鈦合金擠壓型材制備工藝技術研究*

張少丹，代 春，馮紅超，吳宏剛，謝林均

（寶雞鈦業股份有限公司，陜西 寶雞 721014）

鈦合金型材是一種新型結構材料，具有強度高、耐熱、耐腐蝕等優點，主要應用在航空、航天、海洋工程等領域。美國從五十年代后期以鈦合金型材代替部分鋁合金型材，俄羅斯也于上世紀六十年代開始進行鈦合金型材的研制與生產，國內鈦合金型材起步較晚，目前處于工程化研制階段。鈦合金型材作為重要的承力結構件，市場需求緊迫。

寶雞鈦業股份有限公司為國內最早從事鈦合金型材研制生產的單位之一。經過多年的不斷探索，突破了鈦合金型材生產的多項關鍵技術，打通了整個生產流程。目前，已成功研制出“U”形、“L”形、“T”形、“幾”形、“Z”形、直角等厚等邊、83°角不等厚不等邊、104°角等邊、薄壁直角等多種形狀及規格的鈦合金型材，涉及牌號有TC4、TA15、TC2、TC18等鈦合金，其中航天新型運載火箭批量應用TC4鈦合金型材填補了國內鈦合金型材應用的空白。

1 鈦合金型材擠壓特點

鈦合金型材主要采用擠壓法生產，比鋁合金、銅合金擠壓過程更為復雜，這是由鈦合金特殊的物理化學性能所決定的。擠壓成形可生產形式各異、截面復雜的型材，具有生產靈活、加工效率高等特點，并且是復雜斷面、空腹、變斷面型材的唯一加工方法，擠壓型材的剛度好。因此，鈦合金型材擠壓制備工藝技術是其他成形加工技術無法代替的。

2 鈦合金型材擠壓工藝技術

鈦坯料的導熱率低，在擠壓過程中鈦合金金屬流速不均勻，以及容易和擠壓模具材料粘連，很容易形成型材表面縱向刮線、麻斑、氣泡、起皮、飛邊、毛刺等缺陷。因此鈦合金型材的制備需要考慮以下幾方面。

2.1 擠壓模具

（1）擠壓模具原材料選用耐熱高強的熱作模具鋼。

（2）根據不同型材的截面結構尺寸，設計出其特有的入口角、定徑曲線，以確保金屬流出模口過程的平穩及流速均勻；模孔尺寸確定，不能僅依據金屬制品的線性膨脹曲線設計，要根據所需制品的結構特征加以修正，才能得到制品要求的尺寸公差；鈦合金型材為結構件使用，在金屬制品表面要避免存在橫向微裂紋，在擠壓的過程中需要防止死區金屬的流入，需要對型材擠壓模具結構，模口圓角進行設計。提高模具設計是提高合格率的重要技術措施。

2.2 擠壓用棒坯

2.2.1 棒坯熔煉

鈦合金型材用棒坯采用真空自耗電弧爐熔煉，為保證冶金質量，海綿鈦100%人工挑料；為使元素在棒坯中充分合金化，保證棒坯成分均勻性，合金添加采用中間合金。

2.2.2 棒坯鍛造

為充分破碎棒坯鑄態組織、細化晶粒、優化棒坯性能，棒坯鍛造在單相區大變形開坯、兩相區小變形終鍛。當棒坯中有氣孔、組織疏松或有中心裂紋時，擠壓過程中氣體的突然釋放類似“放炮”，使得模具局部工作帶突然減載又加載，形成局部巨大的沖擊載荷，對模具影響很大。

2.3 型材擠壓

2.3.1 棒坯噴涂

鈦合金高溫下化學性質活潑，極易吸氧，形成脆性的氧化層，導致破碎/拉裂，影響表面質量，因此坯料加熱時采用玻璃潤滑進行防護，防護涂層的最基本功能就是可靠地保護被加熱金屬，不使大氣中有害成分向金屬擴散，加熱過程中，封閉氣體擴散通道，隨著溫度的升高，逐漸形成粘滯的膜層，起到保護作用。“保護”要求高溫時涂層具有相對高的粘度和化學惰性，不腐蝕金屬。然而擠壓過程中又要求涂層具有較小的粘度，起到輔助“潤滑”的作用。在工作溫度有高的耐壓、抗拉性能和良好塑性，可隨金屬一起延展潤滑膜不斷裂（見圖1）。

圖1 棒坯噴涂

2.3.2 模具噴涂

鈦在高溫下易與鐵基合金形成易熔共晶體，導致模具粘結，磨損嚴重，嚴重影響表面質量，因此擠壓模具表面采用工作面底層進行Mo基火焰噴涂、表層進行ZrO2等離子噴涂，改善了模具耐磨性、耐高溫性。形成隔離，減少擠壓坯料和模具之間的熱交換，模具表面噴涂不僅起到隔熱作用，也可起到潤滑作用。通過擠壓試驗驗證，涂層對模具耐高溫、高壓性能起到了較好提升，擠壓后型材質量較理想，模具損傷小（見圖2）。

圖2 模具噴涂

型材擠壓關鍵工藝參數主要為擠壓比、棒坯加熱溫度、擠壓速度，合理選擇擠壓工藝參數是制備型材滿足要求的關鍵。

2.3.3 擠壓比

由于大擠壓比存在嚴重的金屬流動不均勻，再者鈦合金導熱性差，擠壓中溫度升高，容易在高溫下粘接模具，使潤滑條件惡化，造成模具快速損壞，擠壓產品質量惡化，因此鈦合金擠壓比不易過高。可減少外層金屬和死區金屬流入模口，提高型材成形性及表面質量。

擠壓比λ的選擇與合金種類、擠壓方法、產品性能、擠壓機能力、擠壓筒內徑及錠坯長度等因素有關。如果λ值選用過大，擠壓機會因擠壓力過大而發生“悶車”，使擠壓過程不能正常進行，甚至損壞工具，影響生產率。如果λ值選用過小，擠壓設備的能力不能得到充分利用，也不利于獲得組織和性能均勻的制品。厚壁型材擠壓比λ一般為10~30，薄壁50~180（見圖3、圖4）。

圖3 Π型材

圖4 Y型材

2.3.4 擠壓速度

在擠壓過程中，當擠壓速度過快時，會造成金屬流動難于均勻，鈦金屬流到模具腔內壁摩擦加劇致使模具工作帶磨損加速，模具溫度實際較高等現象。如果此時金屬變形產生的余熱不能被及時帶走，模具就可能因局部過熱而失效。如果擠壓速度適宜，就可避免上述不良后果的發生，擠壓速度一般應控制在200mm/s以下。

2.3.5 擠壓溫度

擠壓溫度是由模具預熱溫度、擠壓筒溫度和棒坯溫度來決定的。

（1）模具預熱溫度

型材模具預熱溫度選擇200~300℃。如預熱溫度過低，擠壓力過大，模具容易碎裂；預熱溫度過高則難以裝模。

（2）擠壓筒溫度

擠壓簡溫度選擇的不合理也會影響擠壓的質量，對于厚壁型材建議擠壓筒溫度為420~450℃，另一方面，擠壓筒不干凈，余積氧化皮過多，或者擠壓筒已變形，以及擠壓簡與擠壓墊間隙過大，均影響擠壓質量。

（3）棒坯溫度

棒坯溫度過低容易引起擠壓力升高或產生悶車現象，模具容易出現局部微量的彈性變形，或在應力集中的部位產生裂紋而導致模具早期報廢。棒坯溫度過高會使擠壓金屬流速過快，金屬的變形抗力相對減弱，型材邊部難以成形。根據棒坯牌號選擇合理加熱溫度（見圖5）。

圖5 加熱后的棒坯

3 鈦合金型材未來發展研究方向

3.1 擠壓模具重復利用研究

為了節約成本，更好地保護模具并提高制品質量，開發出復合潤滑方法，模具表面氧化鋯噴涂技術和模具表面潤滑劑配比及使用，有效保護了擠壓模具，目前能夠實現部分型材擠壓后，模具僅發生涂層的脫落，基體未發生破壞和變形，因此，模具重新噴涂后可實現重復使用2~3次。

3.2 坯料加熱過程表面防護技術及擠壓潤滑工藝技術

由于鈦合金型材擠壓溫度高，高溫高壓下，模具極易磨損。因此，鈦合金熱擠壓成型工藝都必須采用玻璃潤滑劑，才能起到減小坯料斷面的溫差，改善塑性和隔離鈦與模具材料的作用。防護涂層主要目的是防止或減緩因氣體或合金成分的互擴散對基材造成的熱腐蝕及對涂層的改性，所以涂層性能在高溫下的持續和穩定性成為高溫涂層研究的重點，防護效果好就要求涂層在高溫下活性差，具有一定的粘度，但是高溫粘度大，潤滑效果就差，有待對玻璃潤滑和防護涂層進一步優化和研究，改善型材表面質量。

4 結論

（1）擠壓模具的材料和結構影響鈦合金型材制備質量。

（2）擠壓用棒坯熔煉和鍛造影響鈦合金型材制備質量。

（3）擠壓工藝棒坯噴涂、模具噴涂、擠壓比、擠壓速度影響鈦合金型材制備質量。