高温钛合金支架制件热成形工艺研究

摘要：高温钛合金因其卓越的机械性能和耐高温特性，在航空、航天和高性能汽车工业中展示出广泛的应用潜力。尽管如此，高温钛合金在加工与成形过程中仍面临许多挑战，难以在保持材料性能的同时实现精确成形。对此，需详细探究高温钛合金的重要性及其在各个领域中的应用，并分析高温钛合金支架制件的热成形工艺，探讨在热成形过程中对质量检测和控制的关键点，提供相关的参考信息。

关键词：高温钛合金 支架 热成形 材料性能

中图分类号： V252

Research on the Hot Forming Process of High-Temperature Titanium Alloy Support Parts

WANG Yanghua WAN Dan HUANG Fang ZHANG Dongbing SHU Fei WANG Feng

LUO Qinghui

AVICviation Industry Jiangxi Hongdu Aviation Industry Group Co.， Ltd.，Nanchang，Jiangxi Province，330096 China

Abstract：High-temperature titanium alloys have shown their extensive application potential in aviation， aerospace， and high-performance automotive industries due to their excellent mechanical properties and high-temperature resistance. However， high-temperature titanium alloys still face many challenges inthe process of processing and forming， making it difficult to achieve precise forming while maintaining material properties. In this regard， it is necessary to explore in detail the importance of high-temperature titanium alloys and their applications in various fields in detail， analyze the hot forming process of high-temperature titanium alloy support parts， andexplore the key points of quality inspection and control in the hot forming process， andwhich provides relevant reference information.

Key Words： High-temperature titanium alloy; Support bracket; Hot forming;Material propertiesy

随着航空航天和高性能工业对材料性能要求的日益提高，高温钛合金因其卓越的强度与耐温特性而成为研究的热点。在这种背景下，高温钛合金支架制件的热成形工艺的研究显得尤为重要。该工艺能够直接影响材料的应用性能和生产效率，因此，深入探讨其科学和技术问题，不仅对提升材料加工技术具有理论意义，更对推动相关工业技术的发展具有实际意义。此外，优化热成形工艺能够降低制造成本，提高产品的可靠性和持久性，对于高技术行业的竞争力是至关重要的。

1高温钛合金的重要性与应用领域

高温钛合金由于其独特的物理和化学属性，在许多高科技和高性能应用领域中均可发挥重要作用。在航空领域，航空发动机常常工作在极端的高温和压力条件下，这要求使用的材料不仅要能承受高温，还要具有足够的抗蠕变性能和疲劳寿命。高温钛合金在这方面表现出色，可用于制造涡轮叶片、压气机盘和其他关键的发动机组件。这些合金能够提高发动机的效率和输出功率，同时减轻重量，从而提高燃料效率和飞行距离。航天领域对材料的要求与航空领域相似，但更加严苛，要求能够适应极端的环境，例如：在重新进入地球大气层时的高温或在外太空中的极低温。高温钛合金具有高温强度和轻量化特性，在航天器结构、火箭发动机和航天器的保护层中有广泛应用[1]。在高性能汽车工业中，随着对速度和效率的要求日益提高，高温钛合金也开始被用于制造高性能赛车的关键部件。例如：在赛车的发动机和排气系统中，这些合金能够承受极高的温度和压力，同时保持较低的重量，可提高整车的性能至关重要。

2高温钛合金支架制件热成形工艺

2.1加热过程

高温钛合金的热成形工艺始于精确控制的加热过程，这一步骤对最终成形件的质量至关重要。首先，将钛合金材料加热到其热塑性成形的适宜温度范围，通常设定在900～950℃之间。在这一温度区间，钛合金的晶体结构变得更加活跃，材料的可塑性显著提高，从而能够在成形过程中承受压力而不发生破裂或其他损伤。为了实现均匀且精确的加热，通常采用两种主要的加热技术：炉加热和感应加热。炉加热是一种较传统的方法，通过将材料放置在加热炉中，利用炉内的高温环境逐渐使材料加热到所需温度，可以处理大批量的材料，但缺点是加热速率较慢，且温度控制的均匀性较差，这可能导致材料局部过热或未能充分加热。另一种更为精确的加热方法是感应加热，利用电磁感应原理快速加热材料[2]。

2.2成形过程

高温钛合金在经过精确控制的加热后，进入成形阶段，这是塑形其最终形态的关键步骤。在此阶段，已经预热至适宜温度的钛合金被置于特制的模具中进行成形。这些模具通常由耐高温的材料制成，能够承受成形过程中的高温和压力，同时精确地定义出零件的几何形状。成形工艺的选择取决于最终产品的特定需求。常见的成形方法包括锻造、挤压或热压。锻造是一个动态成形过程，其中使用锤子或压力机对热软的钛合金进行冲击，迫使其填充模具的形状和细节。挤压则涉及将钛合金通过一个具有特定截面的模具开口挤出，形成连续的型材或管材。热压则是在高温下使用液压或机械压力将材料压入模具中。在成形过程中，控制参数如温度、压力和成形速度极为重要。温度必须维持在足够的水平以保持材料的塑性，而压力的大小和施加的速度则直接影响成形质量和材料的流动性[3]。

2.3冷却与热处理

完成成形过程后，高温钛合金制件进入冷却与热处理阶段。首先是冷却过程，冷却速度和方式将直接影响到材料的微观结构和内部应力状态。冷却通常在模具中进行，可以是自然冷却或通过传导冷却，确保材料以控制的速率逐渐降温，从而避免产生应力集中和裂纹。随后进行的热处理过程则是调整和优化材料性能的关键环节。热处理的类型和参数根据钛合金的具体成分和所需的性能指标来确定。常见热处理方法包括解决应力、退火和时效处理。解决应力处理是在相对较低的温度下进行，可减少成形过程中产生的内部应力，防止在后续使用中发生变形或断裂。退火则旨在提高材料的塑性和韧性，通常在更高的温度下进行，以便重塑材料的晶格结构，消除硬化现象，使材料变得更加柔软和易于加工。时效处理是另一种重要的热处理方法，适用于已经进行过熔解和快速冷却的钛合金。时效处理在较低的温度下进行，通过微小的析出相，增强合金的强度和硬度，精细调控合金的微观结构，改善机械性能。

2.4微观结构控制

微观结构控制是高温钛合金热成形工艺中的一个核心环节，直接影响到材料的机械性能和耐久性。在整个加热、成形、冷却和热处理过程中，通过精确控制各种参数，可以显著影响钛合金的晶粒大小、相组成和缺陷分布。在加热阶段，通过控制加热速率和达到的最高温度，直接影响晶粒的生长。加热速度过快可能导致晶粒过大，而过慢则可能使晶粒细化不足，两者都会影响材料的力学性能。合理的加热控制可获得均匀的晶粒大小，从而提高材料的整体性能。在成形过程中，钛合金的塑性变形也会导致其微观结构的变化。通过应用适当的成形压力和速度，可以在材料中诱导有利的织构变化，例如晶粒细化和位错密度的增加，可增强材料的强度和塑性。在随后的热处理过程中，通过调整保温时间和温度，进一步优化晶粒结构和相的稳定性，从而调整材料的硬度、强度和韧性[4]。

3高温钛合金支架制件热成形过程质量控制

3.1材料和加热控制

在高温钛合金支架制件的热成形工艺中，材料和加热控制是确保最终产品质量的基础。材料的纯度、晶粒结构和含杂质量直接影响到加热和后续成形过程的效果及制品的性能。因此，在选择钛合金材料时，必须满足特定的化学成分和机械性能要求。加热过程是热成形中至关重要的步骤，通常为900 ～950℃。这个温度范围是钛合金热塑性成形的理想区间，能够提高材料的可塑性，使其更易于成形而不会出现裂纹或其他缺陷。加热方法的选择影响加热的均匀性和效率，常用的方法包括炉加热和感应加热。炉加热能够处理大批量材料，但其加热速度和温度均匀性较感应加热差；感应加热则提供快速且极其均匀的加热，适用于对加热速度和质量有高要求的场合。同时，使用高精度的温度监测设备，如红外热像仪和热电偶，监控整个加热过程，使得每个部分的材料都达到设定的温度，在最大程度上减少由于加热不均引起的材料性能不一致，为后续的成形过程打下坚实的基础[5]。

3.2成形和冷却

在高温钛合金热成形工艺中，成形和冷却是制件制造过程中的两个紧密相连的关键阶段，它们共同决定了最终产品的结构和性能。成形过程通常在材料加热到适当温度后立即进行。在这一阶段，热软化的钛合金被放入预先设计的模具中，通过应用高压力将材料压制成所需的形状。这可以通过多种方法实现，包括但不限于锻造、挤压和热压。锻造是通过冲压或压制使材料变形填充模具腔体，非常适用于复杂形状的大型部件。挤压过程则是将材料通过一个具有特定截面的模具挤出，形成连续的型材，适合生产管状或条状构件。热压是利用热和压力的结合，将材料压入精确的模具中，适用于高精度要求的零件。冷却速度和方式直接影响材料的微观结构和残余应力，因此必须精确控制。在成形和冷却的每一步，对过程参数如温度、压力、冷却速率进行严格监控和调整至关重要，使得制件的质量和性能满足设计标准。通过合理设计成形和冷却过程，可以有效提升高温钛合金部件的结构完整性和机械性能[6]。

3.3结构测试与最终检验

在高温钛合金支架制件的热成形工艺中，结构测试与最终检验是确保产品符合所有技术规范和性能要求的关键阶段。首先，进行机械性能测试，包括拉伸测试、压缩测试、冲击测试和硬度测试。这些测试评估材料的强度、延展性、韧性和硬度，确保它们能够承受预期的负载和应力。对于高温钛合金而言，需要在模拟实际工作温度的条件下进行测试。接下来是微观结构评估，通常使用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）和透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）来观察材料内部的晶粒结构和相界。可以检测到任何微观缺陷，如夹杂物、孔洞或未完全融合的区域，避免在材料的实际使用中引发故障。尺寸精度的检测是通过高精度的量测工具如三坐标测量机（ Coordinate Measuring Machine，CMM）进行的。这一步骤确保所有的尺寸、形状和表面粗糙度均符合设计规范。对于复杂或精密的部件，可能还需要进行激光扫描或数字化分析，以获得更详细的几何信息。除此以外，还需进行无损检测（Non-Destructive Testing，NDT），如超声波检测、X射线或计算机断层扫描（ Computed Tomography，CT）。这些技术能够揭示内部缺陷和不连续性，如裂纹或空洞，对于确保长期的结构完整性和可靠性至关重要。

4结语

综上所述，在本次研究中，全面探讨高温钛合金支架制件的热成形工艺，深入分析从材料选择和加热控制到成形、冷却以及后续的微观结构控制、结构测试与最终检验等各个关键阶段。研究表明，通过精确控制加热温度、成形压力和冷却速度，能够显著提高成形件的结构完整性和机械性能，同时减少生产过程中的缺陷率。此外，通过综合应用现代材料测试技术和微观结构分析方法，可以有效评估和优化成形工艺，确保制品的质量和性能符合高标准的应用需求，可提升对高温钛合金热成形过程的理解，也为工业生产中的质量控制和成本效益分析提供科学依据。

参考文献

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[3]孙晓龙，涂璞，葛新，等.热拉深钛合金盒形件法兰褶皱分析[J].模具工业，2023，49（9）：25-30.

[4]张宝，李德崇，曹宏东，等.温度变化速率对TC4钛合金热变形力学性能的影响[J].材料与冶金学报，2023，22（5）：495-499.

[5]张海洋，史金靓，张绪虎，等.复杂钛合金进气道热等静压近净成形技术研究[J].推进技术，2022，43（8）：383-389.