模鍛過程中如何提高鈦棒的組織均勻性

鈦合金因其低密度、高比強(qiáng)和抗蠕變性等優(yōu)異性能，在航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。鈦合金具有延展性低、變形抗力大和各向異性明顯等特點(diǎn)，因此鈦合金對熱變形工藝參數(shù)十分敏感。本文介紹了物理模擬技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)及其在鈦合金熱加工領(lǐng)域的應(yīng)用。重點(diǎn)闡述了模擬技術(shù)在鈦合金熱變形機(jī)制、預(yù)測和控制缺陷產(chǎn)生和微觀組織演化方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出了目前鈦合金熱成形模擬中有待解決的問題及發(fā)展趨勢。

為解決大型復(fù)雜的鈦棒精密鍛件的成形提供了可行的方法。這種方法已廣泛用于鈦棒生產(chǎn)。提高鈦棒流動(dòng)性、降低變形抗力最有效的方法之一是提高模具的預(yù)熱溫度。國內(nèi)外近二三十年以來發(fā)展起來的等溫模鍛、熱模模鍛。由于壓力大而降低了鈦棒的壽命，因此當(dāng)采用閉式模鍛方法模鍛鈦棒時(shí)，閉式模鍛必需嚴(yán)格限定原始毛坯的體積，這使備料工序復(fù)雜化。否采用閉式模鍛，要從利息和工藝可行性兩方面考慮。開式模鍛時(shí)，毛邊損耗占毛坯重量的15%-20%夾持部分的工藝性廢料(如果按模鍛條件必需留有此部分)占毛坯重量的10%毛邊金屬相對損耗通常是隨毛坯重量的減少而增加，某些結(jié)構(gòu)不對稱、截面面積差較大以及存在難以充填的局部的鍛件，毛邊消耗可高達(dá)50%閉式模鍛雖無毛邊損耗，但制坯工藝復(fù)雜，需要添加較多過渡具型槽，無疑會(huì)增加輔助費(fèi)用。隨后只進(jìn)行熱處置和切削加工的最后毛坯。鍛造溫度和變形程度是決定合金組織、性能的基本因素。鈦棒的熱處理與鋼的熱處理不同，模鍛通常是用來制造外形和尺寸接近廢品。對合金的組織不起決定作用。因此，鈦棒最后工步的工藝規(guī)范具有特別重要的作用。必需使毛坯的整體變形量不低于30%變形溫度不逾越相變溫度，為了使鈦棒同時(shí)獲得較高的強(qiáng)度和塑性并且應(yīng)力求溫度和變形程度在整個(gè)變形毛坯中盡可能分布均勻。

單位壓力與鍛錘模鍛相同的條件下，用壓力機(jī)模鍛時(shí)?？山档兔骷訜釡囟?0-100℃。這樣，被加熱的金屬與周期氣體的相互作用以及毛坯與模具之間的溫差也相應(yīng)地降低，從而提高變形的均勻性，模鍛件的組織均勻性也大大提高，力學(xué)性能一致性也隨之提高。降低變形速度，數(shù)值增長最明顯的面縮率，面縮率對過熱造成的組織缺陷最敏感。與工具的摩擦力較大以及毛坯的接觸外表冷卻太快。為改善鈦棒的流動(dòng)性和提高模具壽命。通常的做法是加大模鍛斜度和圓角半徑并使用潤滑劑：鍛模上的毛邊橋部高度較鋼大，鈦棒變形的特點(diǎn)是比鋼更難流入深而窄的模槽。這是因?yàn)殁伒淖冃慰沽Ω?。一般?mm左右。有時(shí)可采用橋部尺寸非均勻的毛邊槽來限制或加速金屬向型槽某部分的流動(dòng)。例如，為了使型槽容易充滿。一個(gè)長方盒形鍛件(如圖12所示)前后側(cè)壁較??；左右側(cè)壁較厚。當(dāng)在盒形件四周采用B-B所示的毛邊槽時(shí)，由于金屬流入左右側(cè)壁的阻力小，致使金屬向較薄的前后側(cè)壁流動(dòng)困難，充填不滿。后來，前后側(cè)壁仍采用B-B所示毛邊槽，而左右側(cè)壁改用A-A 所示毛邊槽，由于橋部尺寸寬，加之阻尼溝的阻礙，使得前后較薄的側(cè)壁完全充滿，而且金屬較采用前述毛邊槽方式節(jié)約。

經(jīng)再結(jié)晶熱處理后，鈦棒和性能均勻性不及鋼鍛件。金屬激烈流動(dòng)區(qū)其低倍為模糊晶，高倍為等軸細(xì)晶；難變形區(qū)，因變形量小或無變形，其組織往往保管變形前的狀態(tài)。因此在模鍛一些重要的鈦棒零件(如壓氣機(jī)盤、葉片等)時(shí)，除了控制變形溫度在TB以下和適當(dāng)?shù)淖冃嗡酵?，控制原毛坯的組織是十分重要的否則，粗晶組織或某些缺陷會(huì)遺傳到鍛件中，而且其后的熱處置又無法消除，將導(dǎo)致鍛件報(bào)廢。熱效應(yīng)局部集中的急劇變形區(qū)域內(nèi)，錘上模鍛外形復(fù)雜的鈦棒鍛件時(shí)。即使嚴(yán)格控制加熱溫度，金屬的溫度可能還是會(huì)超過合金的TB例如模鍛橫截面為工字形的鈦棒毛坯時(shí)，錘擊過重，中間(腹板區(qū))局部的溫度因變形熱效應(yīng)的作用比邊緣局部高約100℃。另外，難變形區(qū)和具有臨界變形水平區(qū)域，模鍛之后加熱過程中易形成塑性和耐久強(qiáng)度都比較低的粗晶組織。所以錘上模鍛外形復(fù)雜的鍛件，其力學(xué)性能經(jīng)常很不穩(wěn)定。但將導(dǎo)致變形抗力急劇提高，降低模鍛加熱溫度雖然可以消除毛坯發(fā)生局部過熱的危險(xiǎn)。增加工具磨損和動(dòng)力消耗，還必需使用更大功率的設(shè)備。采用多次輕擊方法也能夠減輕毛坯局部過熱?？墒沁@是必需增加加熱火次，錘上模鍛時(shí)。以彌補(bǔ)毛坯與較冷的模具接觸所損失的熱量。且對變形金屬的塑性和耐久強(qiáng)度指標(biāo)要求又不太高時(shí)，模鍛形狀比較簡單的鍛件。以采用錘鍛為佳。但β合金不宜采用錘鍛，因模鍛過程中的多次加熱會(huì)對力學(xué)性能發(fā)生有利影響。與鍛錘相比，壓力機(jī)(液壓機(jī)等)工作速度大大降低，能減小合金的變形抗力和變形熱效應(yīng)。液壓機(jī)上模鍛鈦棒時(shí)，毛坯的單位模鍛力比錘上模鍛約低30%從而可提高模具的壽命。熱效應(yīng)的降低還減小金屬過熱和溫升超過TB危險(xiǎn)。