钛（合金）材塑性成形工艺之锻造---乘钒钛文化之风 创钒钛产业之都 原创 邹建新 范兴平 杨英丽 芯片破解教授等
钛（合金）材塑性变形加工的一般工艺流程如图4.10.2所示，通过塑性变形可以加工出的钛（合金）材品种有：板材、棒材、锻件、管材、带材、型材、箔材、丝材及各种铸件、异型管件、粉末冶金件等等。 钛材塑性成形方法和钢材等一样，也主要采用轧制、挤压、拉伸及锻造等四种基本方法。在这四个基本方法中，锻造是必不可少的，铸锭的开坯是首先要进行的工序，即钛的每种塑性成形均需首先使用的方法。其余的几种方法中，轧制用得较多，挤压主要用作管坯及型材的制造，拉伸主要应用在丝材的制备方面。 1. 锻造原理
钛的锻造是指在水压机、快段机、汽锤、各种锻造机床上对钛金属坯料施加外力，使其产生塑性变形，达到改变尺寸、形状及改善组织性能的目的。用以制造机械零件、工件、工具或毛坯的成形加工方法。 然而，钛及钛合金冷变形困难，所以，在加工钛及钛合金产品时，
通常需要经过热加工方法变形成各种坯料和锻件，其中，钛合金的锻造加工是一种应用较普遍的方法。这是因为锻造不仅可以达到尺寸和形状跟产品接近，而且也能改善钛合金组织从而提高其性能。
根据在不同的温度区域进行的锻造，针对锻件质量和锻造工艺要求的不同，可分为冷锻、温锻、热锻三个成型温度区域。原本这种温度区域的划分并无严格的界限，一般地讲，在再结晶的温度以上区域的锻造叫热锻，不加热在室温下的锻造叫冷锻，加热到再结晶的温度以下（≤700℃）的锻造叫温锻。因为钛合金的室温变形抗力大、屈强比高，锻造易开裂，一般不进行冷锻。 图4.10.2 钛材料塑性成形工艺流程图
钛合金在700℃以下锻造，氧化皮形成较少，只要控制好温度区间、变形率并保证润滑，700℃以下的温锻可以获得较好的尺寸精度。热锻时，由于变形能和变形阻力都很小，可以锻造形状复杂的锻件。
坯料在冷锻时要产生变形和加工硬化，使锻模承受高的荷载，因此，需要使用高强度的锻模和采用防止磨损和粘结的硬质润滑膜处理方法。另外，为防止坯料裂纹，需要时进行中间退火以保证需要的变形能力。为保持良好的润滑状态，可对坯料进行磷化处理。在用棒料和盘条进行连续加工时，目前对断面还不能作润滑处理，正在研究使用磷化润滑方法的可能。
钛合金热加工中，变形的温度区间极为重要，温度过低，变形抗力大，容易产生裂纹等缺陷，温度过高，组织容易粗化，因此，钛及钛合金的锻造温度范围较窄。
路灯远程控制系统
2. 锻造设备
锻造设备的模具运动与自由度是不一致的，根据下死点变形限制特点，锻造设备可分为下
述四种形式：
限制锻造力形式：油压直接驱动滑块的油压机。
冲程限制方式：曲柄、连杆和楔机构驱动滑块的机械式压力机。
能量限制方式：利用螺旋机构的螺旋和磨擦压力机。金属包覆垫片
为了获得高的精度应注意防止下死点处过载，控制速度和模具位置。因为这些都会对锻件公差、形状精度和锻模寿命有影响。另外，为了保持精度，还应注意调整滑块导轨间隙、保证刚度，调整下死点和利用补助传动装置等措施。
此外，根据滑块运动方式还有滑块垂直和水平运动（用于细长件的锻造、润滑冷却和高速生产的零件锻造）方式之分，利用补偿装置可以增加其它方向的运动。上述方式不同，所需的锻造力、工序、材料的利用率、产量、尺寸公差和润滑冷却方式都不一样，这些因素也是影响自动化水平的因素。图4.10.3即为某特殊钢有限公司使用的钛锭锻造设备及相应产品。
图4.10.3 钛材锻造设备及锻造制品
3. 锻造工艺
根据坯料的移动方式，锻造可分为自由锻、镦粗、挤压、模锻、闭式模锻、闭式镦锻。闭式模锻和闭式镦锻由于没有飞边，材料的利用率就高。用一道工序或几道工序就可能完成复杂锻件的精加工。由于没有飞边，锻件的受力面积就减少，所需要的荷载也减少。但是，应注意不能使坯料完全受到限制，为此要严格控制坯料的体积，控制锻模的相对位置和对锻件进行测量，努力减少锻模的磨损。根据锻模的运动方式，锻造又可分为摆辗、摆旋锻、辊锻、楔横轧、辗环和斜轧等方式。摆辗、摆旋锻和辗环也可用精锻加工。为了提高材料的利用率，辊锻和横轧可用作细长材料的前道工序加工。与自由锻一样的旋转锻造
也是局部成形的，它的优点是与锻件尺寸相比，锻造力较小情况下也可实现形成。包括自由锻在内的这种锻造方式，加工时材料从模具面附近向自由表面扩展，因此，很难保证精度，所以，将锻模的运动方向和旋锻工序用计算机控制，就可用较低的锻造力获得形状复杂、精度高的产品,例如生产品种多、尺寸大的汽轮机叶片等锻件。
钛合金锭的开锻模通常是在高于β相变温度下进行的，因为钛的β相属于体心立方，体心立方结构有较多的滑移系，因此具有较高的塑形，所以对锻造压力的要求一般也较低。但终锻一般在低于β相变温度下进行，这样可以防止β晶粒的过度长大而引起塑性降低。应变速率的变化对α和α+β钛合金可锻性能的影响不大。钛合金的锻造按其开始锻造温度是在β相区还是在α+β相区，可分为α+β锻造和β锻造两种。近年来又出现了近β锻造、等温锻造等新工艺。
钛合金的高温锻造也称“β锻造”，分为两种。第一种是坯料在β区加热，在β区开始并完成锻造的工艺方法；第二种是坯料在β区加热，在β区开始锻造，并控制很大变形量在两相区完成锻造的工艺方法。但β锻造的锻件常存在热稳定性和塑性差等缺点，会导致β脆性出现。但通过采取适当的热锻后热处理及控制好锻后冷却速度等可以制备出良好综合机械性能的钛合金锻件。
α+β两相合金、α合金在β转变温度下以中等应变速率锻造的工艺常被称为α+β两相锻造或常规锻造。典型的常规锻造组织具有室温塑性好、强度高等优点，然而其断裂强度、高温性能及断裂韧性等较差。且模具对锻件的冷却容易在锻件表面产生裂纹，锻造后需要进一步加工且加工余量大，造成材料利用率低。因此，常规锻造钛合金难度较大。然而，只要能合理控制锻造温度、变形量和处理制度等，就能获得质量较好的锻件。
近β锻造工艺是将钛合金坯料在相变点以下10-15℃加热锻造,锻后水冷,然后进行高温韧化再低温强化处理。然而，由于近β锻造温度控制极为严格，因此如何控制加热锻造温度就成了最大的技术难点。同时，加热锻造温度还会受到加热炉炉温的不均匀性和锻造过程中产生的热效益等因素影响。研究结果表明：采用近真空浇注β锻造工艺对TC11、TC17、TA15等钛合金进行锻造，可获得较好的综合性能，如TC11近β锻造试样520气泵接头℃防堵风压取样器的高温强度与常规锻造和IMI685合金β锻造500℃性能水平相当，塑性和热稳定性与常规锻造相当，其疲劳寿命、蠕变性能等均高于常规锻造。
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