锻压技术：钛合金锻造的模锻工艺

统一下载-小罗

　　模锻通常是用来制造外形和尺寸接近成品，随后只进行热处理和切削加工的最后毛坯。锻造温度和变形程度是决定合金组织、性能的基本因素。钛合金的热处理与钢的热处理不同，对合金的组织不起决定作用。因此，钛合金模锻的最后工步的工艺规范具有特别重要的作用。


　　为了使钛合金模锻件能同时获得较高的强度和塑性，必须使毛坯的整体变形量不低于30%，变形温度不超过相变温度，并且应力求温度和变形程度在整个变形毛坯中尽可能分布均匀。


　　钛合金模锻件组织和性能均匀性不及钢锻件。在金属激烈流动区，经再结晶热处理后，其低倍为模糊晶，高倍为等轴细晶；在难变形区，因变形量小或无变形，其组织往往保留变形前的状态。因此在模锻一些重要的钛合金零件(如压气机盘、叶片等)时，除了控制变形温度在TB以下和适当的变形程度外，控制原毛坯的组织是十分重要的，否则，粗晶组织或某些缺陷会遗传到锻件中，而且其后的热处理又无法消除，将导致锻件报废。


　　锤上模锻外形复杂的钛合金锻件时，在热效应局部集中的急剧变形区域内，即使严格控制加热温度，金属的温度可能还是会超过合金的TB。例如模锻横截面为工字形的钛合金毛坯时，锤击过重，中间(腹板区)部分的温度因变形热效应的作用比边缘部分高约100℃。另外，在难变形区和具有临界变形程度区域，在模锻之后加热过程中易形成塑性和持久强度都比较低的粗晶组织。所以锤上模锻外形复杂的锻件，其力学性能常常很不稳定。


　　降低模锻加热温度虽然可以消除毛坯产生局部过热的危险，但将导致变形抗力急剧提高，增加工具磨损和动力消耗，还必须使用更大功率的设备。


　　锤上模锻时，采用多次轻击方法也能够减轻毛坯局部过热。可是，这是必须增加加热火次，以补偿毛坯与较冷的模具接触所损失的热量。


　　模锻形状比较简单的锻件，且对变形金属的塑性和持久强度指标要求又不太高时，以采用锤锻为佳。但β合金不宜采用锤锻，因模锻过程中的多次加热会对力学性能产生不利影响。与锻锤相比，压力机(液压机等)的工作速度大大降低，能减小合金的变形抗力和变形热效应。在液压机上模锻钛合金时，毛坯的单位模锻力比锤上模锻约低30%，从而可提高模具的寿命。热效应的降低还减小金属过热和温升超过TB的危险。


　　用压力机模锻时，在单位压力与锻锤模锻相同的条件下，可降低毛坯加热温度50～100℃。这样，被加热的金属与周期气体的相互作用以及毛坯与模具之间的温差也相应地降低，从而提高变形的均匀性，模锻件的组织均匀性也大大提高，力学性能一致性也随之提高。降低变形速度，数值增长最明显的是面缩率，面缩率对过热造成的组织缺陷最敏感。


　　钛合金变形的特点是比钢更难流入深而窄的模槽。这是因为钛的变形抗力高，与工具的摩擦力较大以及毛坯的接触表面冷却太快。为改善钛合金的流动性和提高模具寿命。通常的做法是加大模锻斜度和圆角半径并使用润滑剂：锻模上的毛边桥部高度较钢大，一般大2mm左右。


　　为了使型槽容易充满，有时可采用桥部尺寸非均匀的毛边槽来限制或加速金属向型槽某部分的流动。例如，一个长方盒形锻件(如图12所示)，前后侧壁较薄；左右侧壁较厚。当在盒形件四周采用B-B所示的毛边槽时，由于金属流入左右侧壁的阻力小，致使金属向较薄的前后侧壁流动困难，充填不满。后来，在前后侧壁仍采用B-B所示毛边槽，而左右侧壁改用A-A所示毛边槽，由于桥部尺寸宽，加之阻尼沟的阻碍，使得前后较薄的侧壁完全充满，而且金属较采用前述毛边槽方式节约。


　　提高钛合金流动性、降低变形抗力最有效的办法之一是提高模具的预热温度。国内外近二三十年以来发展起来的等温模锻、热模模锻，为解决大型复杂的钛合金精密锻件的成形提供了可行的方法。这种方法已广泛用于钛合金锻件生产。


　　当采用闭式模锻方法模锻钛合金时，由于压力大而降低了模具的寿命。因此，闭式模锻必须严格限定原始毛坯的体积，这使备料工序复杂化。是否采用闭式模锻，要从成本和工艺可行性两方面考虑。开式模锻时，毛边损耗占毛坯重量的15%～20%，夹持部分的工艺性废料(如果按模锻条件必须留有此部分)占毛坯重量的10%。毛边金属相对损耗通常是随毛坯重量的减少而增加，某些结构不对称、截面面积差较大以及存在难以充填的部分的锻件，毛边消耗可高达50%。闭式模锻虽无毛边损耗，但制坯工艺复杂，需要添加较多过渡具型槽，无疑会增加辅助费用。

　　图12采用对称桥部改善金属的流动

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