鈦合金加熱的特點(diǎn)

鈦合金加熱的第一個特點(diǎn)是，與銅、鋁、鐵和鎳相比，鈦的導(dǎo)熱率低，加熱的主要困難是：采用表面加熱方法時，加熱時間相當(dāng)長。大型坯料加熱時，截面溫差大。與銅、鐵、鎳基合金的導(dǎo)熱率隨著溫度的提高而下降不同，鈦合金的導(dǎo)熱率是隨著溫度的提高而增加。鈦合金加熱的第二個特點(diǎn)是，當(dāng)提高溫度時它們會與空氣發(fā)生強(qiáng)烈的反應(yīng)。當(dāng)在650。。以上加熱時，鈦與氧強(qiáng)烈反應(yīng)，而在700r以上時，則與氮也發(fā)生反應(yīng)，同時形成被這兩種氣體所飽和的較深表面層。例如，當(dāng)采用表面加熱方式把直徑350mm的鈦坯料加熱到1100?1150時，就需要在鈦與氣體強(qiáng)烈反應(yīng)的溫度范圍中保溫3?4h以上，則可能形成厚度1mm以上的吸氣層。這種吸氣層會惡化合金的變形性能。在具有還原性氣氛的油爐中加熱時，吸氫特別強(qiáng)烈，氫能在加熱過程中擴(kuò)散到合金內(nèi)部，降低合金的塑性。當(dāng)在具有氧化性氣氛的油爐中加熱時，鈦合金的吸氫過程顯著減慢；在普通的箱式電爐中加熱時，吸氫更慢。由此可知，鈦合金毛坯應(yīng)在電爐中加熱。當(dāng)不得不采用火焰加熱時，應(yīng)使?fàn)t內(nèi)氣氛呈微氧化性，以免引起氫脆。無論在哪類爐子中加熱，鈦合金都不應(yīng)與耐火材料發(fā)生作用，爐底上應(yīng)墊放不銹鋼板。不可采用含鎳量超過50%的耐熱合金板，以免坯料焊在板上。為了使鍛件和模鍛件獲得均勻的細(xì)晶組織和高的力學(xué)性能，加熱時，必須保證毛坯在高溫下的停留時間最短。因此，為解決加熱過程中鈦合金的導(dǎo)熱率低和高溫下吸氣嚴(yán)重的問題，通常采用分段加熱。在第一階段，把坯料緩慢加熱到650-700r，然后快速加熱到所要求的溫度。因?yàn)殁佋?00r以下吸氣較少，分段加熱氧在金屬中總的滲透效果比一般加熱時小得多。采用分段加熱可以縮短坯料在高溫下的停留時間。雖然鈦在低溫時導(dǎo)熱系數(shù)低，但在高溫時導(dǎo)熱系數(shù)與鋼相近，因此，鈦加熱到700r后，可比鋼更快地加熱到高溫。對于要求表面質(zhì)量較高的精密鍛件，或余量較小的重要鍛件（如壓氣機(jī)葉片、盤等），坯料最好在保護(hù)氣氛中加熱（氬氣或氦氣），但這樣投資大，成本高，且出爐后仍有被空氣污染的危險，因此生產(chǎn)中常采用涂玻璃潤滑劑保護(hù)涂層，然后在普通箱式電阻爐中加熱。玻璃潤滑劑不僅可避免坯料表面形成氧化皮，還可減少a層厚度，并能在變形過程中起潤滑作用。工作時若短時間中斷，應(yīng)將裝有坯料的爐子的溫度降至850r，待繼續(xù)工作時，以爐子功率可能的速度將爐溫重新升至始鍛溫度。當(dāng)長時間中斷工作時，坯料應(yīng)出爐，并置于石棉板或干砂上冷卻。自由鍛主要用于鑄錠的初加工，即制造圓戴面、方截面或矩形截面的棒材半成品。單件或小批生產(chǎn)中自由鍛比模鍛在經(jīng)濟(jì)上更合理時，通常也采用自由鍛來制造大尺寸毛坯。從鑄錠到成品棒材，其鍛造過程通常分為三個階段完成。開坯它的始鍛（開坯）溫度在6轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上150?250r，這時，鑄造組織的塑性最好。開始時應(yīng)輕擊、快擊使錠料變形，直到打碎初生粗晶粒組織為止。變形程度必須保持在20%?30%范圍內(nèi)。把錠料鍛成所需截面，然后切成定尺寸毛坯。鑄造組織破碎后塑性增加。聚集再結(jié)晶是隨溫度升高、保溫時間加長和晶粒的細(xì)化而加劇的，為了防止產(chǎn)生聚集再結(jié)晶，必須隨晶粒細(xì)化逐步降低鍛造溫度，加熱保溫時間也要嚴(yán)格加以控制。多向反復(fù)鐓拔它是在6轉(zhuǎn)變點(diǎn)溫度以上80-120r始鍛，交替進(jìn)行2?3次鐓粗和拔長，同時交替改變軸線和棱邊。這樣使整個毛坯截面獲得非常均一的具有6區(qū)變形特征的再結(jié)晶細(xì)晶組織。如毛坯在軋機(jī)上軋制，可不必進(jìn)行此種多向鐓拔。第二次多向反復(fù)鐓拔它與第一次多向反復(fù)鐓拔方式一樣，但始鍛溫度取決于鍛后半成品是下一道工序的毛坯還是交付產(chǎn)品。若是作下一道工序的毛坯，始鍛溫度可比6轉(zhuǎn)變溫度高30?50°C；若是交付產(chǎn)品，始鍛溫度則在6轉(zhuǎn)變溫度以下20?40C由于鈦的導(dǎo)熱率低，在自由鍛設(shè)備上鐓粗或拔長坯料時，若工具預(yù)熱溫度過低，設(shè)備的打擊速度低，變形程度又較大，往往在縱剖面或橫截面上形成X形剪切帶。水壓機(jī)上非等溫鐓粗時尤其如此。這是因?yàn)楣ぞ邷囟鹊?，坯料與工具接觸造成金屬坯料表層激冷，變形過程中，金屬產(chǎn)生的變形熱又來不及向四周熱傳導(dǎo)，從表層至中心形成較大的溫度梯度，結(jié)果金屬形成強(qiáng)烈流動的應(yīng)變帶。變形程度愈大，剪切帶愈明顯，最后在符號相反的拉應(yīng)力作用下形成裂紋。因此，在自由鍛造鈦合金時，打擊速度應(yīng)快些，盡量縮短毛坯與工具的接觸時間并盡可能預(yù)熱工具到較高的溫度，同時還要適當(dāng)控制一次行程內(nèi)的變形程度。鍛造時，棱角處冷卻最快。因此拔長時必須多次翻轉(zhuǎn)毛坯，并調(diào)節(jié)錘擊力，以免產(chǎn)生銳角。錘上鍛造，開始階段要輕打，變形程度不超過5%?8%，隨后可以逐步加大變形量。模鍛通常是用來制造外形和尺寸接近成品，隨后只進(jìn)行熱處理和切削加工的最后毛坯。鍛造溫度和變形程度是決定合金組織、性能的基本因素。鈦合金的熱處理與鋼的熱處理不同，對合金的組織不起決定作用。因此，鈦合金模鍛的最后工步的工藝規(guī)范具有特別重要的作用。為了使鈦合金模鍛件能同時獲得較高的強(qiáng)度和塑性，必須使毛坯的整體變形量不低于30%，變形溫度不超過相變溫度，并且應(yīng)力求溫度和變形程度在整個變形毛坯中盡可能分布均勻。鈦合金模鍛件組織和性能均勻性不及鋼鍛件。在金屬激烈流動區(qū)，經(jīng)再結(jié)晶熱處理后，其低倍為模糊晶，高倍為等軸細(xì)晶；在難變形區(qū)，因變形量小或無變形，其組織往往保留變形前的狀態(tài)。因此在模鍛一些重要的鈦合金零件（如壓氣機(jī)盤、葉片等）時，除了控制變形溫度在TB以下和適當(dāng)?shù)淖冃纬潭韧猓刂圃鞯慕M織是十分重要的，否則，粗晶組織或某些缺陷會遺傳到鍛件中，而且其后的熱處理又無法消除，將導(dǎo)致鍛件報廢。錘上模鍛外形復(fù)雜的鈦合金鍛件時，在熱效應(yīng)局部集中的急劇變形區(qū)域內(nèi)，即使嚴(yán)格控制加熱溫度，金屬的溫度可能還是會超過合金的TB。例如模鍛橫截面為工字形的鈦合金毛坯時，錘擊過重，中間（腹板區(qū)）部分的溫度因變形熱效應(yīng)的作用比邊緣部分高約100C。另外，在難變形區(qū)和具有臨界變形程度區(qū)域，在模鍛之后加熱過程中易形成塑性和持久強(qiáng)度都比較低的粗晶組織。所以錘上模鍛外形復(fù)雜的鍛件，其力學(xué)性能常常很不穩(wěn)定。降低模鍛加熱溫度雖然可以消除毛坯產(chǎn)生局部過熱的危險，但將導(dǎo)致變形抗力急劇提高，增加工具磨損和動力消耗，還必須使用更大功率的設(shè)備。錘上模鍛時，采用多次輕擊方法也能夠減輕毛坯局部過熱。可是，這是必須增加加熱火次，以補(bǔ)償毛坯與較冷的模具接觸所損失的熱量。模鍛形狀比較簡單的鍛件，且對變形金屬的塑性和持久強(qiáng)度指標(biāo)要求又不太高時，以采用錘鍛為佳。但6合金不宜采用錘鍛，因模鍛過程中的多次加熱會對力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。與鍛錘相比，壓力機(jī)（液壓機(jī)等）的工作速度大大降低，能減小合金的變形抗力和變形熱效應(yīng)。在液壓機(jī)上模鍛鈦合金時，毛坯的單位模鍛力比錘上模鍛約低30%，從而可提高模具的壽命。熱效應(yīng)的降低還減小金屬過熱和溫升超過TB的危險。用壓力機(jī)模鍛時，在單位壓力與鍛錘模鍛相同的條件下，可降低毛坯加熱溫度50?100C。這樣，被加熱的金屬與周期氣體的相互作用以及毛坯與模具之間的溫差也相應(yīng)地降低，從而提高變形的均勻性，模鍛件的組織均勻性也大大提高，力學(xué)性能一致性也隨之提高。降低變形速度，數(shù)值增長最明顯的是面縮率，面縮率對過熱造成的組織缺陷最敏感。鈦合金變形的特點(diǎn)是比鋼更難流入深而窄的模槽。這是因?yàn)殁伒淖冃慰沽Ω?，與工具的摩擦力較大以及毛坯的接觸表面冷卻太快。為改善鈦合金的流動性和提高模具壽命。通常的做法是加大模鍛斜度和圓角半徑并使用潤滑劑:鍛模上的毛邊橋部高度較鋼大，一般大2mm左右。為了使型槽容易充滿，有時可采用橋部尺寸非均勻的毛邊槽來限制或加速金屬向型槽某部分的流動。例如，一個長方盒形鍛件（如圖12所示），前后側(cè)壁較?。蛔笥覀?cè)壁較厚。當(dāng)在盒形件四周采用B-B所示的毛邊槽時，由于金屬流入左右側(cè)壁的阻力小，致使金屬向較薄的前后側(cè)壁流動困難，充填不滿。后來，在前后側(cè)壁仍采用B-B所示毛邊槽，而左右側(cè)壁改用A-A所示毛邊槽，由于橋部尺寸寬，加之阻尼溝的阻礙，使得前后較薄的側(cè)壁完全充滿，而且金屬較采用前述毛邊槽方式節(jié)約。提高鈦合金流動性、降低變形抗力最有效的辦法之一是提高模具的預(yù)熱溫度。國內(nèi)外近二三十年以來發(fā)展起來的等溫模鍛、熱模模鍛，為解決大型復(fù)雜的鈦合金精密鍛件的成形提供了可行的方法。這種方法已廣泛用于鈦合金鍛件生產(chǎn)。當(dāng)采用閉式模鍛方法模鍛鈦合金時，由于壓力大而降低了模具的壽命。因此，閉式模鍛必須嚴(yán)格限定原始毛坯的體積，這使備料工序復(fù)雜化。是否采用閉式模鍛，要從成本和工藝可行性兩方面考慮。開式模鍛時，毛邊損耗占毛坯重量的15%?20%，夾持部分的工藝性廢料（如果按模鍛條件必須留有此部分）占毛坯重量的10%。毛邊金屬相對損耗通常是隨毛坯重量的減少而增加，某些結(jié)構(gòu)不對稱、截面面積差較大以及存在難以充填的部分的鍛件，毛邊消耗可高達(dá)50%。閉式模鍛雖無毛邊損耗，但制坯工藝復(fù)雜，需要添加較多過渡具型槽，無疑會增加輔助費(fèi)用鈦合金在高溫下有自重下彎傾向，從而增加了制品在模鍛、冷卻和熱處理時扭曲傾向，扭曲特別明顯的是截面變化劇烈、或是截面特別細(xì)薄的制品，因此常須對鈦合金鍛件進(jìn)行校形以滿足尺寸要求。與鋁合金不同，鈦合金不易進(jìn)行冷校形，因其屈服強(qiáng)度及彈性系數(shù)高，