钛合金TC4浮球锻造工艺研究

刘卫标，杨 松

（云南昆钢重型装备制造集团有限公司，云南 昆明 650000）

关键字：钛合金；TC4；锻造；工艺

1 钛合金TC4材料要求

1954年美国成功研制Ti-6Al-4V合金，即TC4钛合金。由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，成为钛合金工业中的王牌合金，其使用量已占全部钛合金的75%～85%。

1.1 钛合金TC4成分

TC4是国内的称呼，锻件的国标为HB5432-89。在ASTM中对应为GrF5，锻件标准为ASTM B 381。在AMS中对应为TI6AL4V，锻件标准为AMS 4928。在美军标中对应TI6AL4V，锻件标准为MIL-T-9047。

在飞机用TC4钛合金锻件标准HB5432-89中，TC4钛合金锻件的化学成分要求如下：

表1 TC4钛合金锻件的化学成分

1.2 室温力学性能要求

表2 TC4钛合金锻件的室温力学性能

1.3 表面质量要求

锻件最终交货时，表面质量要求如下：①锻件表面不允许有夹杂等影响材质的冶金缺陷，发现后锻件予以报废。②在锻件的待加工表面，裂纹、氧化皮等杂物必须全部消除，其他缺陷允许不清除。在所有清除和允许不清除缺陷的所在部位，均须保证锻件留有三分之一的名义加工余量。③保证锻件有后续加工过程中所需的加工工艺余量。

2 浮球尺寸特点

图1 浮球三维模型

浮球有以下几个特点：

①该球体有上下两半组成，装配后，两球体球心不重合，直径最大为700mm；成品重量约90kg半球重量45kg；②该球体为薄壁件，最薄处厚度为13mm，最厚处26mm；③两个半球的结合面、尾部端面加工精度要求高，表面精度Ra0.8。

3 锻造工艺

锻造采用自由锻形式，最后在模具内成型。

3.1 工艺线路确定

①TC4铸锭外购，外购铸锭重量约560kg；②两次镦拔，裂纹处理；③下料，半球毛坯重量约180kg；④对半球毛坯进行加热镦拔，锻造成饼状，尺寸约为¢1000x100；⑤对饼状坯料、剥皮、探伤、力学性能试验、尺寸检测，全部满足要求后模具成型；⑥初车加工；⑦无损检测、尺寸检验。

3.2 外购铸锭计算

在锻造加工过程中，需要清理裂纹，剥皮、粗车加工等，材料损耗较大。还有考虑出现缺陷问题时可以修复，所有留有较大的余量。综合各种因素，外购铸锭的重量按成品重量的6倍-8倍考虑。本产品外购铸锭的重量为560kg。

3.3 初锻工艺

按退火后的组织，钛合金可以分为三大类：①α合金及近α合金。②（α+β）合金。③β合金及近β合金。国家标准用TA代替α合金；TB代表β合金；TC代表（α+β）合金。TC4为（α+β）钛合金。

钛合金锭在相变温度（882℃）以上经过两墩两拔。

第一次墩拔加热温度控制在1020℃～1030℃，出炉后快速到31.5MN快锻机进行锻打，当温度低于930℃时，进炉加热，如此反复直到所有材料经过锻打不少于三次。在锻造过程中如产生裂纹应清除后再锻。第二次墩拔温度稍低于第一次。经过两次墩拔，材料晶粒细密均匀，密度提升，性能提高。产品的形状以长条形为宜，便于下道开坯工序。

3.4 精锻工艺

初锻完后及时进行外观检查，不能有裂纹，并对产品的重量进行核查，不能低于400kg。上述两项合格后，将产品开坯成重量相等的两份。

精锻是为了充分优化纤维组织，进一步提高材料性能。精锻过程与初锻相同，但必须严格控制出炉温度与锻造温度。产品形状为饼状。

3.5 检验检测及成型

精锻完成后，进行剥皮处理，同时完成无损检测、力学性能检测，满足国标HB5432-89的要求。最后进行尺寸检测，不小于¢970x70。

把合格的坯料加温后（低于相变点80℃～90℃左右）在模具内成型，成型时模具需要保持一定温度还要涂抹润滑剂，成型压力控制在1.4Mpa～2.1Mpa，时间控制在10min以内，成型以后自然冷却。探伤合格，尺寸复查合格后再回炉退火。

4 总结

在锻造过程中，应严格控制氢、氧、氮的含量，必须在产品表面涂层保护膜。氢在α相中溶解度很小，钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆，氢含量应控制在0.015%以下。氧和氮在α相中有较大的溶解度，对钛合金有显著强化效果，但却使塑性下降，氧含量应控制在0.15%以内。氮含量应控制在0.05%以下。

通过试验，产品室温强度达到1172MPa，优于国标标准。在模拟深海6000米试验时，没有出现变形及渗漏现象。