1、鈦及鈦合金傳統(tǒng)加工方法

鈦及鈦合金加工的傳統(tǒng)方法主要有鑄錠冶金(或塑性加工)、鑄造和粉末冶金3種。鈦及鈦合金鑄錠冶金的工藝方法是將海綿鈦、中間合金或純金屬熔鑄成鑄錠，再冷熱加工成鈦材，比如鈦合金棒。鑄錠加工方法包括鍛造、軋制、擠壓、拉拔、沖壓和旋壓等，其中鍛造是必不可少、最基本，也最重要的方法，其次是軋制，少部分鈦材是擠壓和拉拔成材的，旋壓屬于補(bǔ)充方式，使用最少。這5種鈦材鑄錠加工方法各有其特點(diǎn)，具有互補(bǔ)性。在鈦及鈦合金材料加工過程中，如果一種方法不夠，則可以通過幾種方法加工制成各種形狀和規(guī)格的鈦合金成品或半成品。鈦合金的塑性加工具有變形抗力大、塑性低、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比高、回彈大、對缺口敏感、變形過程易與模具黏結(jié)、高溫加熱時易氧化等特點(diǎn)，鈦合金塑性加工比鋼、銅和鋁困難。

2、鈦合金鑄錠加工工藝

1）鍛造

由于鈦合金顯微組織容易受到加工變量的影響，顯微組織控制是鈦合金成功加工的根本，因此鍛造的主要目的之一是獲得鈦材的綜合力學(xué)性能。鈦及鈦合金鍛造按照加熱溫度可分為：低于β轉(zhuǎn)變點(diǎn)的(α+β)鍛和高于β轉(zhuǎn)變點(diǎn)為主的β鍛。在(α+β)區(qū)的加工溫度越高，冷卻時可轉(zhuǎn)變的β相越多。截面尺寸要求是重要的，加工操作的次數(shù)是多次，常規(guī)鍛造要求兩次或三次操作，而等溫鍛造只要求一次。(α+β)鍛造對顯微組織的影響是累積的，尤其α形貌的變化，因此，每一次成功的(α+β)加工操作對前面操作得到的組織產(chǎn)生變化。鍛造期間β合金中的α相轉(zhuǎn)變是不普遍的，因此β合金的典型鍛造在β轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上。

β鍛是一種大部分或全部鍛造加工在高于β轉(zhuǎn)變點(diǎn)以上溫度完成的鍛造技術(shù)。β鍛合金的組織為轉(zhuǎn)變的β或針狀顯微組織。盡管β鍛后的屈服強(qiáng)度通常不如(α+β)鍛造的高，但缺口拉伸強(qiáng)度和斷裂韌度比較高。因此，β鍛用于提高高溫性能和與斷裂有關(guān)的性能，如蠕變抗力、斷裂韌度、疲勞裂紋擴(kuò)展抗力。事實(shí)上，多個近期研制的α合金是設(shè)計成β鍛，以獲得理想的力學(xué)性能。與(α+β)鍛相比，β鍛通常在強(qiáng)度和塑性有損失。β鍛加工對顯微組織的影響不是累積的；高于β轉(zhuǎn)變點(diǎn)的每一個加工一冷卻一重新加熱循環(huán)，前面加工的影響至少是部分損失，因?yàn)楦哂诤辖穰罗D(zhuǎn)變點(diǎn)溫度加熱引起再結(jié)晶。B鍛在鍛造單位壓力具有明顯的降低和降低開裂傾向，但必須嚴(yán)格地控制鍛造加工條件，以避免不均勻的加工、晶粒急劇的增長或較差的加工組織，所有的條件可能造成鍛件或相同鍛件的批次與批次之間力學(xué)性能是發(fā)生較大變化。

應(yīng)變速率的影響：鈦合金在鍛造加工中是高應(yīng)變速率敏感的。β和近β鈦合金的鍛造溫度下的應(yīng)變速率敏感性更高。然而，α和α-β合金的應(yīng)變速率敏感性相對較小。鈦合金常規(guī)鍛造中，通常采用中間應(yīng)變速率，以便獲得最佳變形可能。采用快速應(yīng)變速率鍛造技術(shù)，如錘或機(jī)械壓力機(jī)鍛造，鍛造期間的變形熱變得很重要。由于鈦合金有相對較差的熱導(dǎo)率，溫度不平衡可能產(chǎn)生，因此在鈦合金快速鍛造中，金屬溫度要經(jīng)常調(diào)整到考慮鍛造過程溫升，或控制鍛造過程，減小溫度升高。

熱模鍛和等溫鍛：模具溫度明顯高于常規(guī)鍛造加工的模具溫度。這有降低模具冷效和能產(chǎn)生近凈形和凈形零件的優(yōu)點(diǎn)，因此這些加工也稱為近凈形鍛造加工。這些加工技術(shù)主要用于鈦合金制造的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件和發(fā)動機(jī)零件上。

在等溫鍛造加工中，模具溫度與金屬鍛坯的溫度相同。這可以完全消除模具冷效現(xiàn)象，維持鍛坯在鍛造過程中的恒定溫度。這種加工允許相當(dāng)慢的應(yīng)變速率的應(yīng)用，因此利用流變應(yīng)力的應(yīng)變速率敏感性，能生產(chǎn)凈形鍛件，容易應(yīng)用于沒有機(jī)械加工或少量第二次機(jī)加工的凈形鍛件生產(chǎn)。

熱模鍛加工的特征為模具溫度高于常規(guī)鍛造模具溫度，但低于等溫鍛造模具溫度，典型的熱模鍛的模具溫度比鍛坯溫度低110℃~225℃。與等溫鍛相比，較低的模具溫度允許較寬的模具材料的選擇，也能夠具有制造很薄和復(fù)雜形狀的能力。用于熱模鍛和等溫鍛的鈦合金包括Ti-64、Ti-6242和Ti-1023。

2）軋制

軋制工藝是一種生產(chǎn)鈦和鈦合金板棒管材和型材等產(chǎn)品的常用工藝。采用軋制工藝生產(chǎn)的鈦合金表面質(zhì)量較高，內(nèi)部質(zhì)量穩(wěn)定，尤其是可以生產(chǎn)薄壁、變截面型材。近年來發(fā)展了多種新型軋機(jī)，如鈦合金環(huán)軋機(jī)設(shè)備，根據(jù)軋制中環(huán)形件位置分為立式軋環(huán)機(jī)和臥式軋機(jī)；根據(jù)軋制方式又可分為徑向環(huán)軋機(jī)和徑向一軸向環(huán)軋機(jī)。

3）擠壓

擠壓工藝也是一種生產(chǎn)鈦及鈦合金棒材、管材和型材等產(chǎn)品的最常用的方法。按金屬流動及變形特征分類，擠壓可分為正向擠壓、反向擠壓和特殊擠壓。擠壓最基本的方法是正向擠壓和反向擠壓；特殊擠壓包括靜液擠壓、連續(xù)擠壓、包套擠壓、粉末擠壓和液態(tài)擠壓等。按擠壓溫度分類，擠壓可分為熱擠壓、溫擠壓和冷擠壓。溫擠壓發(fā)展比較晚，目前應(yīng)用范圍比較小。擠壓法適合于批量小、品種與規(guī)格繁多的鈦合金棒型材和線坯的生產(chǎn)。對于截面復(fù)雜或薄壁的管材和型材、直徑與壁厚之比趨近于2的超厚壁管材，擠壓法是一種理想的塑性加工方法。對于難變形的、脆性大的鈦合金材料， 如阻燃鈦合金、TiAl基金屬間化合物，包套擠壓法是最切實(shí)可行的壓力加工方法。

4）拉拔

隨著鈦及鈦合金的應(yīng)用擴(kuò)大，近年來出現(xiàn)了許多新的拉拔工藝，如輥模拉伸、超聲振動拉伸、無模拉伸、鍍層一包套集束拉伸工藝等。輥模拉伸是將坯料從旋轉(zhuǎn)的兩個輥間隙中拉出來，其優(yōu)點(diǎn)是可以增加道次壓縮量，減小拉伸過程的動力消耗，延長工具的使用壽命。無模拉伸工藝是采用感應(yīng)線圈或激光使鈦材局部加熱軟化，并施加張力使鈦材變細(xì)，優(yōu)點(diǎn)是不需要拉模和潤滑劑、變形速率大、效率高。應(yīng)用鍍層-包套集束拉伸工藝首先將鈦絲表面鍍一層低碳鋼，再將帶鍍層的鈦絲裝人低碳鋼管內(nèi)，然后進(jìn)行集束加工和中間退火，最后用硫酸去除低碳鋼包套和鍍層。此工藝可生產(chǎn)5pm~30um規(guī)格的鈦合金超細(xì)絲。

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