TC4/TC11鈦合金棒材熱模鍛造成形技術發展概述

鈦合金棒材通常帶有較高的加強筋結構，零件形狀復雜且尺寸較大，對棒材制作精度要求高等導致鈦合金棒材加工困難。傳統的鈦合金棒材講過方法以鍛造成簡單形狀的毛坯為主，再結合現代化數控加工等方法逐個加工，提高的加工成本，所獲產品質量強度也明顯降低[1]。

因此，探尋一種加工性能穩定，提高材料利用的工藝時當前亟待解決的問題之一[2]。模鍛工藝是一種新的鈦合金棒材加工技術手段，能夠有效的降低加工成本，提高了材料的利用率。

1、 棒材熱模局部加載成形技術

1.1 局部加載成形技術概況

棒材類鍛件為棒材和加強筋組成的復雜圓形鍛件，腹板和加強筋對鍛件的成形增加了難度。因此，在鍛件成形設計過程中必須考慮模壓力對鍛件的影響作用。為了有效的防止熱模鍛造成形過程中整體加載導致金屬沿著徑向大量流動進而出現渦流、折迭、紊亂等現象，本次采用局部加載墊板和環形墊板[3]。在熱模鍛造成形試驗過程中，將試驗坯料分別放置在環形墊板中間，坯料和上模之間放置局部加載墊板，可以有效的確保的金屬流動變形充分充填至模具型腔內，有效的避免了沿徑向流動產生渦流、紊亂等問題。

棒材類熱模鍛造成形加工技術通常采用整體加載方式進行，整體加載技術在成形過程中當加強筋充填至一定程度時，筋部的充填阻力明顯增大，導致大量的金屬沿著棒材中心向四周流動，或者沿著徑向流動進而引起紊亂、折迭、渦流等現象，最終使得鍛件充填不到位，使得鍛件質量不達標。若在充填過程中將整體加載方式改為局部加載逐步成形的方式，則可以有效的控制金屬流動的方向，使得金屬充分的充填至加強筋底部，最大程度避免了金屬沿著徑向方向流動 的問題，可較好地避免上述問題的出現概率。

1.2 局部加載成形技術主要步驟

在熱模鍛造成形過程中根據棒材鍛件特征，將其分解為兩個主要步驟進行試驗。第一步是棒材工件的預成形階段，該過程就是在局部加載墊板評先壓力的影響下將坯料產生軸向變形，并將其優先充填下模筋部等位置，并將金屬沿著徑向運移流動直至充分充填環形墊板位置；由于在充填過程中模具與坯料之間的相對接觸面積較小，加之金屬流動變形速度極快，因此在局部加載過程中坯料的熱損失較小，就可獲得工件預成形的零件。再完成第一步的基礎上，將預成形零件最終成形，也就是將棒材鍛件中的環形墊板和局部加載墊板取出，將預成形零件升溫至950℃條件下，并將其置于下模腔內進行最終成形處理。在后期變形成形處理過程中坯料的厚度逐漸減薄，因此與模具的接觸面積逐漸增加。此外，由于最終成形過程中溫度降低速度過快，變形載荷明顯增加。

1.3 棒材熱模鍛造成形后顯微組織特征

直至棒材熱模鍛造成形的兩個重要步驟完成后，對熱模鍛造成形后的鍛件進行退火處理，并對鍛件進行了顯微組織觀察，在鍛件中可見少量初生α 相組織，呈等軸狀和條帶狀的雙態組織分布。

由于退火溫度接近鈦合金棒材的相變點，因此在鈦合金顯微組織中初生α 相含量相對較少。對鍛件進行缺陷分析，最終在鍛件內未發現明顯的變形缺陷，說明使用該方法鍛造獲得的棒材質量可靠[3]。

使用局部加載熱模鍛造成形技術，與傳統的鍛造工藝相比較，使用該技術方法使得原材料的利用率明顯提高，極大地降低了材料浪費率，間接的降低了鍛造成本。綜上所述，局部加載方式以及熱模鍛造成形技術能夠獲得質量可靠的鈦合金產品其力學性能遠遠優于設計要求，能夠滿足企業對鈦合金棒材質量的基本要求。

2、常見其他傳統棒材熱模鍛造工藝簡介

常見的棒材熱模鍛造成形技術除局部加載成形技術外，常見的鍛造工藝包括：① α ＋ β 鍛造技術，該技術是在中等應變速率條件下將α 合金或者α ＋ β 合金在β 轉變溫度下進行鍛造的工藝技術，該技術具有成本低、操作簡單的優勢，應用較為廣泛；該技術在鍛造過程中容易出現局部過熱，容易造成鍛件表面產生裂紋，但隨著該技術鍛造工藝的改進，逐漸成功的鍛造出了鍛件精度高、表面光潔的成品；② β 鍛造技術，該技術是在β 相的高溫條件下對鈦合金完成鍛造過程，具有鍛件精度高、變形抗力小的優勢，顯著的提高了鍛件的壽命；鈦合金顯微組織中的α 相晶界面明顯增大，多呈網籃組織，提高了鈦合金的抗蠕變性能和強度；③亞β 鍛造技術，是將鍛件在β 相區加熱處理而鍛造成形過程卻在兩相區內完成的鍛造工藝，該技術具有與β 鍛造相似的特征，在鍛造過程中主要是將邊界α 相先破碎，使得邊界區域的α 相逐漸向α 等軸化轉變，進而提高了鈦合金整體性能。

3、 結語

綜上所述，鈦合金棒材因具有優越的性能在現代化各領域中具有廣闊的應用前景，加強鈦合金鍛造成形工藝的研究工作有助于推動鈦合金材料向更多的領域發展。文章以鈦合金棒材的熱模鍛造成形技術為著手點，從2 個方面分析了局部加載熱模鍛造成形技術的優勢，并對鍛件進行了力學性能和顯微組織分析，認為本文所選用的加載方式以及熱模鍛造成形技術能夠獲得質量可靠的鈦合金產品，其力學性能遠遠優于設計要求，能夠滿足企業對鈦合金棒材質量的基本要求。

參考文獻：

[1] 李梁, 劉希林. 鈦合金膜板類鍛件熱模鍛造成形技術研究[J]. 鍛壓技術,2010,35(06):11-13.

[2] 高峻, 李淼泉. 精密鍛造技術的研究進展與發展趨勢[J]. 精密成形工程,2015,7(06):37-43+80.

[3] 吳瑞恒. GH4169 合金熱模鍛件成形過程的計算機模擬[C]. 中國體視學學會,2005:59.

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