為了保證鈦合金鍛件在室溫和高溫下均具有良好的綜合性能,α合金、(α+β)兩相合金通常都是在低于β轉變溫度以下以中等應變速率鍛造的。這種方法是一種傳統的鍛造方式,常稱為(α+β)兩相鍛造或常規鍛造。但是,由于鍛造溫度低,變形抗力大,變形不均勻,難以鍛出形狀復雜、尺寸精確度高的鍛件,同時由于鍛造所需設備噸位大、材料利用率低、機械加工量大等不足,為了解決上述問題,出現了β鍛造、近β鍛造、等溫模鍛和熱模鍛造等模鍛方法。各種方法各有利弊,現將目前研究并應用得較普遍的鍛造新工藝做簡單介紹。
1 熱模鍛造
與等溫鍛造一樣,熱模鍛造也是一種較有發展前途的精密鍛造工藝。所不同的是熱模鍛造的模具溫度高于普通鍛造的模具溫度,但低于等溫鍛造的模具溫度。典型的熱模鍛造模具溫度比坯料溫度低110~225℃.與等溫鍛造相比較,模具溫度降低,可以較廣泛地選用模具材料,但鍛造成形很薄和復雜形狀鍛件的能力稍差。
熱模鍛造與常規鍛造相比,具有如下優點:
(1)降低鍛件材料消耗。熱模鍛造時減輕了模具接觸坯料的激冷和材料的加工硬化,提高了材料的可鍛能力,因此,允許鍛件帶有較小圓角半徑、拔模斜度和鍛造余量,從而大大減少了鍛件的質量。例如,某Ti-6A1-4V合金結構零件,質量為28kg,采用常規鍛造工藝生產的鍛件為154kg,而采用熱模鍛造工藝生產的鍛件為109kg,兩種方法生產的鍛件質量相差45kg.
(2)減少鍛造操作次數,提高壓力機的工作能力。因熱模鍛造時模具溫度較高,坯料溫降少,常規鍛造需兩火、三火或更多火才能成形的鍛件,熱模鍛造只需一次,最多兩火就能完成。又由于熱模鍛造金屬的變形抗力較低,相對地增大了設備的工作能力。
(3) 減少鍛件的機械加工量。因為生產的鍛件接近零件的質量和輪廓尺寸,所以與常規鍛造生產的鍛件相比較,熱模鍛造生產的鍛件機械加工中材料的去除量減少。
(4)產品的均勻性較好。因熱模鍛造過程中溫度梯度大為減小,由溫度梯度造成的變形不均易減輕,所以產品的組織及性能的均勻性、一致性優于常規鍛造生產的鍛件,但不及等溫鍛造生產的鍛件。
熱模鍛造時,坯料雖有溫降,但仍處在鍛造溫度范圍,變形抗力上升不像常規鍛造時那樣急劇。熱模鍛造時使用的應變速率在0.05~0.2s-范圍內變化,若應變速率太低,坯料溫度可能降低。
在鈦合金的熱模鍛造中,鍛造加熱溫度、應變速率、保壓時間和預制坯的顯微組織是極重要的因素,對成形件的尺寸精度和顯微組織起決定的作用。通常,較低的應變速率和較長的保壓時間提高了精密成形的可能性。而預制坯的顯微組織對材料的流動應力和超塑性有直接的影響,尤其對鍛后組織影響較大,不能企圖通過等溫鍛造或熱模鍛造完全消除原材料中的缺陷和晶粒不均勻。
目前,鈦合金是否采用熱模鍛造工藝主要取決于鍛件總成本或產品的均勻性和一致性的需要。該工藝發展趨勢是利用常規鍛造預制坯,最后進行等溫或熱模終鍛。
2 β鍛造
一般(α+β)和α鈦合金始鍛在低于TB(相變點)溫度下的(α+β)兩相區進行。在這種條件下,通常可保證金屬在變形和熱處理后有最佳的組織和力學性能。
但是在(α+β)兩相區變形時,鈦合金的工藝塑性不夠好,單位變形力很大,形狀復雜的模鍛件不能很好地成形。采用等溫鍛造雖然能保證獲得較好的工藝塑性,但成本較高,模具結構復雜,生產效率低。
β鍛造是(α+β)鈦合金從始鍛到終鍛完全是β相的較高溫度下進行的鍛造。經β鍛造的鍛件的顯微組織,完全沒有等軸的α相,其室溫下塑性有一定損失,但斷裂韌性和高溫性能較好。
也有將在β區始鍛而在(α+β)區終鍛的跨區鍛造工藝稱為β鍛造的,但這時所得的組織主要取決于在(α+β)區終鍛的溫度和在(α+β))區的變形量。兩相區不同的變形有不同的組織,所以在生產中不好控制,性能波動大。
β鍛造最大的優點是工藝塑性好,變形抗力低。鍛錘模鍛的生產率可提高20%~40%.同時能提高模鍛設備的壽命。經驗表明,β區模鍛與(α+β)區模鍛相比,可使模鍛件的質量精度系
數提高10%~15%.鈦及鈦合金β模鍛工藝過程的設計,與包括閉式模鍛過程在內的常規鍛造過程沒有特殊差異。在開式模鍛時,由于變形金屬塑性較高,應調整毛邊槽的參數。
當采用β模鍛工藝時,應仔細控制工藝過程,以免塑性指標下降過多。若控制得當,伸長率只會下降1%~2%,斷面收縮率下降5%~8%.對于近α和(α+β)合金來說,控制和細化β鍛造后原始β晶粒度,將有效地減少塑性的損失,這是β鍛造中值得探討的課題。
β模鍛生產的鍛件雖然室溫塑性降低,但是,斷裂韌性和抗蠕變性能較高。例如TC4合金,在970℃進行常規鍛造,在370℃,492MPa應力作用下,產生0.2%永久變形的時間是134h;而在1150℃經β鍛造后,在370℃,492MPa應力作用下,產生0.2%永久變形的時間是348h.
β鍛造后鍛件室溫塑性降低,高溫性能提高,這與鍛后獲得網籃狀組織或魏氏組織,或這兩種組織的混合組織有關。因為裂紋沿針狀α相擴展的路徑要比沿等軸α組織擴展的路徑長得多,因而吸收的能量也就越多。但在這種組織中,裂紋萌生的時間較短。所以表現為塑性低而斷裂韌性及抗蠕變性能高。
當在(α+β)區上部溫度始鍛時,獲得網籃狀組織與等軸α組織混合的雙態組織(見圖7-4),此種組織的塑性優于網籃狀組織和魏氏組織,不及等軸α組織。但高溫持久、蠕變性能及斷裂韌性又優于等軸α組織,而不及網籃或魏氏組織。在工藝上比較好控制。
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