钛合金常见锻造缺陷及预防策略

钛合金常见锻造缺陷及预防策略

刘兴旺

【摘要】钛合金由于具有高比强、低密度、耐高温、抗腐蚀及无磁性等优异的综合性能，使其成为当代航空航天领域最具前途的金属结构材料之一。目前工业钛合金80%以上以变形钛合金使用，如锻件、锻棒及轧制型材等形式。锻造变形是保证钛合金材料获得理想组织与性能的最主要手段，但是不正确的锻造工艺往往会使钛合金产品出现一些不理想的组织和冶金缺陷，从而恶化其力学性能，给钛合金产品的正常使用造成潜在危害。

【期刊名称】《黑龙江科技信息》

【年(卷),期】2016(000)003

【总页数】1页(P28-28)

【关键词】钛合金;材料;结构

【作者】刘兴旺

【作者单位】哈尔滨东安发动机集团有限公司，黑龙江哈尔滨 150066

【正文语种】中文

1.1 组织不均匀。金属锻压过程中，由于外摩擦等因素影响会产生不均匀变形，这对实现成形和成形后材料组织性能有重要影响。钛合金在变形温度800℃～950℃时，晶粒尺寸虽然得到了细化，但再结晶体积分数较9；在950℃～1150℃时，动态再结晶较为充分，组织均匀性相应得到改善，但温度超过1050℃，晶粒过分长大，合金组织粗化严重。具体如图1。

这种粗大α块又称大白块，与网篮组织中细9的正常α条相比，其晶界面比较粗糙，凹凸不平，在形态上表现为不均匀，粗大、由晶界向晶内生长，而正常α条的晶界面比较平滑，影响了锻件质量。

1.2 对性能的影响。首先，容易变形。若工具预热温度过低，设备的打击速度低，变形程度又较大，往往在纵剖面或横截面上形成X形剪切带。水压机上非等温镦粗时尤其如此。这是因为工具温度低，坯料与工具接触造成金属坯料表层激冷，变形过程中，金属产生的变形热又来不及向四周热传导，从表层至中心形成较大的温度梯度，结果金属形成强烈流动的应变带。其次，有残留铸造组织。钛合金。锻件有残留铸造组织时，横向低倍组织的心部呈暗灰色，无金属光泽，有网状结构，纵向无明显流线；高倍组织中的树枝晶完整，主干支干互成90°。高温合金的残留锻造组织，在低倍组织中为柱状晶，枝干未破碎；高倍组织中的晶粒极为粗大，局部有破碎的细9品粒。

1.3 裂紋缺陷。主要指锻造裂纹。钛合金的粘性大，流动性差，加上导热性不好，因而在锻造变形过程中，由于表面摩擦力大，内部变形不均匀性明显以及内外温差大等，容易在锻件内部产生剪切带（应变线），严重时即导致开裂，其取向一般沿最大变形应力方向。锻造产生的裂纹，可能是锻造折叠还有可能是锻造后的淬火裂纹，制备裂纹的横向金相试样看看裂纹附近的组织，是否有过热过烧的组织，能分析裂纹断口，看看断口表面氧化物的成分。

2.1 改善钛合金自由锻件组织均匀性。首先，在钛合金大规格棒材的轧制生产过程中，由于变形道次少，原始铸坯中粗大、不均匀组织往往得不到充分、有效改善。棒材低倍组织容易产生晶粒粗大且不均匀。同时，防止在钛合金中出现这种不均匀组织。钛合金在熔炼凝固过程中，由于各类合金元素的平衡分配系数≠1，致使后凝固的晶界处有α稳定元素富集与偏析，所以在其富集处α相首先析出，并沿晶界向晶内生长，从而形成了粗大α块，微区成分偏析是产生这种不均匀组织的根

本原因。第三，打碎柱状晶，改善宏观偏析，把铸态组织变为锻态组织，并在合适的温度和应力条件下焊合内部孔隙，从而不断提高材料的致密度。通过这些举措能够使锻件的冲击韧度、疲劳强度及持久性能等也随之得到了提高，然后通过零件的最后热处理就能得到零件所要求的硬度、强度等良好的综合性能。

2.2 防范性能缺陷。首先，必须考虑锻造过程中的中心热效应。不能连续重击坯料。钛合金锻造在有条件的情况下建议采用压力机或快锻机，该类锻造设备打击速度低，锻造过程中坯料瞬时应变速率较低，产生的变形热不是非常明显，同时有足够时间进行变形热扩散，不会导致瞬时心部温度明显增高。其次，采用预成形或顶锻，加大顶部、根部及毛边槽桥部与模槽连接处的圆角半径，加大内外模锻斜度等措施，能有利于避免金属流动过程中急剧转弯而造成上述缺陷。第三，钛和钛合金的变形抗力大，锻造温度窄和缺陷敏感性高。钛材的加热要防污染，一般采用电炉、感应炉，用煤气炉加热时火焰不能直接喷射到金属表面上。钛材的锻造温度一般控制在800-1150℃之间，加热温度不宜高，时间不宜长，否则容易被气体污染，吸氢，

吸氧，使晶粒粗大影响锻件质量。

2.3 防范裂纹缺陷。首先，模具要预热。模具预热为使锻造顺利进行，并减少锻造过程中金属的温降，尤其是减少坯料表面激冷，锻造钛合金的模具需要预热。否则，金属的温降和表面激冷将使金属不能很好地填充模具型槽及有可能导致很多裂纹。用于钛合金锻造的模具预热系统通常是可拆式的，但有时也采用装在压力机上的加热装置。可拆式模具加热系统通常是燃气加热器，它可以在模块装配到锻造设备之前将模具缓慢加热到所需温度区间。固演在压力机上的加热装置通常采用感应加热或电阻加热。其次，要多向反复镦拔。它是在β转变点温度以上80～120℃始锻，交替进行2～3次镦粗和拔长，同时交替改变轴线和棱边。这样使整个毛坯截面获得非常均一的具有β区变形特征的再结晶细晶组织。如毛坯在轧机上轧制，可不

必进行此种多向镦拔。第三，锻造时，棱角处冷却最快。因此拔长时必须多次翻转

毛坯，并调节锤击力，以免产生锐角。锤上锻造，开始阶段要轻打，变形程度不超过5%～8%，随后可以逐步加大变形量。

近年来，钛合金因其高的比强度、优异的耐腐蚀性、良好的生物相容性等优点，迅速发展成为具有强大生命力的新型关键结构材料，被广泛应用于航空航天、军事工业、石油化工以及医疗卫生等领域。因此，加强钛合金锻造缺陷的形成，并采取有效预防措施具有十分重要的价值。

【相关文献】

［1］张利军，李时威.解决钛合金薄壁工件切削加工变形的工艺［J］.金属加工（冷加工），2011（20）.

［2］薛光荣，夏敏勇.N_2O-C_2H_2火焰原子吸收光谱法测定变形钛合金中铁［J］.现代科学仪器，2009（2）.

［3］危荃，邬冠华，钟德煌，吴伟.SAFT成像技术在棒材超声成像检测中的应用［J］.无损检测，2008（7）.