等溫鍛造鈦合金技術研究新進展

羅謹靈， 楊啟明， 毛東壁， 馮斐斐

（西南石油大學，成都610500）

0 引言

“等溫鍛造”的概念出現(xiàn)于20世紀60年代，其研究始于美國，很快前蘇聯(lián)也投入其中，使得相關工作取得進步。等溫鍛造是指在鍛造過程中，毛坯和模具都保持穩(wěn)定或變化非常緩慢且高于常規(guī)鍛造的溫度，創(chuàng)造出優(yōu)于常規(guī)鍛造的條件，使許多常規(guī)鍛造存在的缺陷在等溫鍛造條件下能較好地克服。

鈦是20世紀50年代開發(fā)出供制造業(yè)使用的金屬，具有強度高、耐熱耐腐蝕、韌性好等優(yōu)點，是汽輪機、發(fā)動機及航空航天等精密零部件的優(yōu)選材料。據(jù)NASA估計，到2020年發(fā)動機材料總量的20%～25%將是鈦鋁合金。鈦合金鍛造融合CAD/CAM技術，采用等溫鍛造、超塑性鍛造等新興工藝，可防止出現(xiàn)在常規(guī)鍛造條件溫度下降迅速導致材料成形困難的狀況，使毛坯保持和模具相同的溫度，提升鈦合金材料塑性，可將需要多次成形的工件一次精鍛成形。除此之外，等溫鍛造減少了鍛后加工余量，節(jié)省購買昂貴的鈦合金材料而支付的生產(chǎn)成本，同時降低鍛造效果對操作人員個人技術的依賴，大幅提升鍛件質量。

1 等溫鍛造特點

常規(guī)鍛造下，毛坯溫度高于模具溫度并不斷將熱量傳遞給模具，毛坯自身迅速冷卻，內部分子動能降低，難以克服分子間引力，導致塑性降低，變形抗力增加。這就要求使用大噸位鍛造設備，而形狀復雜的結構如薄壁、高肋件則成形困難且易開裂。

等溫鍛造特別適合于常規(guī)條件下因塑性差、鍛造溫度范圍窄、變形抗力高等引起成形困難的合金及一些金屬材料，要求模具和毛坯均保持低于或等于熱鍛溫度不變。由此可增加材料的塑性，降低分子間的引力，增加材料對應變速率的敏感性，增加毛坯與模具接觸時間。同時，等溫鍛造對鍛壓加工設備的壓力要求降低，其原因在于此時由于溫度較高，材料的變形抗力大幅降低，只需要常規(guī)鍛造壓力的20%～30%就可以進行鍛壓加工。采用等溫鍛造加工的零件各部位變形均勻，微觀組織和機械性能較好，加工余量小。

2 鈦合金等溫鍛造研究成果新進展

Ti-6Al-4V是世界上第一代能大規(guī)模應用的鈦合金，相關基礎研究成果較多。奧地利研究人員提出細胞自動機方法并結合晶粒動力學進行Ti-6Al-4V合金等溫和非等溫熱處理雙相晶粒結構建模，建立了預測微觀兩相區(qū)域晶粒尺寸變化的概率性細胞自動機模型［1］。

德國赫姆霍茲材料研究院采用鑄塊冶金學研究了大尺寸鈦鋁合金件，指出采用無損檢測（NDE）技術新方法處理的大尺寸鈦鋁合金材料可用于生產(chǎn)高質量磁盤和整體葉盤等產(chǎn)品［2］。

俄羅斯科學院通過添加硼元素改進鈦合金，發(fā)現(xiàn)加硼后的鈦合金有利于變形加工。硼合金化處理的VT8鈦合金在700～1000℃范圍能大大提升壓縮屈服應力；在650～700℃多重等溫鍛造時加快了動態(tài)再結晶動力學速度［3］。

目前用等溫鍛造進行模擬制造的零件主要集中在航空和汽輪機的零部件上。葉片和葉盤類零件的研究很多，采用的材料主要為TC4鈦合金。此外，航空用的鈦合金機翼和鈦鋁合金艙壁取得了長足的發(fā)展。

特殊加工工藝的采用能夠增強鈦合金等溫鍛造后的機械性能，有利于鍛造成形并獲得質量較好的鍛件。例如Huang Shuhui等［4］觀察了TC4鈦合金葉片未置氫和氫質量分數(shù)0.25%時等溫鍛造后等溫鍛造組織的演變，得出置氫使葉片強度提升11%，伸長率下降3%～15%的結論。

3 鈦合金等溫鍛造的應變速率因素影響分析

鈦合金等溫一次鍛造成形過程中模具與毛坯接觸時間約為102～103s，應變速率比非等溫鍛造低，其數(shù)量級一般在10-3～10-5m/s范圍內。由于溫度在鍛造過程中是相當重要的因素之一，目前研究應變速率對鍛造效果的影響需要結合溫度條件。

李曉麗等［5］對TC6鈦合金晶粒尺寸演變的研究發(fā)現(xiàn)變形速度越大，晶粒尺寸越小，但分布越不均勻。

Z.L.Zhao等［6］通過Ti-17粉末壓塊等溫鍛造在810～920℃范圍內應變速率為0.001～1 s-1范圍時得到不同變形條件下的能量損耗效率，據(jù)此劃分鈦合金流動穩(wěn)定區(qū)域和不穩(wěn)定區(qū)域，指出應變速率在研究范圍內取較低值能有效改變微觀結構。

Feng Cheng等［7］進行的復雜形狀的鈦合金機翼等溫鍛造模擬結果顯示等溫鍛造載荷不僅與鍛造溫度相關，也與壓機速率相關；壓機速率越慢，填充性越好，溫度在900～950℃時對填充性的影響最小，機翼的機械性能顯著提升。

4 鈦合金等溫鍛造的溫度因素

溫度是鈦合金等溫鍛造中非常重要的因素。為取得良好效果，目前的研究溫度主要集中在800～1200℃范圍內。為了進行鍛造結果對比，研究的溫度已低達700℃以下，如TC4-DT鈦合金近等溫鍛造微觀結構和機械性能研究中最低溫度達到400℃［8］。不進行溫度對比的等溫鍛造研究基本都在800～1200℃范圍內，更集中一些可縮小至900～1100℃。TC4鈦合金葉輪成形模擬將坯料及模具溫度分別設為940 ℃、900 ℃［9］；TC11 鈦合金葉輪精密成形設計方案中模具及坯料溫度為950℃［10］。

為了得到不同溫度條件下鈦合金材料的最佳鍛造效果，研究人員在研究過程中會采用兩種方式。第一種方式是選取2～3個不同的溫度，如判斷TC4鈦合金等溫鍛造時是否進入超塑性變形狀態(tài)，分別采用900℃、925℃、950℃三個不同的變形溫度進行分析［11］；描述Ti-22Al-25Nb合金的等溫鍛造流動應力并計算其表觀活化能時，選擇的溫度分別為1060℃和940℃［12］。

第二種方式是選取一個或多個溫度范圍，通過軟件或實驗對鈦合金材料產(chǎn)生的變化進行連續(xù)的模擬與分析。如TC6鈦合金的微觀結構研究將溫度范圍選擇在860～950 ℃［5］；擠壓比為12 的雙相 γ-TiAl合金棒材的等溫熱壓縮實驗將溫度設定在900～1100℃［13］；為獲得超細結晶微觀結構和較好的性能增強效果，Ti-17粉末壓塊等溫鍛造溫度選為810～920 ℃［14］。

研究結果認為，相對于第一種方式，選擇第二種方式更普遍也更能準確把握鈦合金材料在等溫鍛造過程中的變化規(guī)律，甚至可以認為后者是前者的基礎。上述第一種方式中Ti-22Al-25Nb合金的研究將鍛造溫度選為1060℃和940℃，其原因在于940～1000℃時材料呈α2+β/B2+O三相結構，而1000～1060℃時材料則呈α2+B2二相結構［12］。

有的文獻僅給定了溫度的相對關系。如X.G.Fan等［15］基于最終加熱溫度和初始溫度關系研究了TA15鈦鋁合金等溫局部加載成形的微觀結構形態(tài)和微觀特征并評價其等溫成形過程的摩擦因數(shù)。上述研究成果均為等溫鍛造研究打下了理論基礎，其他同類研究成果還有很多，在此不一一例舉。

5 結論

1）鈦合金等溫鍛造不要求使用大噸位鍛造設備，從而降低了等溫鍛機的液壓系統(tǒng)設計難度；等溫鍛造過程中持續(xù)的高溫可降低變形抗力，有利于鍛件一次成形，減少加工工序，提高生產(chǎn)效率；鍛造的零件各部位變形均勻，微觀組織和機械性能較好，加工余量小。

2）在等溫鍛造研究中溫度仍是研究的重點。此外隨著新材料開發(fā)，鈦合金材料中的微量元素成分一直在變化。為了獲得較好的鍛造結果，使鍛件機械性能良好，不同成分的鈦合金對鍛造溫度有不同的要求，這就需要與新材料對應的新研究來找到最合適的溫度范圍。

3）研究應變速率對鈦合金等溫鍛造的研究中，應首先確定溫度，再選取應變速率。應變速率變化產(chǎn)生的影響將受到溫度的制約。所以以后的應變速率研究，必須基于溫度研究的結論，在合適的溫度范圍內確定應變速率范圍。

4）等溫鍛造尚處于發(fā)展階段，還可以引入很多理論研究和新實驗方法。目前有效的研究方式不一定是最佳的，還會有研究人員提出新觀點，借鑒其他成形加工的工藝或從材料研究中找到提升鍛件質量的方法。

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