發(fā)布日期：2022-12-22 11:27:57
1、序言
鈦合金材料以其比強(qiáng)度高、塑性好、耐腐蝕及無磁性等性能優(yōu)點(diǎn)廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，而使用鈦合金材料制備的緊固件同時(shí)具備高強(qiáng)度、低密度、抗疲勞和耐腐蝕等性能，在航空航天領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用需求。先進(jìn)的鐓鍛成形技術(shù)，是發(fā)揮材料良好性能、獲得高性能緊固件產(chǎn)品的重要保障。本文從材料的本身特性、工裝模具設(shè)計(jì)以及加工時(shí)的外部環(huán)境等幾個(gè)方面，對(duì)TC4鈦合金鐓鍛成形影響因素進(jìn)行了全面論述。
2、原材料因素分析
由于TC4鈦合金具有屈強(qiáng)比高、回彈性大和缺口敏感等特點(diǎn)，冷變形加工比較困難，故TC4鈦合金通常采用熱鐓成形，形成連續(xù)的金屬流線。原材料的鐓鍛成形能力，是衡量原材料是否具有應(yīng)用性的主要指標(biāo)之一，也是保證產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)。
2.1 原材料的再結(jié)晶溫度與熱鐓溫度選擇的影響
材料在熱成形時(shí)，根據(jù)熱變形的定義：熱變形（如熱鍛、熱軋）是在金屬再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的加工、變形，低于再結(jié)晶溫度的加工是冷變形或者溫變形。TC4鈦合金的再結(jié)晶溫度為750～850℃[1]，α+β→β轉(zhuǎn)變溫度為980～1020℃，超過相變溫度時(shí)，容易形成粗大的魏氏組織，該組織雖具有持久強(qiáng)度和斷裂韌度高的優(yōu)點(diǎn)，但拉伸塑性和疲勞強(qiáng)度均很低。因此，應(yīng)特別注意對(duì)熱鐓變形溫度的選擇。值得一提的是，TC4鈦合金的加工態(tài)原始組織對(duì)熱處理后的顯微組織和力學(xué)性能有較大的影響。對(duì)于高于相變溫度、經(jīng)過不同變形而形成的網(wǎng)狀組織來說，是不能被后續(xù)的熱處理工藝所改變的，其在750～800℃退火后，基本保持原來的組織狀態(tài)；對(duì)于在相變溫度以下進(jìn)行加工而得到的α相、β相組織，在750～800℃退火后，則能得到等軸初生α相及轉(zhuǎn)變的β相。前者的拉伸延性和斷面收縮率都較后者低，但耐高溫性能和斷裂韌度、抗熱延應(yīng)力腐蝕都較高。在緊固件生產(chǎn)中，一般不希望產(chǎn)生粗大的魏氏組織，因此在熱鐓時(shí)的溫度都應(yīng)在β相轉(zhuǎn)變溫度以下。
2.2 原材料制備時(shí)變形量的影響
原材料在成形時(shí)的變形量對(duì)其性能存在顯著影響，有研究表明[2]，TC4鈦合金的性能隨著變形量由0.44mm變到0.96mm，其屈服強(qiáng)度可由897MPa提高到1043MPa，抗拉強(qiáng)度也相應(yīng)地由1069MPa增加到1290MPa，而且當(dāng)變形量在0.44～0.86mm時(shí)，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化速率都較慢，當(dāng)變形量超過0.86mm時(shí)，絲材強(qiáng)度急劇上升，表現(xiàn)為快速?gòu)?qiáng)化過程，進(jìn)一步分析認(rèn)為，絲材強(qiáng)度急劇上升與變形機(jī)制有關(guān)。隨變形量的增大，絲材塑性逐漸下降，表現(xiàn)為伸長(zhǎng)率減小。當(dāng)變形量在0.44～0.86mm時(shí)，絲材塑性較好，伸長(zhǎng)率＞15%，而當(dāng)變形量＞0.86mm時(shí)，絲材塑性突降，伸長(zhǎng)率不超過10%，即變形量0.86mm是整個(gè)變化過程的拐點(diǎn)（此處變形量指的是材料在拉拔時(shí)的變形量）。由此可以推斷，原材料在成形時(shí)的變形量，會(huì)顯著影響材料的強(qiáng)度和塑性，從而在一定程度上會(huì)影響鐓鍛成形的效果。
從變形角度上看，鐓鍛成形相當(dāng)于在原材料拉拔變形基礎(chǔ)上的進(jìn)一步變形。有研究[3]對(duì)金屬材料不同變形的階段進(jìn)行理論分析，得出塑性變形過程中位錯(cuò)密度的增加及其所產(chǎn)生的釘扎作用是導(dǎo)致加工硬化的決定性因素，而變形次數(shù)發(fā)生的越多，變形量越大，加工硬化越強(qiáng)烈，當(dāng)變形發(fā)生到一定程度后，材料將會(huì)被破壞。如果原材料拉拔時(shí)引入過多的變形量，那么后續(xù)加工可以繼續(xù)變形的程度則會(huì)減少。因此，在原材料投入生產(chǎn)前，除了關(guān)注材料的強(qiáng)度之外，也應(yīng)該關(guān)注材料在拉拔時(shí)的變形量。
2.3 原材料化學(xué)成分的影響
原材料的化學(xué)成分，特別是雜質(zhì)元素C、N、O對(duì)鈦合金性能影響特別強(qiáng)烈。據(jù)統(tǒng)計(jì)[4]，元素含量增量對(duì)工業(yè)純鈦的性能影響關(guān)系：在允許的范圍內(nèi)，wO=0.05%時(shí)，可以提高鈦的強(qiáng)度極限60MPa；wN=0.05%時(shí)，可以提高鈦的強(qiáng)度極限125MPa；wC=0.05%時(shí)，可以提高鈦的強(qiáng)度極限35MPa；wFe=0.05%時(shí)，可以提高鈦的強(qiáng)度極限10MPa；wSi=0.05%時(shí)，可以提高鈦的強(qiáng)度極限12MPa。材料化學(xué)成分的控制，直接影響材料的力學(xué)性能，從而影響鐓鍛成形的效果。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，O含量的差異，會(huì)直接影響到鈦合金材料鐓鍛成形的結(jié)果。
3、熱變形溫度因素分析
有報(bào)道對(duì)魏氏組織的TC4鈦合金變形溫度與變形應(yīng)力之間的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果顯示[5]，當(dāng)變形時(shí)選擇的溫度從600℃升高到900℃時(shí)（應(yīng)變速率為8.3×10-3/s），流變應(yīng)力峰所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量εp從0.13減小到0.02，流變應(yīng)力峰值σp由536MPa下降到49MPa；在此溫度區(qū)間，溫度每升高100℃，應(yīng)力峰值分別下降36.9%、42%和75%，說明隨著變形溫度升高，材料的加工硬化能力顯著減弱，熱變形抗力減小的速度加快。該文獻(xiàn)同時(shí)指出，材料在600℃變形時(shí)，不發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，材料發(fā)生軟化的機(jī)制是動(dòng)態(tài)恢復(fù)。而在700℃下，變形應(yīng)力衰減的幅度相對(duì)600℃和800℃更大，并接近900℃應(yīng)力衰減的幅度。由此推斷，在700℃附近變形時(shí)，可能發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而導(dǎo)致流變應(yīng)力隨應(yīng)變衰減的幅度急劇增大。各溫度下的變形情況見表1 [5]。
另有研究表明[6]，如果熱鐓鍛時(shí)的溫度過低（≤650℃），則產(chǎn)品無法成形，會(huì)造成頭部開裂；若溫度過高（≥920℃）時(shí)，產(chǎn)品會(huì)因?yàn)檫^熱、過燒而掉渣泛黃。在840～880℃成形時(shí)，產(chǎn)品表面質(zhì)量良好。因此，鈦合金成形的最佳溫度為880℃。
航天精工股份有限公司對(duì)TC4鈦合金熱成形溫度對(duì)顯微組織的影響研究結(jié)果顯示[7]，在940℃、1000℃下加熱并保持較長(zhǎng)時(shí)間，容易產(chǎn)生組織過熱，晶粒長(zhǎng)大甚至?xí)纬纱执蟮奈菏辖M織；而在850℃、890℃下鐓鍛，產(chǎn)品未出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，在850℃鐓鍛時(shí)，頭桿結(jié)合處的組織相對(duì)原材料狀態(tài)的鈦合金更加細(xì)小。這是因?yàn)樵趧?dòng)態(tài)回復(fù)再結(jié)晶過程中，加熱溫度不高，新形核的晶粒還沒有來得及長(zhǎng)大就失去了長(zhǎng)大所需的驅(qū)動(dòng)力，所以形成了細(xì)小的晶粒。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈦合金在進(jìn)行熱鐓鍛變形時(shí)，機(jī)械能會(huì)轉(zhuǎn)換為熱能，使鈦合金局部溫度上升50～150℃，因此在進(jìn)行熱鐓鍛時(shí)，推薦加熱溫度應(yīng)保持在800℃左右為宜。
4、變形速率因素分析
在相關(guān)文獻(xiàn)[4]中，還提到了變形速率對(duì)變形抗力有一定的影響，隨著變形速率的增大，變形最大抗力隨之升高。在600℃時(shí)，隨著形變量增大，位錯(cuò)密度迅速增加，使變形抗力逐漸變大。在鐓鍛變形時(shí)所涉及的應(yīng)變速率遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)中研究的變形速率，且速率基本為固定值，因此，對(duì)于變形速率的影響可以基本忽略。
5、 模具設(shè)計(jì)等因素分析
模具與變形材料的匹配關(guān)系是影響成形效果的又一主要因素。有研究對(duì)TC4鈦合金熱鐓鍛成形的模具設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹[6]，在TC4鈦合金鐓鍛成形時(shí)，由于變形抗力大，模具工作部位會(huì)受到很大的擠壓應(yīng)力和摩擦力等復(fù)雜受力作用。因此，模具應(yīng)具有較高的硬度、強(qiáng)度、韌性和耐磨性等綜合性能。同時(shí)，為了保持模具工作部位的尺寸精度，避免塑性變形過早發(fā)生，選用的模具材料需具有較高的屈服強(qiáng)度和良好的冷熱加工性能。
（1）熱鐓鍛切料管 與冷鐓鍛不同的是，熱鐓鍛材料會(huì)膨脹，材料會(huì)經(jīng)料輪進(jìn)入切料管。若切料管與原材料尺寸相差太小，由于加熱原因，材料發(fā)生微小膨脹，會(huì)出現(xiàn)卡死、拉毛等問題。根據(jù)材料在加熱后的線膨脹系數(shù)，獲得膨脹尺寸計(jì)算公式為
膨脹尺寸＝δd T
式中
δ——線膨脹系數(shù)（1/℃）；
d——絲材直徑（mm）；
T——加熱溫度（℃）。
TC4鈦合金在各溫度下的線膨脹系數(shù)可在《緊固件材料手冊(cè)》中獲得，在溫度超過600℃后，線膨脹系數(shù)為10.0×10-6/℃，獲得的膨脹尺寸見表2。
（2）陰模和料徑 由于材料變形能力的限制，其鐓鍛比越大，成形越困難。對(duì)于鐓鍛比大的產(chǎn)品，若材料直徑過小，則容易出現(xiàn)折疊、彎曲等問題；若直徑過大，雖然容易成形，但在后續(xù)加工過程中，會(huì)增加切削加工量，不僅造成材料的浪費(fèi)，還將破壞材料的變形流線，對(duì)產(chǎn)品的綜合性能產(chǎn)生不利影響，因此對(duì)原材料尺寸與陰模尺寸的匹配關(guān)系選擇也十分重要，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示二者以相差0.05mm為宜。
（3）陽模和頂針 以齒輪槽螺栓為例，陽模齒輪槽頭部容易發(fā)生折疊，而陽模使用壽命會(huì)直接影響鐓鍛的效果和效率，更換一次陽模至少需要耗時(shí)30min，且在損壞之前，對(duì)齒輪槽尺寸還存在一定的影響。齒輪槽陽模損壞的原因：當(dāng)產(chǎn)品加熱鐓鍛時(shí)，頭部在接觸齒輪槽陽模發(fā)生變形后，產(chǎn)品會(huì)迅速冷卻，而冷卻收縮對(duì)齒輪槽起到一定的夾緊作用，導(dǎo)致其從陰模中拔出時(shí)，受到更大的應(yīng)力作用，加速其斷裂。常用的解決辦法：在頂針底部設(shè)置一個(gè)凸臺(tái)，讓螺栓尾部可以同時(shí)承受變形阻力，讓兩側(cè)的摩擦力相互抵消，產(chǎn)品便不會(huì)從陰模中被拔出。
此外，材料的鐓鍛成形，在頭部的用料計(jì)算時(shí)，可采用等體積的方法獲得所需的材料用量。當(dāng)材料用量超過模具設(shè)計(jì)尺寸過多時(shí)，會(huì)有部分材料通過模具間隙溢出，造成變形邊緣缺陷，如飛邊、毛刺等，甚至有模具脹裂的風(fēng)險(xiǎn)。但當(dāng)材料用量不足模具設(shè)計(jì)尺寸時(shí)，部分區(qū)域的變形會(huì)由于材料用量不足而不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，另一些區(qū)域會(huì)由于變形量過大而出現(xiàn)折疊、彎曲等。對(duì)于TC4鈦合金，彈性模量E＝110GPa，約為鋼的1/2，故鈦合金加工時(shí)容易產(chǎn)生回彈。有研究表明[7]，TC4鈦合金材料發(fā)生的變形越大，則回彈越明顯。因此，鈦合金在冷態(tài)下的精準(zhǔn)成形，需在模具上預(yù)先修整回彈量；加熱成形時(shí)，可通過熱矯形消除回彈，但必須預(yù)先知道在特定溫度下的初始回彈值。另有研究表明[8]，TC4鈦合金在經(jīng)歷塑性變形和卸載后，存在明顯的滯后回彈現(xiàn)象。 綜上所述，對(duì)TC4鈦合金進(jìn)行熱鐓鍛成形時(shí)，除考慮模具各組件的配合外，還應(yīng)注意模具與原材料之間的尺寸匹配關(guān)系，充分考慮材料的膨脹和回彈等特性。
6 、潤(rùn)滑效果影響因素分析
TC4材料在成形時(shí)，潤(rùn)滑層起到的作用如下。
1）減少摩擦阻力，對(duì)被加工材料和模具起到潤(rùn)滑效果，減少動(dòng)力消耗。
2）保護(hù)材料與模具之間直接接觸，減少模具磨損，延長(zhǎng)工模具使用壽命。
3）便于變形過程的流動(dòng)，改善加工金屬表面的質(zhì)量及精度。
4）控制溫度以及工件在加工過程中的熱損失所造成的溫度梯度，以減小加工變形，并起到散熱、隔熱作用，防止工件急冷和模具的熱沖擊。
5）隔絕材料與空氣直接接觸，可保護(hù)材料變形發(fā)熱后或加熱時(shí)不受氧化和腐蝕。在進(jìn)行擠壓成形時(shí)，材料塑性流動(dòng)劇烈，如果原材料沒有經(jīng)過良好的表面潤(rùn)滑處理，原材料容易與模腔直接接觸而黏合，導(dǎo)致壓力、摩擦力急劇增加，使模具使用壽命大大降低，同時(shí)加工出的產(chǎn)品也存在缺陷，容易出現(xiàn)拉毛、劃痕等問題。在很高的擠壓力作用下，一般涂刷的潤(rùn)滑劑會(huì)被完全擠掉，起不到潤(rùn)滑作用。因此，需要在擠壓前對(duì)原材料進(jìn)行表面處理，獲得表面支撐層，以便在后續(xù)潤(rùn)滑處理時(shí)起到存儲(chǔ)潤(rùn)滑劑的作用[9]。
7、結(jié)束語
綜上所述，在TC4鈦合金進(jìn)行鐓鍛成形時(shí)，應(yīng)該特別注意對(duì)以下幾個(gè)因素的控制。
1）在產(chǎn)品加工前，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注原材料復(fù)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，特別是化學(xué)成分及抗拉強(qiáng)度等特性，這些特性將直接影響鐓鍛產(chǎn)品的成形效果。
2）TC4鈦合金鐓鍛成形的溫度選擇與原材料的相變點(diǎn)和再結(jié)晶溫度有關(guān)，溫度區(qū)間一般選擇在650～900℃，最佳成形溫度在800℃左右。
3）材料尺寸與模具之間的匹配關(guān)系也是影響成形效果的重要因素，因此充分考慮TC4鈦合金的熱膨脹和回彈，可以對(duì)模具設(shè)計(jì)有很大指導(dǎo)作用。
4）良好的潤(rùn)滑效果不但可以使變形更加順利，獲得更好的成形效果，同時(shí)也可以延長(zhǎng)模具的使用壽命。
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