鈦合金是19世紀(jì)40年代之后發(fā)展起來(lái)的新型金屬結(jié)構(gòu)材料，其主要特點(diǎn)是密度小、強(qiáng)度高，尤其是比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度)高，同時(shí)具有良好的耐熱性和耐蝕性能，因此鈦合金首先在航空工業(yè)中得到應(yīng)用，同時(shí)航空工業(yè)也是鈦合金的主要使用部門 [1] 。因鈦合金耐蝕性能優(yōu)異，在化學(xué)工業(yè)中的泵體和管道上、建筑、體育休閑、食品、制藥、生物材料、能源、海洋、汽車中也得到了強(qiáng)勁應(yīng)用，隨著鈦合金成本的逐步降低，它在民用領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用必將更加廣泛 [2-5] 。
1、鈦合金物理特性及分類
純鈦是銀灰色金屬，具有良好的塑性和冷熱成形性能，強(qiáng)度低，可通過(guò)合金化的方法獲得所需性能的合金。純鈦熔點(diǎn)1668℃，密度4.54g/cm3 ，純鈦在882.5℃時(shí)發(fā)生同素異晶轉(zhuǎn)變。在882.5℃以下為密排六方晶格，稱為α-Ti；882.5℃以上為體心立方晶格，稱為β-Ti，β-Ti耐熱性較差，但工藝塑性較好，易于鍛造 [6] 。
鈦和鈦合金的導(dǎo)熱性差、化學(xué)活性高，對(duì)引起其脆性的氫、氧和氮很敏感，給冶煉、機(jī)械加工、熱處理帶來(lái)不少困難，并且造成生產(chǎn)成本較高 [7] 。
按照退火狀態(tài)的相組成分類，可將鈦合金劃分為三大類：α型、α+β型和β型鈦合金。還可把α+β型鈦合金再進(jìn)一步細(xì)分為近α型、α+β型和近β型3類 [8] 。
2、鈦板的自由鍛造工藝準(zhǔn)備
本次實(shí)驗(yàn)使用陜西寶雞某鈦業(yè)公司的20件鈦板鍛件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，材質(zhì)為TA1/TA2(工業(yè)純鈦)，材料規(guī)格φ450 mm×2100 mm，質(zhì)量為1505 kg。為了提高實(shí)驗(yàn)的材料利用率，盡量減少機(jī)械加工量，同時(shí)嚴(yán)格要求樣板尺寸，為獲得理想的內(nèi)部組織，要求必須一火次鍛成，鍛件圖見(jiàn)圖1。其內(nèi)控技術(shù)要求為：
①板坯板面平整，棱角方正。鍛件表面不得有裂紋、凹坑、折皺等缺陷。
②板面不平度≤5 mm/m，板坯厚度差≤4 mm，板寬厚度差≤5 mm。
③必須一火次鍛成。
(1) 鍛造的熱力學(xué)規(guī)范。
鈦合金的組織和性能基本上取決于合金的化學(xué)成分和熱處理。但是鍛造溫度范圍、變形程度和變形速度等熱力學(xué)規(guī)范參數(shù)，對(duì)鈦合金鍛件的組織以及性能有很大的影響 [9] 。
從利用金屬塑性的角度出發(fā)，鈦合金的始鍛溫度越高越好，但像α+β鈦合金或α鈦合金，如果始鍛溫度超過(guò)合金的β轉(zhuǎn)變溫度(T β )，由于晶粒劇烈長(zhǎng)大，鍛后會(huì)形成魏氏組織，鍛件的室溫塑性很低。
而TA1/TA2的T β =885~900℃，因此鍛造溫度區(qū)間定為800~900℃。鈦合金的鍛造溫度區(qū)間較窄是鈦合金鍛造比較困難的原因之一 [10] 。
由于本實(shí)驗(yàn)使用的是天然氣加熱爐，因此要求爐中保持微氧化氣氛，盡可能降低氫對(duì)鈦錠表面的污染。
(2) 鈦板的收縮率。
鈦合金收縮率比鋼小的多，一般為0.5%~0.7%；同時(shí)鈦板終鍛溫度較低，因此收縮率取0.4%~0.5%即可。
(3) 鈦板自由鍛工裝。
為本實(shí)驗(yàn)專門設(shè)計(jì)制造了一件長(zhǎng)上砧。砧寬550 mm，長(zhǎng)2300 mm；工作表面加工粗糙度小，Ra=3.2；邊緣倒較大圓角；鍛造前砧子預(yù)熱溫度200~300℃。
(4) 鈦錠的表面潤(rùn)滑。
鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑，在高溫劇烈變形時(shí)，金屬流動(dòng)產(chǎn)生的新鮮表面容易粘在模具上 [11] 。選用玻璃防護(hù)潤(rùn)滑劑可以減少氧化皮，起潤(rùn)滑作用和防護(hù)作用。玻璃防護(hù)潤(rùn)滑劑能保護(hù)鈦合金免受H2 、O2 、N2污染形成表面α脆化層而導(dǎo)致產(chǎn)生鍛造裂紋。由于試驗(yàn)用鈦錠去除了表面氧化皮，因此要提前24h刷涂玻璃防護(hù)潤(rùn)滑劑，自然風(fēng)干，然后裝爐。
3、編制鍛造工藝的原則
工藝指導(dǎo)原則
(1) 由于TA1/TA2屬于工業(yè)純鈦，為α型鈦合金。在嚴(yán)格控制一火次鍛成的情況下，鈦錠的始鍛溫度控制在(900±10)℃，即在β相轉(zhuǎn)變溫度T β 下鍛造。在此狀態(tài)下工藝塑性較好，利于塑性變形。但該狀態(tài)下開始變形時(shí)的主要鍛造特點(diǎn)是晶粒較粗大，必須給予較大的變形量，使晶粒細(xì)化。因此開始鍛造時(shí)必須給予大變形量，則既可獲得較細(xì)的晶粒度，又能減少因溫度較低產(chǎn)生表面裂紋的幾率。待接近成品尺寸時(shí)，留一些修整量即可。
(2) 由于鈦合金的變形抗力隨著溫度的升高顯著下降。因此在高溫區(qū)需要大變形量展寬時(shí)盡可能展寬，并留出一定的寬度修整量，而不要急于鍛出棱邊，否則由于棱邊降溫快，棱邊的牽制效應(yīng)，高溫區(qū)材料的流動(dòng)被低溫區(qū)棱邊固定，最終造成鍛件頻繁修整。
(3) 在展寬獲得足夠?qū)挾鹊那闆r下，鍛出棱邊，由于厚度尺寸已經(jīng)鍛到最終尺寸，修整量并不大，以利于快速修整出最終成品。
成形工藝特點(diǎn)
(1) 常規(guī)鍛打方塊工藝。
常規(guī)鍛打方塊工藝方案的優(yōu)點(diǎn)是鍛打方法較成熟，缺點(diǎn)是三個(gè)面反復(fù)翻轉(zhuǎn)，厚度較薄，鐓粗易彎曲，三個(gè)方向尺寸不易控制，金屬流動(dòng)控制較難。
(2) 鍛打拔長(zhǎng)工藝。
由于鈦錠的截面尺寸較小(約φ450 mm左右)，不能采用拔料的方法直接鍛出圖紙截面尺寸，必須先采取鐓粗辦法，增加截面積，為后續(xù)展寬做鋪墊。鍛打拔長(zhǎng)工藝方法的最大優(yōu)點(diǎn)是金屬流動(dòng)有規(guī)律，寬度和厚度尺寸容易控制，長(zhǎng)度不限。工藝路線為：首先展寬，保證一定的厚度，立起鐓粗；再展寬，鐓粗，鍛出4個(gè)角；平整；立起，壓棱邊；翻轉(zhuǎn)90°平厚度；再轉(zhuǎn)90°壓棱邊；平整，完成成品。
鍛打拔長(zhǎng)工藝方案
鍛打拔長(zhǎng)工藝方案的具體鍛造工藝為：
(1) 先對(duì)坯料進(jìn)行壓扁，然后鐓粗，增加截面積。坯料先壓扁至厚度250 mm，寬度約600 mm，然后立起鐓粗，增加截面積，同時(shí)盡可能鍛出4個(gè)角，壓下量200 mm，翻轉(zhuǎn)180°再鐓粗，壓下量200 mm，也就是說(shuō)本序總壓下量約400 mm左右，見(jiàn)圖2和圖3。至此坯料尺寸為：高度約1700 mm，寬度約700 mm，厚度約280 mm。
(2) 平放坯料，再用上平砧下平臺(tái)進(jìn)行壓扁操作，盡可能展寬，控制厚度170 mm，寬度最大1020 mm，長(zhǎng)度約1050 mm。立起鐓粗，主要目標(biāo)是規(guī)整4個(gè)角，壓下量約50 mm.，翻轉(zhuǎn)180°再鐓粗，壓下量50 mm，見(jiàn)圖4和圖5。
(3) 豎起壓棱邊。由于寬度展寬至1020~1050 mm，有足夠的余量壓棱邊。送進(jìn)量不太大，約300 mm，主要目的是在起棱邊的同時(shí)讓多余料盡可能多的沿長(zhǎng)度方向延伸。鍛壓過(guò)一道次后再翻轉(zhuǎn)180°再壓一道次，控制寬度尺寸900 mm，見(jiàn)圖6。
(4) 平放展長(zhǎng)度。由于前面壓棱邊鐓粗導(dǎo)致厚度尺寸增大到約200 mm，這時(shí)必須通過(guò)拔長(zhǎng)的方法進(jìn)行長(zhǎng)度延伸而又不過(guò)分展寬，必須控制送進(jìn)量，送進(jìn)量不能太大，控制在300 mm左右，鍛壓過(guò)一道次后再翻轉(zhuǎn)180°再壓一道次。
(5) 立起鐓粗平整兩端面，鐓粗可以分2次鍛壓，也可以分3~4次鍛壓，修整鍛件，最后完成成品，見(jiàn)圖7和圖8。
4、結(jié)束語(yǔ)
采用材質(zhì)為TA1/TA2的鈦合金進(jìn)行鈦合金板鍛造工藝的研究，對(duì)比分析了常規(guī)鍛打方塊工藝和鍛打拔長(zhǎng)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，詳細(xì)介紹了鍛打拔長(zhǎng)工藝。
得出鈦合金板鍛造的鍛打拔長(zhǎng)工藝方案的具體工步為：先對(duì)坯料進(jìn)行壓扁，然后鐓粗；平放坯料，再用平砧下平臺(tái)進(jìn)行壓扁；豎起壓棱邊；平放展長(zhǎng)度；立起鐓粗平整兩端面，最終得到理想的成品。
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作者簡(jiǎn)介：李七平(1987—)，男，甘肅會(huì)寧人，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事材料研發(fā)方面的工作。
通訊作者：潘強(qiáng)(1987—)，男，甘肅會(huì)寧人，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事材料研發(fā)方面的工作。
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