TC4钛合金镦锻成形影响因素分析

齐跃，单垄垄，张晓斌，唐伟，林忠亮，贾金成，林磊

1.航天精工股份有限公司 天津 300300

2.天津市紧固连接技术企业重点实验室 天津 300300

1 序言

钛合金材料以其比强度高、塑性好、耐腐蚀及无磁性等性能优点广泛地应用于航空航天领域，而使用钛合金材料制备的紧固件同时具备高强度、低密度、抗疲劳和耐腐蚀等性能，在航空航天领域有着极大的应用需求。先进的镦锻成形技术，是发挥材料良好性能、获得高性能紧固件产品的重要保障。本文从材料的本身特性、工装模具设计以及加工时的外部环境等几个方面，对TC4钛合金镦锻成形影响因素进行了全面论述。

2 原材料因素分析

由于TC4钛合金具有屈强比高、回弹性大和缺口敏感等特点，冷变形加工比较困难，故TC4钛合金通常采用热镦成形，形成连续的金属流线。原材料的镦锻成形能力，是衡量原材料是否具有应用性的主要指标之一，也是保证产品性能的基础。

2.1 原材料的再结晶温度与热镦温度选择的影响

材料在热成形时，根据热变形的定义：热变形（如热锻、热轧）是在金属再结晶温度以上进行的加工、变形，低于再结晶温度的加工是冷变形或者温变形。TC4钛合金的再结晶温度为750～850℃[1]，α+β→β转变温度为980～1020℃，超过相变温度时，容易形成粗大的魏氏组织，该组织虽具有持久强度和断裂韧度高的优点，但拉伸塑性和疲劳强度均很低。因此，应特别注意对热镦变形温度的选择。值得一提的是，TC4钛合金的加工态原始组织对热处理后的显微组织和力学性能有较大的影响。对于高于相变温度、经过不同变形而形成的网状组织来说，是不能被后续的热处理工艺所改变的，其在750～800℃退火后，基本保持原来的组织状态；对于在相变温度以下进行加工而得到的α相、β相组织，在750～800℃退火后，则能得到等轴初生α相及转变的β相。前者的拉伸延性和断面收缩率都较后者低，但耐高温性能和断裂韧度、抗热延应力腐蚀都较高。在紧固件生产中，一般不希望产生粗大的魏氏组织，因此在热镦时的温度都应在β相转变温度以下。

2.2 原材料制备时变形量的影响

原材料在成形时的变形量对其性能存在显著影响，有研究表明[2]，TC4钛合金的性能随着变形量由0.44mm变到0.96mm，其屈服强度可由897MPa提高到1043MPa，抗拉强度也相应地由1069MPa增加到1290MPa，而且当变形量在0.44～0.86mm时，屈服强度和抗拉强度变化速率都较慢，当变形量超过0.86mm时，丝材强度急剧上升，表现为快速强化过程，进一步分析认为，丝材强度急剧上升与变形机制有关。随变形量的增大，丝材塑性逐渐下降，表现为伸长率减小。当变形量在0.44～0.86mm时，丝材塑性较好，伸长率＞15%，而当变形量＞0.86mm时，丝材塑性突降，伸长率不超过10%，即变形量0.86mm是整个变化过程的拐点（此处变形量指的是材料在拉拔时的变形量）。由此可以推断，原材料在成形时的变形量，会显著影响材料的强度和塑性，从而在一定程度上会影响镦锻成形的效果。

从变形角度上看，镦锻成形相当于在原材料拉拔变形基础上的进一步变形。有研究[3]对金属材料不同变形的阶段进行理论分析，得出塑性变形过程中位错密度的增加及其所产生的钉扎作用是导致加工硬化的决定性因素，而变形次数发生的越多，变形量越大，加工硬化越强烈，当变形发生到一定程度后，材料将会被破坏。如果原材料拉拔时引入过多的变形量，那么后续加工可以继续变形的程度则会减少。因此，在原材料投入生产前，除了关注材料的强度之外，也应该关注材料在拉拔时的变形量。

2.3 原材料化学成分的影响

原材料的化学成分，特别是杂质元素C、N、O对钛合金性能影响特别强烈。据统计[4]，元素含量增量对工业纯钛的性能影响关系：在允许的范围内，wO=0.05%时，可以提高钛的强度极限60MPa；wN=0.05%时，可以提高钛的强度极限125MPa；wC=0.05%时，可以提高钛的强度极限35MPa；wFe=0.05%时，可以提高钛的强度极限10MPa；wSi=0.05%时，可以提高钛的强度极限12MPa。材料化学成分的控制，直接影响材料的力学性能，从而影响镦锻成形的效果。在实际应用中发现，O含量的差异，会直接影响到钛合金材料镦锻成形的结果。

3 热变形温度因素分析

有报道对魏氏组织的TC4钛合金变形温度与变形应力之间的关系进行研究，结果显示[5]，当变形时选择的温度从600℃升高到900℃时（应变速率为8.3×10-3/s），流变应力峰所对应的应变量εp从0.13减小到0.02，流变应力峰值σp由536MPa下降到49MPa；在此温度区间，温度每升高100℃，应力峰值分别下降36.9%、42%和75%，说明随着变形温度升高，材料的加工硬化能力显著减弱，热变形抗力减小的速度加快。该文献同时指出，材料在600℃变形时，不发生动态再结晶，材料发生软化的机制是动态恢复。而在700℃下，变形应力衰减的幅度相对600℃和800℃更大，并接近900℃应力衰减的幅度。由此推断，在700℃附近变形时，可能发生了动态再结晶，从而导致流变应力随应变衰减的幅度急剧增大。各温度下的变形情况见表1[5]。

表1 TC4钛合金真应力-真应变曲线的应力峰值和应力衰减幅度（应变速率8.3×10-3/s）

另有研究表明[6]，如果热镦锻时的温度过低（≤650℃），则产品无法成形，会造成头部开裂；若温度过高（≥920℃）时，产品会因为过热、过烧而掉渣泛黄。在840～880℃成形时，产品表面质量良好。因此，钛合金成形的最佳温度为880℃。

航天精工股份有限公司对TC4钛合金热成形温度对显微组织的影响研究结果显示[7]，在940℃、1000℃下加热并保持较长时间，容易产生组织过热，晶粒长大甚至会形成粗大的魏氏组织；而在850℃、890℃下镦锻，产品未出现过热现象，在850℃镦锻时，头杆结合处的组织相对原材料状态的钛合金更加细小。这是因为在动态回复再结晶过程中，加热温度不高，新形核的晶粒还没有来得及长大就失去了长大所需的驱动力，所以形成了细小的晶粒。

研究发现，当钛合金在进行热镦锻变形时，机械能会转换为热能，使钛合金局部温度上升50～150℃，因此在进行热镦锻时，推荐加热温度应保持在800℃左右为宜。

4 变形速率因素分析

在相关文献[4]中，还提到了变形速率对变形抗力有一定的影响，随着变形速率的增大，变形最大抗力随之升高。在600℃时，随着形变量增大，位错密度迅速增加，使变形抗力逐渐变大。在镦锻变形时所涉及的应变速率远高于文献中研究的变形速率，且速率基本为固定值，因此，对于变形速率的影响可以基本忽略。

5 模具设计等因素分析

模具与变形材料的匹配关系是影响成形效果的又一主要因素。有研究对TC4钛合金热镦锻成形的模具设计进行了较为详细的介绍[6]，在TC4钛合金镦锻成形时，由于变形抗力大，模具工作部位会受到很大的挤压应力和摩擦力等复杂受力作用。因此，模具应具有较高的硬度、强度、韧性和耐磨性等综合性能。同时，为了保持模具工作部位的尺寸精度，避免塑性变形过早发生，选用的模具材料需具有较高的屈服强度和良好的冷热加工性能。

（1）热镦锻切料管 与冷镦锻不同的是，热镦锻材料会膨胀，材料会经料轮进入切料管。若切料管与原材料尺寸相差太小，由于加热原因，材料发生微小膨胀，会出现卡死、拉毛等问题。根据材料在加热后的线膨胀系数，获得膨胀尺寸计算公式为

式中δ——线膨胀系数（1/℃）；

d——丝材直径（mm）；

T——加热温度（℃）。

TC4钛合金在各温度下的线膨胀系数可在《紧固件材料手册》中获得，在温度超过600℃后，线膨胀系数为10.0×10-6/℃，获得的膨胀尺寸见表2。

表2 TC4钛合金丝材热镦锻时的膨胀尺寸

（2）阴模和料径 由于材料变形能力的限制，其镦锻比越大，成形越困难。对于镦锻比大的产品，若材料直径过小，则容易出现折叠、弯曲等问题；若直径过大，虽然容易成形，但在后续加工过程中，会增加切削加工量，不仅造成材料的浪费，还将破坏材料的变形流线，对产品的综合性能产生不利影响，因此对原材料尺寸与阴模尺寸的匹配关系选择也十分重要，经验数据显示二者以相差0.05mm为宜。

（3）阳模和顶针 以齿轮槽螺栓为例，阳模齿轮槽头部容易发生折叠，而阳模使用寿命会直接影响镦锻的效果和效率，更换一次阳模至少需要耗时30min，且在损坏之前，对齿轮槽尺寸还存在一定的影响。齿轮槽阳模损坏的原因：当产品加热镦锻时，头部在接触齿轮槽阳模发生变形后，产品会迅速冷却，而冷却收缩对齿轮槽起到一定的夹紧作用，导致其从阴模中拔出时，受到更大的应力作用，加速其断裂。常用的解决办法：在顶针底部设置一个凸台，让螺栓尾部可以同时承受变形阻力，让两侧的摩擦力相互抵消，产品便不会从阴模中被拔出。

此外，材料的镦锻成形，在头部的用料计算时，可采用等体积的方法获得所需的材料用量。当材料用量超过模具设计尺寸过多时，会有部分材料通过模具间隙溢出，造成变形边缘缺陷，如飞边、毛刺等，甚至有模具胀裂的风险。但当材料用量不足模具设计尺寸时，部分区域的变形会由于材料用量不足而不能达到设计要求，另一些区域会由于变形量过大而出现折叠、弯曲等。对于TC4钛合金，弹性模量E＝110GPa，约为钢的1/2，故钛合金加工时容易产生回弹。有研究表明[7]，TC4钛合金材料发生的变形越大，则回弹越明显。因此，钛合金在冷态下的精准成形，需在模具上预先修整回弹量；加热成形时，可通过热矫形消除回弹，但必须预先知道在特定温度下的初始回弹值。另有研究表明[8]，TC4钛合金在经历塑性变形和卸载后，存在明显的滞后回弹现象。

综上所述，对TC4钛合金进行热镦锻成形时，除考虑模具各组件的配合外，还应注意模具与原材料之间的尺寸匹配关系，充分考虑材料的膨胀和回弹等特性。

6 润滑效果影响因素分析

TC4材料在成形时，润滑层起到的作用如下。

1）减少摩擦阻力，对被加工材料和模具起到润滑效果，减少动力消耗。

2）保护材料与模具之间直接接触，减少模具磨损，延长工模具使用寿命。

3）便于变形过程的流动，改善加工金属表面的质量及精度。

4）控制温度以及工件在加工过程中的热损失所造成的温度梯度，以减小加工变形，并起到散热、隔热作用，防止工件急冷和模具的热冲击。

5）隔绝材料与空气直接接触，可保护材料变形发热后或加热时不受氧化和腐蚀。

在进行挤压成形时，材料塑性流动剧烈，如果原材料没有经过良好的表面润滑处理，原材料容易与模腔直接接触而黏合，导致压力、摩擦力急剧增加，使模具使用寿命大大降低，同时加工出的产品也存在缺陷，容易出现拉毛、划痕等问题。

在很高的挤压力作用下，一般涂刷的润滑剂会被完全挤掉，起不到润滑作用。因此，需要在挤压前对原材料进行表面处理，获得表面支撑层，以便在后续润滑处理时起到存储润滑剂的作用[9]。

7 结束语

综上所述，在TC4钛合金进行镦锻成形时，应该特别注意对以下几个因素的控制。

1）在产品加工前，应重点关注原材料复验的数据，特别是化学成分及抗拉强度等特性，这些特性将直接影响镦锻产品的成形效果。

2）TC4钛合金镦锻成形的温度选择与原材料的相变点和再结晶温度有关，温度区间一般选择在650～900℃，最佳成形温度在800℃左右。

3）材料尺寸与模具之间的匹配关系也是影响成形效果的重要因素，因此充分考虑TC4钛合金的热膨胀和回弹，可以对模具设计有很大指导作用。

4）良好的润滑效果不但可以使变形更加顺利，获得更好的成形效果，同时也可以延长模具的使用寿命。