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钛及钛合金自由锻造过程剖析 　　【摘要】：在钛及钛合金的热加工过程中，自由锻造成为主要加工手段之一，但钛变形抗力大，锻造温度范围小，锻造过程中容易产生裂纹、折叠等，使损耗率增大，甚至因组织、性能不合而报废。制定正确的工艺路线，采用合理的变形方式，较好地控制送进量、压下量、变形程度，变形温度，变形速度等重要参数，可以大大减少和避免上述问题，从而提高材料的利用率。 　　【关键词】：钛及钛合金; 自由锻造 　　中图分类号：TG4 文献标识码：B 文章编号：1002-6908(2008)0720073-01 　　 　　1. 前言 　　 　　钛合金是目前使用的材料中比强度最高的材料之一,具有抗腐蚀能力强、强度高、密度低、中温性能稳定等一系列优良特性，在航空航天工业、生物医药、石油工业以及原子能等高技术领域有着广泛应用。在钛及钛合金的热加工过程中，自由锻造成为主要加工手段之一。文章以钛及钛合金棒材为讨论对象，自由锻造可加工成品棒材，也可加工中间工序的坯料。作为中间坯料，则是为后续加工如锻造、轧制提供一定形状、一定尺寸、一定组织和性能的材料。对于成品，不但要严格控制材料的组织、性能，同时，尺寸、表面质量均应满足要求，其中任一项不合格均不能交货。例如，一支Φ152+3-0×2000mm定尺的棒材，仅仅因一处裂纹修磨超差2mm而不能交货，虽然可改锻作为它用，但影响了交货期。在实际生产过程中，这样的例子并不少见。因此，如何采取正确的工艺路线，合理的锻造方式以保证材料的组织性能和表面质量，尤其防止锻件因组织而性能不达标或者表面出现较深的裂纹、折叠等造成尺寸超差，成为工程技术人员研究的课题之一，这也是文章讨论分析的主要目的。 　　 　　2. 自由锻造的设备及主要方式 　　 　　在目前的实际生产中，自由锻造常用的加热炉有煤炉，天然气炉，电炉等。铸锭开坯常用前两种加热炉。因为电炉加热温度易控制，精确度较高（一般±10℃），且污染程度小，成品前的加热一般都要用电炉。锻造设备有锻锤、水压机、快锻机等。自由锻造钛及钛合金棒材的基本方式为拔长、镦粗，或者采用拔长、镦粗相结合的方式。当然，对于小规格的如Φ12、Φ20等的棒材要采用轧制，对此文章不作讨论。 　　2.1 拔长 　　金属的塑性变形遵循体积不变规则和最小阻力规则。拔长时坯料长度变长，横截面积变小，其过程大体分为拔方、倒棱、滚圆三步。拔长时，送进量不能太大，一般应小于坯料宽度，这时，金属沿坯料的纵向流动大于横向流动，反之，则金属沿坯料的横向流动大于纵向流动，降低了拔长效率。同时，单边压下量应等于或小于送进量，否则会产生折叠。而且锻锤上下砧的边缘应倒成圆角，否则也会产生折叠。在倒棱时，锻锤的击打力应轻些，以免坯料中心及端头出现裂纹，而且倒棱应及时，否则由于棱角温度降低较快，易在棱角产生裂纹。锻件开始锻造时，由于出炉周转造成温降，此时应轻锤快打，等温度上升后，应重锤慢打，在锻制后期由于温降较大，又要轻锤快打，否则锻件表面易开裂，甚至产生内裂纹。 　　在实际生产中，也可通过改变应力状态来改变材料的可锻性。如用平砧拔长时，可将下砧改用V型砧，由于坯料侧面压应力的作用，减小了毛坯心部的拉应力，可避免裂纹的产生。西部超导材料有限公司在其1600T快锻机下砧采用V型砧锻制不同规格的成品及半成品棒材，材料的成材率得到有效提高。 　　2.2 镦粗 　　镦粗时坯料高度变小，横截面积变大。当变形量较大时，较之拔长更能击碎坯料中心部位的树枝晶、偏析等缺陷，达到改善组织的目的。镦粗时，锻件轴向受压应力，但与轴线成45度角方向有最大切应力，故沿此方向易产生斜裂。有时候，由于拉应力还会产生纵向开裂。当镦粗比H0/D0（即坯料高度与直径的比值）=3时，若锤击力不足，坯料两端会产生双鼓形，此时应先滚圆，若继续压下，就会产生夹层。有时，为使端面平齐，锤头下压的同时，坯料还要在水平方向适当旋转。当H0/D03时，会产生纵向弯曲，应先校直后再镦粗。一般情况下，在镦粗过程中，应H0/D03，在2―2.2范围内为最好。 　　 　　3. 自由锻造对组织、性能的影响 　　 　　在实际生产过程中，棒材直径由小到大规格不等，小到10mm左右，大则达到300mm甚至更大。不同规格的材料决定了不同的加工工艺路线。对于直径较大而且性能标准较高的材料来说，若由铸锭单一拔长至所需直径的棒材，则材料的变形极不均匀，且不充分，导致铸态组织不能够充分破碎，组织不均匀，晶粒粗大，材料的性能不达标。因此在加工大规格棒材时，为了使材料变形充分，组织均匀，晶粒细化，以提高材料的综合性能，常常采取拔长、镦粗相结合，反复进行，而且常常换向镦拔。 　　变形温度、变形速度及变形程度是锻造过程中非常重要的参数，对材料的组织性能起着决定性作用。变形温