中国航发哈尔滨东安发动机有限公司王振桥 150066

摘要：目前，我国的现代化发展迅速，金属领域研究也越来越深入。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，使其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。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。
关键词：钛合金；锻造工艺；锻件；应用
        引言
        钛合金因具有密度低、比强度高、耐热性好等特点，作为主要飞机结构材料及发动机材料，已广泛应用于航空工业，例如:飞机起落架部件、框、蒙皮和壳体等，发动机压气机盘、鼓筒、叶片、转子、机匣等，其中F－22和F－35飞机钛合金用量已分别高达39%和27%。随着航空工业不断发展，对军机性能指标要求越来越高，钛合金关键零部件的高性能化、大型化和整体化成为军机安全可靠性、减轻重量、提升性能的重要发展方向。钛合金属于难变形材料，熔点高、变形抗力大、流动性差、成形十分困难，其组织性能对加工过程十分敏感，导致钛合金锻造技术相比其他材料难度大。本文综述了近年来国内外航空钛合金锻造技术的研究进展，介绍了等温锻造技术、精密辗轧技术、大型复杂构件整体成形技术、锻造工艺模拟等国内外研究现状，为钛合金锻造技术在航空制造领域的发展提供了新思路。
        1钛合金常见锻造缺陷
        1.1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。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。
        1.2对性能的影响
        首先，容易变形。若工具预热温度过低，设备的打击速度低，变形程度又较大，往往在纵剖面或横截面上形成X形剪切带。水压机上非等温镦粗时尤其如此。这是因为工具温度低，坯料与工具接触造成金属坯料表层激冷，变形过程中，金属产生的变形热又来不及向四周热传导，从表层至中心形成较大的温度梯度，结果金属形成强烈流动的应变带。其次，有残留铸造组织。钛合金。锻件有残留铸造组织时，横向低倍组织的心部呈暗灰色，无金属光泽，有网状结构，纵向无明显流线；高倍组织中的树枝晶完整，主干支干互成90°。高温合金的残留锻造组织，在低倍组织中为柱状晶，枝干未破碎；高倍组织中的晶粒极为粗大，局部有破碎的细小品粒。
         1.3裂紋缺陷
         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。

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        2.优化措施分析
        2.1航空钛合金大型复杂构件整体成形技术
        整体成形技术是将传统的多件组合构件(如梁、框、轴等)组合于一体整体锻造成形，在减少零件和连接件数量、减轻结构重量的同时，提高零件使用可靠性、缩短制造流程、降低制造成本。在航空领域中大型整体隔框锻件制造技术是典型代表，尤其以钛合金整体结构件的应用最为引人注目。国外钛合金整体成形技术已经广泛应用于航空装备的制造，先进军用飞机上已有40%左右的结构重量为钛合金整体构件，如美国F－22战斗机采用整体锻造技术生产Ti6Al4V合金整体隔框锻件，该锻件是目前世界上最大的钛合金整体隔框锻件，其投影面积达到5.4m2;F/A－18歼击机采用钛合金整体隔框锻件，取代原设计中的368种零件，使飞机减重350kg，机械加工工时减少50%;Ti6Al6V2Sn飞机前轮精密锻件投影面积约700cm2，腹板厚度达到了1.52～1.87mm，在保证相同强度前提下极大地减少了锻件重量。俄罗斯安－22运输机采用整体锻造技术减少了800个零件，使飞机减重1000kg，节约机械加工工时20%。俄罗斯某飞机上中小型钛合金构件有200余种锻件采用了精密整体锻件，这些零件只在安装配合部位有机械加工，其他为少量电加工和抛光，材料利用率高达70%～80%，总成本降低了2～3倍。
        2.2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。固演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。它是在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。
        2.3空洞型缺陷优化
        某批次φ70mm规格TA7钛合金棒材在出厂超声波检测时发现超标缺陷波，对其缺陷位置解剖后进行了横向低倍检查，腐蚀后低倍上发现大量“麻坑”，主要就集中在棒材中心区域，棒材1/4半径之外区域则未发现“麻坑”。随后对麻坑处进行了高倍观察，发现其为晶间空洞类缺陷，缺陷处显微组织照片见图4。有的研究认为“麻坑”现象与腐蚀有关,随腐蚀时间增加，“麻坑”现象越明显；也有的研究认为“麻坑”可能与杂质元素Fe含量较多有关。但是上述观点很难解释超声波检测存在超标缺陷波的现象及高倍分析中发现的空洞现象。大量工程实践证明，TA7锻造工艺性能较其他TC4、TC11等钛合金要差，锻造过程中比其他钛合金更易发生开裂，且裂纹扩展速率快。钛、铝合金等金属材料在进行大应变（如超塑成形）时易诱发疏松，出现空洞甚至发生断裂，TA7钛合金中空洞就是大应变诱发产生的。在高应变率下，TA7钛合金的流变应力较静态下显著增加，但塑性显著降低；随着应变率增加，流变应力应变增加，但存在一个临界应变率，超过临界值，材料将发生断裂；当应变率达到临界值时，材料中产生绝热剪切带，并在带中形成微空洞，在外加应力作用下，空洞逐步聚集长大甚至形成微裂纹。微空洞总是沿最大剪切变带形成，这是因为在局域化变形中，最大剪切带内变形剧烈从而温度较高，使带内材料软化，成为裂纹、空洞等缺陷产生的理想场所，TA7棒材在锻造过程中棒材中心区域变形量最大且变形热扩散最慢，变形温度最高，故在大变形过程中最易出现空洞。
        结语
        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。
参考文献
[1]张利军，李时威.解决钛合金薄壁工件切削加工变形的工艺[J].金属加工(冷加工)，2011（20）.