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钛合金锻造新工艺

时间:2022-08-17   访问量:1228

为了保证钛合金锻件在室温和高温下均具有良好的综合性能,α合金、(α+β)两相合金通常都是在低于β转变温度以下以中等应变速率锻造的。这种方法是一种传统的锻造方式,常称为(α+β)两相锻造或常规锻造。但是,由于锻造温度低,变形抗力大,变形不均匀,难以锻出形状复杂、尺寸精确度高的锻件,同时由于锻造所需设备吨位大、材料利用率低、机械加工量大等不足,为了解决上述问题,出现了β锻造、近β锻造、等温模锻和热模锻造等模锻方法。各种方法各有利弊,现将目前研究并应用得较普遍的锻造新工艺做简单介绍。
1 热模锻造
与等温锻造一样,热模锻造也是一种较有发展前途的精密锻造工艺。所不同的是热模锻造的模具温度高于普通锻造的模具温度,但低于等温锻造的模具温度。典型的热模锻造模具温度比坯料温度低110~225℃.与等温锻造相比较,模具温度降低,可以较广泛地选用模具材料,但锻造成形很薄和复杂形状锻件的能力稍差。
热模锻造与常规锻造相比,具有如下优点:
(1)降低锻件材料消耗。热模锻造时减轻了模具接触坯料的激冷和材料的加工硬化,提高了材料的可锻能力,因此,允许锻件带有较小圆角半径、拔模斜度和锻造余量,从而大大减少了锻件的质量。例如,某Ti-6A1-4V合金结构零件,质量为28kg,采用常规锻造工艺生产的锻件为154kg,而采用热模锻造工艺生产的锻件为109kg,两种方法生产的锻件质量相差45kg.
(2)减少锻造操作次数,提高压力机的工作能力。因热模锻造时模具温度较高,坯料温降少,常规锻造需两火、三火或更多火才能成形的锻件,热模锻造只需一次,最多两火就能完成。又由于热模锻造金属的变形抗力较低,相对地增大了设备的工作能力。

(3) 减少锻件的机械加工量。因为生产的锻件接近零件的质量和轮廓尺寸,所以与常规锻造生产的锻件相比较,热模锻造生产的锻件机械加工中材料的去除量减少。
(4)产品的均匀性较好。因热模锻造过程中温度梯度大为减小,由温度梯度造成的变形不均易减轻,所以产品的组织及性能的均匀性、一致性优于常规锻造生产的锻件,但不及等温锻造生产的锻件。
热模锻造时,坯料虽有温降,但仍处在锻造温度范围,变形抗力上升不像常规锻造时那样急剧。热模锻造时使用的应变速率在0.05~0.2s-范围内变化,若应变速率太低,坯料温度可能降低。
在钛合金的热模锻造中,锻造加热温度、应变速率、保压时间和预制坯的显微组织是极重要的因素,对成形件的尺寸精度和显微组织起决定的作用。通常,较低的应变速率和较长的保压时间提高了精密成形的可能性。而预制坯的显微组织对材料的流动应力和超塑性有直接的影响,尤其对锻后组织影响较大,不能企图通过等温锻造或热模锻造完全消除原材料中的缺陷和晶粒不均匀。
目前,钛合金是否采用热模锻造工艺主要取决于锻件总成本或产品的均匀性和一致性的需要。该工艺发展趋势是利用常规锻造预制坯,最后进行等温或热模终锻。
2 β锻造
一般(α+β)和α钛合金始锻在低于TB(相变点)温度下的(α+β)两相区进行。在这种条件下,通常可保证金属在变形和热处理后有最佳的组织和力学性能。
但是在(α+β)两相区变形时,钛合金的工艺塑性不够好,单位变形力很大,形状复杂的模锻件不能很好地成形。采用等温锻造虽然能保证获得较好的工艺塑性,但成本较高,模具结构复杂,生产效率低。
β锻造是(α+β)钛合金从始锻到终锻完全是β相的较高温度下进行的锻造。经β锻造的锻件的显微组织,完全没有等轴的α相,其室温下塑性有一定损失,但断裂韧性和高温性能较好。
也有将在β区始锻而在(α+β)区终锻的跨区锻造工艺称为β锻造的,但这时所得的组织主要取决于在(α+β)区终锻的温度和在(α+β))区的变形量。两相区不同的变形有不同的组织,所以在生产中不好控制,性能波动大。
β锻造最大的优点是工艺塑性好,变形抗力低。锻锤模锻的生产率可提高20%~40%.同时能提高模锻设备的寿命。经验表明,β区模锻与(α+β)区模锻相比,可使模锻件的质量精度系
数提高10%~15%.钛及钛合金β模锻工艺过程的设计,与包括闭式模锻过程在内的常规锻造过程没有特殊差异。在开式模锻时,由于变形金属塑性较高,应调整毛边槽的参数。
当采用β模锻工艺时,应仔细控制工艺过程,以免塑性指标下降过多。若控制得当,伸长率只会下降1%~2%,断面收缩率下降5%~8%.对于近α和(α+β)合金来说,控制和细化β锻造后原始β晶粒度,将有效地减少塑性的损失,这是β锻造中值得探讨的课题。
β模锻生产的锻件虽然室温塑性降低,但是,断裂韧性和抗蠕变性能较高。例如TC4合金,在970℃进行常规锻造,在370℃,492MPa应力作用下,产生0.2%永久变形的时间是134h;而在1150℃经β锻造后,在370℃,492MPa应力作用下,产生0.2%永久变形的时间是348h.
β锻造后锻件室温塑性降低,高温性能提高,这与锻后获得网篮状组织或魏氏组织,或这两种组织的混合组织有关。因为裂纹沿针状α相扩展的路径要比沿等轴α组织扩展的路径长得多,因而吸收的能量也就越多。但在这种组织中,裂纹萌生的时间较短。所以表现为塑性低而断裂韧性及抗蠕变性能高。
当在(α+β)区上部温度始锻时,获得网篮状组织与等轴α组织混合的双态组织(见图7-4),此种组织的塑性优于网篮状组织和魏氏组织,不及等轴α组织。但高温持久、蠕变性能及断裂韧性又优于等轴α组织,而不及网篮或魏氏组织。在工艺上比较好控制。

TC4合金中的混合双态组织 



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