钛合金板锻造工艺研究

□李七平□潘 强□李 慧□韩文科□许敬月 □王 波

1兰州兰石能源装备工程研究院 兰州 730314

2甘肃省高端铸锻件工程技术研究中心 兰州 730314

1 钛及变形钛合金概述

1.1 应用概况

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，其主要特点是密度小、强度高，特别是比强度高，同时具有良好的耐热性和耐蚀性，因此钛合金首先在航空工业中得到应用[1]，主要有航空发动机用高温钛合金和机体用结构钛合金。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并进行了实际应用。因钛合金的耐蚀性能优异，近年来，钛合金在石油、化工、冶金、生物医学和体育用品等领域开始应用，并成为新工艺、新技术、新设备不可缺少的金属材料，钛工业进入了一个新的发展时期[2-5]。

1.2 钛的基本物理特性

纯钛是银灰色金属，具有良好的塑性和冷热成形性能，但强度低，可通过合金化的方法获得所需要的性能合金。纯钛熔点为1668℃，密度为4.54g/cm3，在882.5℃时会发生同素异晶转变。在882.5℃以下为密排六方晶格，称为α-Ti。在882.5℃以上为体心立方晶格，称为β-Ti。β-Ti耐热性较差，但工艺塑性较好，易于锻造[6]。

钛和钛合金的导热性差，化学活性强，对可引起自身脆性的氢、氧和氮很敏感，给冶炼、机械加工、热处理带来不少困难，造成生产成本较高[7]。

1.3 变形钛合金分类

按照退火状态的相组成分类，可以将钛合金划分为三大类：α型、α+β型和β型钛合金，还可以将α+β型钛合金再进一步细分为近α型、α+β型和近β型三类[8]。

2 钛合金板锻造工艺准备

采用陕西宝鸡某钛业公司的20件钛合金板锻件进行试验，材质为TA1/TA2，材料尺寸为2 100 mm×910 mm×170 mm，根据生产过程在一定范围内进行控制，质量为1 505 kg。试验目的是提高材料利用率，尽可能减小机加工量。为获得理想的内部组织，要求经过一次加热锻造完成。钛合金板锻件如图1所示，其技术要求为：①板坯板面平整，棱角方正，锻件表面不得有裂纹、凹坑、折皱等缺陷；②板面不平度≤5 mm/m，板坯厚度差≤5 mm，板宽厚度差≤5 mm；③必须一次加热锻成。

图1 钛合金板锻件

2.1 锻造热力规范

钛合金的组织和性能基本取决于合金的化学成分和热处理，锻造温度范围、变形程度和变形速度等热力学规范参数，对钛合金锻件的组织及性能有很大影响[9]。从利用金属塑性的角度出发，钛合金的始锻温度越高越好，但α+β型钛合金或α型钛合金，如果始锻温度超过合金的β相转变温度，那么由于晶粒剧烈长大，锻后会形成魏氏组织，锻件的室温塑性很低。已知TA1/TA2的β相转变温度为885～900℃，因此锻造温度区间定为650～950℃。

由于试验使用的是天然气加热炉，因此要求炉中保持微氧化气氛，尽可能减小氢对钛锭表面的污染。钛合金的锻造温度区间较窄，是钛合金锻造比较困难的原因之一[10]。

2.2 钛合金板收缩率

钛合金收缩率比钢小得多，一般为0.5%～0.7%，同时钛合金板终锻温度较低，因此收缩率取0.4%～0.5%即可。

2.3 钛合金板锻造工装

为做好试验，专门设计制造了一件长方形上砧板，板宽550 mm，长2 300 mm，工作表面粗糙度为3.2 μm。砧板边缘倒较大圆角，锻造前砧板预热温度为200～300℃。

2.4 钛锭表面润滑

钛合金化学性质活泼，在高温剧烈变形时，金属流动产生的新鲜表面容易粘在模具上[11-13]。选用玻璃防护润滑剂，可以减少氧化皮，还可以起润滑与防护作用，保护钛合金免受氢气、氧气、氮气污染，避免形成表面α脆化层而产生锻造裂纹。由于钛锭表面经过去杂质处理，因此要提前24 h刷涂玻璃防护润滑剂，自然风干，然后装炉。

3 编制锻造工艺

3.1 工艺指导原则

TA1/TA2属于工业纯钛，为α型钛合金。在严格控制一次加热锻成的情况下，钛锭的始锻温度控制在940～960℃，也就是在β相转变温度下锻造。在此状态下工艺塑性较好，利于塑性变形，但晶粒较粗大，必须给予较大的变形量，以使晶粒细化，这是开始变形时的主要锻造特点。开始锻造时给予大变形量，既可获得较细的晶粒度，又能减少因温度较低产生表面裂纹的现象。待接近成品尺寸时，留一些修整量即可。

钛合金的变形抗力随温度降低而急剧增大，随温度升高则显著下降，因此在高温区需要大变形量展宽时尽可能展宽，并留出一定的宽度修整量，而不要急于锻出棱边，否则由于棱边降温快及棱边的牵制效应，高温区材料的流动会被低温区棱边固定，造成最终锻件频繁修整。

在展宽获得足够宽度的情况下，锻出棱边。由于厚度尺寸已经锻到最终尺寸，修整量并不大，因此利于快速修整出最终成品。

3.2 成形工艺确定

按常规锻打方块，优点是工艺方案容易理解，锻打方法较熟练，缺点是三个面来回翻转，厚度较薄，镦粗易弯曲，而且三个方向的尺寸不易控制，材料流动控制较难。

将锻打方块与拔长工艺相结合。由于钛锭的截面尺寸较小，约φ450 mm，不能采用拔料的方法直接锻出图纸截面尺寸，而必须采取镦粗方法，增大截面积，为后续展宽做铺垫。这一方法的最大优点是材料流动有规律，宽度和厚度尺寸容易控制，长度不限。工艺路线为：展宽，保证一定的厚度；立起镦粗，再展宽，镦粗；起4个角，平整，立起；压棱边，翻转90°；平厚度，再转 90°；压棱边，平整；最终完成成品。

经比较两种成形工艺，确定采用锻打方块与拔长工艺相结合的成形工艺。

3.3 锻造工步

（1）先对坯料进行压扁，然后镦粗，增大截面积。坯料先压扁至厚度250 mm，宽度600 mm，然后立起镦粗，增大截面积，同时尽可能锻出4个角，压下量为200 mm。翻转180°，再镦粗，压下量为200 mm，总压下量约400 mm。图2、图3所示为坯料展宽和展宽后镦粗现场。完成上述锻造工步，坯料高度约1 700 mm，宽度约700 mm，厚度约280 mm。

图2 坯料展宽现场

图3 展宽后镦粗现场

（2）平放坯料，用2 300 t压机的上砧板进行压扁操作，尽可能实现展宽，控制厚度为170 mm，宽度为1 020～1 050 mm。立起镦粗，起4个角，压下50 mm。翻转180°再镦粗，压下50 mm。图4所示为再展宽现场。图5所示为再镦粗后截面尺寸。

图4 再展宽现场

图5 再镦粗后截面尺寸

（3）竖起压棱边。由于宽度已展宽至1 020～1 050 mm，有足够的余量压棱边，因此送进量不要太大，约300 mm，主要目的是在起棱边的同时使余料尽可能多地在长度方向延展。压过一次后翻转180°，再压一次，控制宽度为900 mm。图6所示为竖起压棱边现场。

图6 竖起压棱边现场

（4）平放展长度。由于镦粗、压棱边导致厚度尺寸增大到约200 mm，此时必须通过锻压拔长的方法进行长度延伸，且不能过分展宽。控制送进量不可过大，一般控制在300 mm左右，压过一次后翻转180°，再压一次。

（5）立起镦粗平整两端面，如图7所示。镦粗可以一半一半压，也可以分3～4次压。修整锻件，最终得到钛合金板成品，如图8所示。

图7 镦粗示意图

图8 钛合金板成品

4 结论

采用TA1/TA2钛合金，对其进行锻造工艺研究。通过分析常规锻打方块工艺和锻打拔长工艺，得出锻打拔长工艺更适合本次锻造。基于锻打拔长的锻造工艺，得出钛合金板锻造的工步为：对坯料进行压扁，然后镦粗；平放坯料，用上砧板与下平台进行压扁；竖起压棱边；平放展长度；立起镦粗平整两端面，最终得到理想的成品。

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