【摘要】：在鈦及鈦合金的熱加工過程中，自由鍛造成為主要加工手段之一，但鈦變形抗力大，鍛造溫度范圍小，鍛造過程中容易產(chǎn)生裂紋、折疊等，使損耗率增大，甚至因組織、性能不合而報廢。制定正確的工藝路線，采用合理的變形方式，較好地控制送進(jìn)量、壓下量、變形程度，變形溫度，變形速度等重要參數(shù)，可以大大減少和避免上述問題，從而提高材料的利用率。

　　【關(guān)鍵詞】：鈦及鈦合金; 自由鍛造

　　1. 前言

　　鈦合金是目前使用的材料中比強(qiáng)度最高的材料之一,具有抗腐蝕能力強(qiáng)、強(qiáng)度高、密度低、中溫性能穩(wěn)定等一系列優(yōu)良特性，在航空航天工業(yè)、生物醫(yī)藥、石油工業(yè)以及原子能等高技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。在鈦及鈦合金的熱加工過程中，自由鍛造成為主要加工手段之一。文章以鈦及鈦合金棒材為討論對象，自由鍛造可加工成品棒材，也可加工中間工序的坯料。作為中間坯料，則是為后續(xù)加工如鍛造、軋制提供一定形狀、一定尺寸、一定組織和性能的材料。對于成品，不但要嚴(yán)格控制材料的組織、性能，同時，尺寸、表面質(zhì)量均應(yīng)滿足要求，其中任一項不合格均不能交貨。例如，一支Φ152+3-0×2000mm定尺的棒材，僅僅因一處裂紋修磨超差2mm而不能交貨，雖然可改鍛作為它用，但影響了交貨期。在實際生產(chǎn)過程中，這樣的例子并不少見。因此，如何采取正確的工藝路線，合理的鍛造方式以保證材料的組織性能和表面質(zhì)量，尤其防止鍛件因組織而性能不達(dá)標(biāo)或者表面出現(xiàn)較深的裂紋、折疊等造成尺寸超差，成為工程技術(shù)人員研究的課題之一，這也是文章討論分析的主要目的。

　　在目前的實際生產(chǎn)中，自由鍛造常用的加熱爐有煤爐，天然氣爐，電爐等。鑄錠開坯常用前兩種加熱爐。因為電爐加熱溫度易控制，精確度較高（一般±10℃），且污染程度小，成品前的加熱一般都要用電爐。鍛造設(shè)備有鍛錘、水壓機(jī)、快鍛機(jī)等。自由鍛造鈦及鈦合金棒材的基本方式為拔長、鐓粗，或者采用拔長、鐓粗相結(jié)合的方式。當(dāng)然，對于小規(guī)格的如Φ12、Φ20等的棒材要采用軋制，對此文章不作討論。

　　2.1 拔長

　　金屬的塑性變形遵循體積不變規(guī)則和最小阻力規(guī)則。拔長時坯料長度變長，橫截面積變小，其過程大體分為拔方、倒棱、滾圓三步。拔長時，送進(jìn)量不能太大，一般應(yīng)小于坯料寬度，這時，金屬沿坯料的縱向流動大于橫向流動，反之，則金屬沿坯料的橫向流動大于縱向流動，降低了拔長效率。同時，單邊壓下量應(yīng)等于或小于送進(jìn)量，否則會產(chǎn)生折疊。而且鍛錘上下砧的邊緣應(yīng)倒成圓角，否則也會產(chǎn)生折疊。在倒棱時，鍛錘的擊打力應(yīng)輕些，以免坯料中心及端頭出現(xiàn)裂紋，而且倒棱應(yīng)及時，否則由于棱角溫度降低較快，易在棱角產(chǎn)生裂紋。鍛件開始鍛造時，由于出爐周轉(zhuǎn)造成溫降，此時應(yīng)輕錘快打，等溫度上升后，應(yīng)重錘慢打，在鍛制后期由于溫降較大，又要輕錘快打，否則鍛件表面易開裂，甚至產(chǎn)生內(nèi)裂紋。

　　在實際生產(chǎn)中，也可通過改變應(yīng)力狀態(tài)來改變材料的可鍛性。如用平砧拔長時，可將下砧改用V型砧，由于坯料側(cè)面壓應(yīng)力的作用，減小了毛坯心部的拉應(yīng)力，可避免裂紋的產(chǎn)生。西部超導(dǎo)材料有限公司在其1600T快鍛機(jī)下砧采用V型砧鍛制不同規(guī)格的成品及半成品棒材，材料的成材率得到有效提高。

　　2.2 鐓粗

　　鐓粗時坯料高度變小，橫截面積變大。當(dāng)變形量較大時，較之拔長更能擊碎坯料中心部位的樹枝晶、偏析等缺陷，達(dá)到改善組織的目的。鐓粗時，鍛件軸向受壓應(yīng)力，但與軸線成45度角方向有最大切應(yīng)力，故沿此方向易產(chǎn)生斜裂。有時候，由于拉應(yīng)力還會產(chǎn)生縱向開裂。當(dāng)鐓粗比H0/D0（即坯料高度與直徑的比值）=3時，若錘擊力不足，坯料兩端會產(chǎn)生雙鼓形，此時應(yīng)先滾圓，若繼續(xù)壓下，就會產(chǎn)生夾層。有時，為使端面平齊，錘頭下壓的同時，坯料還要在水平方向適當(dāng)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)H0/D0>3時，會產(chǎn)生縱向彎曲，應(yīng)先校直后再鐓粗。一般情況下，在鐓粗過程中，應(yīng)H0/D0<3，在2―2.2范圍內(nèi)為最好。

　　在實際生產(chǎn)過程中，棒材直徑由小到大規(guī)格不等，小到10mm左右，大則達(dá)到300mm甚至更大。不同規(guī)格的材料決定了不同的加工工藝路線。對于直徑較大而且性能標(biāo)準(zhǔn)較高的材料來說，若由鑄錠單一拔長至所需直徑的棒材，則材料的變形極不均勻，且不充分，導(dǎo)致鑄態(tài)組織不能夠充分破碎，組織不均勻，晶粒粗大，材料的性能不達(dá)標(biāo)。因此在加工大規(guī)格棒材時，為了使材料變形充分，組織均勻，晶粒細(xì)化，以提高材料的綜合性能，常常采取拔長、鐓粗相結(jié)合，反復(fù)進(jìn)行，而且常常換向鐓拔。

　　變形溫度、變形速度及變形程度是鍛造過程中非常重要的參數(shù)，對材料的組織性能起著決定性作用。變形溫度包括兩方面，既要保證適當(dāng)?shù)募訜釡囟?，即保證在某一相區(qū)加熱和鍛造，以保證鍛后組織，同時對終鍛溫度也要嚴(yán)格控制，終鍛溫度過低，容易造成表面鍛裂，甚至形成內(nèi)裂紋以至探傷不合而報廢；終鍛溫度過高，由于靜態(tài)再結(jié)晶的緣故會引起組織粗大，導(dǎo)致性能降低。如對于TC4鈦合金成品棒材，成品前的一火至兩火鍛造必須在α+β兩相區(qū)加熱、鍛造，鍛后組織如圖a，等軸α，條狀α分布在轉(zhuǎn)變β基體上，稱為三態(tài)組織，此種組織決定了材料的強(qiáng)度、塑性等綜合性能較好。 當(dāng)用小鍛錘鍛造小鍛件時，由于變形速度過高引起的溫升就值得注意，若在鍛造過程中溫度升高或者加熱時離發(fā)熱體過近導(dǎo)致局部溫度超過α+β/β相變點(diǎn)，則會使組織變壞，如圖b，α平直，β晶粒粗大，且有晶界α存在，稱為過熱組織，此種組織使材料的性能大大下降。變形速度同樣重要，如用水壓機(jī)鍛造時變形速度很慢，鍛造過程中會發(fā)生動態(tài)在結(jié)晶，對提高加工塑性有利。而用鍛錘鍛造時變形速度較快，在高的變形速度下，動態(tài)再結(jié)晶往往來不及進(jìn)行，會導(dǎo)致變形抗力增大。合適的變形速度既不使鍛件溫升過高以免引起組織惡化，也不至于使其溫度降低很多，這就要求合理的控制鍛錘擊打的次數(shù)和輕重。

　　變形量的大小對鍛件的組織和性能也有十分重要的影響。鑄錠開坯時，必須加大變形量，一般為70%-80%，目的是破碎和改善鑄造組織（樹枝晶、柱狀晶、夾雜物、偏析、氣孔、疏松等）。成品鍛造時，變形量不能太小，一般不小于50%，否則得不到細(xì)晶組織，也不能太大，否則會使鍛件表面質(zhì)量變壞。當(dāng)然，若最后一火變形量不夠時，可適當(dāng)降低溫度，也可得到較好的組織。

　　工藝決定組織，組織決定性能。實際生產(chǎn)中，必須綜合考慮各種因素，以保證經(jīng)過一定變形量的鍛材（或鍛件）能具有所需要的組織與性能。

　　1) 自由鍛造過程中，較好的控制鍛造比、壓下量，送進(jìn)量、始鍛、終鍛溫度及錘的擊打頻次和輕重，可有效防止裂紋、折疊的發(fā)生；

　　2) 在要求的相區(qū)，用合適的變形速率在規(guī)定的變形范圍內(nèi)可得到具有一定量的等軸初生α加轉(zhuǎn)變的β組織，綜合性能好。

　　[1] 駱志斌. 金屬工藝學(xué).

　　[2] 汪建馥, 張應(yīng)龍. 鍛造工.

　　[3] 稀有金屬材料加工手冊.