1.1、常用鈦合金鍛造工藝性能數(shù)據(jù)

根據(jù)理論研究和工廠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，將α型、近α型、α﹢β型和近β型常用鈦合金鍛造工藝性能數(shù)據(jù)分別匯總于表1～表4。

從表1～表4的數(shù)據(jù)可以看出，多數(shù)鈦合金鑄錠的開坯溫度在1150℃～1200℃范圍內(nèi)，部分鈦合金鑄錠開坯的始鍛溫度在1050℃～1100℃范圍內(nèi)；這兩個(gè)溫度區(qū)都位于β相區(qū)內(nèi)，而且前者高于相變溫度很多，原因有二：其一，合金在β相區(qū)的塑形高、變形抗力低，為了爭(zhēng)取更長(zhǎng)的鍛造時(shí)間，有利于提高生產(chǎn)率；其二，鑄錠開坯的坯料主要是供給鍛造作毛坯，其組織經(jīng)過(guò)大變形程度的鍛造后，還可以得到改善，不致于影響鍛件性能，故選擇生產(chǎn)率高的工藝。

從表1～表4的數(shù)據(jù)可以看出，壓力機(jī)上模鍛的始鍛溫度不但大大低于鑄錠開坯的始鍛溫度，而且低于α／β相變溫度30℃～50℃，多數(shù)鈦合金的模鍛溫度在930℃～970℃范圍內(nèi)，這是為了確保在α﹢β相區(qū)變形，以獲得鍛件需要的組織性能。由于鍛錘模鍛需要多次打擊，操作時(shí)間較長(zhǎng)，其成品鍛件的模鍛加熱溫度可以比壓力機(jī)鍛造適當(dāng)提高10℃～20℃.但是，為了保證鈦合金成品鍛件的組織和力學(xué)性能，所以鍛造工序的終鍛溫度都應(yīng)控制在α﹢β兩相區(qū)。

從表1～表4的數(shù)據(jù)還可以看出，多數(shù)鈦合金預(yù)成形的始鍛溫度稍微高于相變溫度或在相變溫度附近。預(yù)成形等過(guò)渡工序的始α／β鍛溫度都低于鑄錠開坯，高于模鍛的始鍛溫度，在這個(gè)溫度區(qū)變形既照顧了生產(chǎn)率，又為鍛件準(zhǔn)備了組織較好的毛坯。

表1 α型鈦合金的鍛造工藝性能數(shù)據(jù)

表2 近α型鈦合金的鍛造工藝性能數(shù)據(jù)

表3 α﹢β型鈦合金的鍛造工藝性能數(shù)據(jù)

表4 近β型鈦合金的鍛造工藝性能數(shù)據(jù)

1.2、鈦合金鍛造工藝性能綜合分析

根據(jù)表1～表4和他們的熱力學(xué)參數(shù)以及鈦合金的金屬學(xué)特性，現(xiàn)對(duì)α型、近α型、α﹢β型和近β型四類鈦合金的鍛造工藝性能及其影響因素進(jìn)行綜合分析。

1.2.1 晶體結(jié)果的影響

鈦有兩種同素異性體：在882℃以下為密排六方結(jié)構(gòu)，稱為α相；在882℃以上，為體心立方結(jié)構(gòu)，稱為β相。在溫度低時(shí)，因α相的本質(zhì)密排六方結(jié)構(gòu)變形時(shí)能被激活的滑移系數(shù)量有限，塑形成形非常困難；當(dāng)溫度升高時(shí)，被激活的滑移系數(shù)量增多，工藝塑形得以改善。隨著溫度的升高，變形抗力也顯著降低。當(dāng)變形溫度進(jìn)入β單相區(qū)時(shí)，體心立方結(jié)構(gòu)的β相具有相對(duì)多的滑移系，變形抗力小，工藝塑形顯著提高，可以進(jìn)行更大變形程度的鍛造，而且還降低鍛造載荷。大部分的近α型和α﹢β型鈦合金兩相區(qū)進(jìn)行變形時(shí)，其變形抗力和工藝塑形對(duì)合金成分、變形溫度和變形速率等具有強(qiáng)烈的敏感性，隨著在α﹢β兩相區(qū)溫度的下降，平衡狀態(tài)的α相比例在增加，β相含量在減少，將顯著降低工藝塑形和增大變形抗力，因此，一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)在α﹢β兩相區(qū)進(jìn)行變形時(shí)，根據(jù)不同的合金以及對(duì)顯微組織的不同要求，始鍛溫度一般控制在Tβ以下30℃～50℃的范圍內(nèi)，而終鍛溫度盡量不要太低。

1.2.2 合金元素的影響

合金元素（主要成分）及雜質(zhì)元素都對(duì)鈦合金鍛造工藝塑形、可鍛性和再結(jié)晶特性有重大影響。

1. 合金元素對(duì)可鍛性的影響

如上所述，鈦的合金化元素主要有三類，即α穩(wěn)定化元素、中性元素和β穩(wěn)定化元素。加入不同的合金化元素不僅改變了在退火狀態(tài)或亞穩(wěn)定狀態(tài)下的相組成，而且還改變了鈦合金的相變溫度、再結(jié)晶溫度，這些對(duì)鈦合金的變形抗力和工藝塑形均有很大影響。 純鈦的熱加工工藝塑形和成形性都很好；近β型合金具有優(yōu)異的熱加工工藝塑形，而且工藝窗口較寬，鍛造時(shí)坯料表面不容易開裂；α﹢β型鈦合金的熱加工工藝塑形中等；而近α型合金一般工藝塑形最差，特別是合金化程度高的高溫鈦合金，因合金中含有的β穩(wěn)定化元素較少，合金在穩(wěn)定狀態(tài)下基本上以α相為主，而且Al含量高，使相變溫度提高，因此，這類近α型鈦合金的鍛造溫度高、變形抗力大、工藝塑形低，而且對(duì)變形溫度和變形速率敏感性最大。

2. 雜質(zhì)元素對(duì)可鍛性的影響

碳和氧等雜質(zhì)元素的含量對(duì)鈦合金鍛造工藝性能影響很大。隨著碳含量的增加，鈦合金中碳化鈦增多，并且在鑄造組織中呈團(tuán)狀或鏈狀分布，使沖擊性急劇下降；變形可細(xì)化碳化鈦并使之均勻分布，從而改善塑形。除碳元素外，尤其是氧對(duì)鈦合金的工藝塑形影響也很大：氧具有顯著的間隙固溶強(qiáng)化作用，因此，鈦合金的變形抗力顯著提高，工藝塑形降低。真空自耗熔煉能減少雜志元素含量，提高鈦合金的塑形。

3. 合金和雜質(zhì)元素對(duì)再結(jié)晶的影響

合金化元素對(duì)鈦合金的再結(jié)晶溫度也有重要影響，而再結(jié)晶溫度往往是制定鈦合金鍛造和熱處理工藝的重要參數(shù)之一。再結(jié)晶過(guò)程也是影響鈦合金的塑形和強(qiáng)度的重要因素。按照合金化或雜質(zhì)元素對(duì)鈦合金再結(jié)晶溫度的影響程度，可將它們分為三類：

(1)顯著提高再結(jié)晶溫度的元素：N、C、O、B、A、Be、Re。

(2)對(duì)再結(jié)晶溫度無(wú)影響的元素：Co、Nb。

(3)含量大才對(duì)再結(jié)晶溫度溫度有影響的元素：Sn、V、Cr、Fe、Mn。

添加N、C、O、Al等合金元素可以顯著提高鈦合金的再結(jié)晶溫度，例如，碘化法純鈦的再結(jié)晶溫度在400℃～500℃之間，工業(yè)純鈦的再結(jié)晶開始溫度大約為550℃，在650℃經(jīng)過(guò)1h就可以實(shí)現(xiàn)完全再結(jié)晶；增加鈦合金中的Al含量將增加合金中的點(diǎn)陣畸變程度，降低原子在合金中的擴(kuò)散速度，從而顯著提高再結(jié)晶溫度，阻礙晶粒的長(zhǎng)大。一般來(lái)說(shuō)，隨著鈦合金合金化程度的增加，再結(jié)晶溫度也急劇提高。α型鈦合金的再結(jié)晶溫度一般為Tβ溫度的0.5～0.7，α﹢β型鈦合金的再結(jié)晶溫度一般為Tβ溫度的0.85～0.98，β型鈦合金的再結(jié)晶溫度般為Tβ溫度的0.6。

1.2.3 環(huán)境介質(zhì)對(duì)可鍛性的影響

鈦合金在高溫下與氣體介質(zhì)有很大的化學(xué)親和力，容易發(fā)生氧化和吸氫。在高溫鍛造加熱過(guò)程中很容易吸收氧、氫和氮等氣體，特別是氧，從而在毛坯表面形成硬而脆的氧化層，一般稱之為硬α層，硬α層比鈦合金坯料內(nèi)部的母材金屬脆得多，對(duì)拉應(yīng)力和拉伸變形十分敏感，當(dāng)鈦合金毛坯表面存在硬α層時(shí)，不但急劇降低工藝塑形，而且使鈦合金鍛件性能惡化。因此，鍛造加熱時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋砻娣雷o(hù)措施，以防止或減少硬α層而降低工藝塑形。

1.2.4 相變溫度與可鍛性的關(guān)系

有表1～表4中的數(shù)據(jù)可以看出，幾乎所有鈦合金的最佳塑形溫度都在相變溫度以上的β單相區(qū)。因?yàn)樵?000℃以上乃至1200℃的β相區(qū)鍛造時(shí)，塑形高、變形抗力小和可鍛性好。 為了爭(zhēng)取更長(zhǎng)的鍛造時(shí)間，鈦合金鑄錠開坯加熱溫度基本都在 Tβ溫度以上的最佳塑形溫度區(qū)間內(nèi)，其中大多數(shù)控制在1150℃～1200℃溫度范圍內(nèi)，少部分控制在1050℃～1100℃溫度范圍內(nèi)。

為了保證鈦合金成品鍛件的組織和力學(xué)性能，鍛造不能在其塑形最佳和變形抗力最小的β單相區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行，而只能在接近其最佳塑形溫度的Tβ溫度以下進(jìn)行。

大多數(shù)α型、近α型和α﹢β型鈦合金是在表1～表4所示的相變溫度Tβ（900℃～1000℃）以下30℃～50℃的溫度范圍內(nèi)鍛造，例如多數(shù)合金壓力機(jī)上模鍛時(shí)的加熱溫度可以在930℃～970℃（非最佳塑形溫度）溫度范圍內(nèi)；近β型鈦合金的Tβ溫度較低，一般在740℃～800℃溫度范圍內(nèi)，其成品鍛件的鍛造加熱溫度通常低于800℃。

1.2.5 變形溫度對(duì)可鍛性的影響

所有類型的鈦合金都對(duì)鍛造變形溫度非常敏感。例如對(duì)于近α型的TA11、α﹢β型的TC4和近β型的TB6這三類鈦合金，當(dāng)鍛造溫度下降相對(duì)較小時(shí)，鍛造變形抗力急劇增大，如：當(dāng)TC4合金的鍛造溫度降低140℃，變形抗力大約增加四倍，因此，在進(jìn)行鈦合金鍛造時(shí)，將坯料從路子運(yùn)輸?shù)藉懺煸O(shè)備過(guò)程中，應(yīng)盡量減少金屬的溫度損失。對(duì)于傳統(tǒng)的鍛造加工，也應(yīng)盡量減少材料于冷模具的直接接觸。

溫度變化對(duì)常用鈦合金鍛造變形抗力的影響于合金類型也有密切關(guān)系。通過(guò)對(duì)比TA11、TC4和TB6這三種典型合金在10S-1應(yīng)變速率情況下鍛造溫度對(duì)變形抗力的影響可以看出，在該應(yīng)變速率條件下，TA11和TC4合金表現(xiàn)出明顯的溫度敏感性，二者在900℃和800℃的流變應(yīng)力分別是1010℃（低于TA11合金的Tβ）和1000℃（剛好或略高于TC4合金的Tβ）的2和3倍；但是TB6的溫度敏感性較小，即使在總應(yīng)變高的條件下，TB6在Tβ以下的760℃與Tβ以上的815℃變形相比，變形抗力只提高50%左右。

與其他金屬材料相同的是，在普通鍛造條件下，許多鈦合金均表現(xiàn)出了應(yīng)變軟化行為。應(yīng)變軟化主要發(fā)生于Tβ溫度以下的鍛造過(guò)程，當(dāng)在Tβ溫度以上變形時(shí)，應(yīng)變軟化表現(xiàn)不明顯。這種應(yīng)變軟化行為的區(qū)別是因?yàn)樵赥β溫度以上或以下變形過(guò)程中存在不同的顯微組織：在Tβ溫度以下變形時(shí)，合金具有β和α兩種相，更容易使應(yīng)變重新分布，并促進(jìn)位錯(cuò)更有效的運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致在Tβ溫度以下變形時(shí)應(yīng)變軟化更突出。

鈦合金鍛造的理想變形抗力值與實(shí)際的鍛造時(shí)的變形抗力值存在偏差。然而，變形抗力和鍛造工藝的其他參數(shù)如溫度和應(yīng)變速率都密切相關(guān)，所以在制定鈦合金鍛造工藝時(shí)非常重要。再加上其他鍛造工藝參數(shù)的影響，如模具溫度、潤(rùn)滑條件、前期加工歷史和總應(yīng)變量等，實(shí)際上任何一種鈦合金鍛造所需要的鍛造壓力都要比理想的變形抗力高。

1.2.6 應(yīng)變速率對(duì)可鍛性的影響

鈦合金比鋁合金和合金鋼的鍛件常用材料具有更強(qiáng)烈的應(yīng)變速率敏感性。隨著應(yīng)變速率增加，鈦合金的塑形下降和變形抗力增加。當(dāng)變形溫度升高至1000℃以上的β相區(qū)時(shí)，應(yīng)變速率對(duì)塑形和變形抗力的影響明顯降低，即在β相區(qū)變形時(shí)，各種應(yīng)變速率條件下的塑形大幅提高、變形抗力大幅降低，應(yīng)變速率對(duì)二者的影響都減小，盡管鈦合金在β相區(qū)范圍內(nèi)塑形很好和變形抗力較小，而且應(yīng)變速率對(duì)可鍛性的影響較小，但在α﹢β兩相區(qū)內(nèi)，塑形低、變形抗力大、變形溫度范圍窄，可是為了確保鈦合金鍛件要求的組織和力學(xué)性能，出鑄錠開坯外。模鍛工序應(yīng)盡量在α﹢β兩相區(qū)進(jìn)行。

當(dāng)應(yīng)變速率從10S-1將至0.001S-1時(shí)，TA11、TC4和TB6這三種鈦合金的鍛造流變應(yīng)力降低90%～80%，例如TC4合金在900℃、60%應(yīng)變和10S-1應(yīng)變速率條件下的流變應(yīng)力為205MPa,而在相同變形溫度和應(yīng)變條件下，當(dāng)應(yīng)變速率下降至0.001S-1時(shí),其流變應(yīng)力則將至50MPa,為原來(lái)應(yīng)變速率（10S-1）下的1/4。

利用鈦合金鍛造變形抗力對(duì)應(yīng)變速率敏感的特點(diǎn)，應(yīng)盡量采用低應(yīng)變速率。同一鈦合金在鍛錘上變形（動(dòng)態(tài)）要比液壓機(jī)上變形（靜態(tài)）的允許變形程度低很多、變形抗力卻高很多，其差別可能達(dá)到30%或更高。然而，鈦合金傳統(tǒng)鍛造是在非等溫條件進(jìn)行的，因此，采用模具溫度較低的傳統(tǒng)鍛造方法，可選擇高的應(yīng)變速率，達(dá)到應(yīng)變敏感性與金屬溫度損失的良好匹配，以得到良好的變形效果。當(dāng)模具溫度與金屬的溫度接近或相等時(shí)，鈦合金坯料的溫降很有限，可以采用低應(yīng)變速率進(jìn)行變形，可以大大減小鍛造變形抗力。

采用變形速率高的鍛造技術(shù)，如在錘上和機(jī)械壓力機(jī)上鍛造等，必須考慮因變形熱導(dǎo)致的坯料溫升。因?yàn)殁伜辖鸬膶?dǎo)熱性差，容易造成鍛件內(nèi)部溫度分布不均勻和顯著的溫度差，從而使合金和鍛件的力學(xué)性能不合格。因此，在應(yīng)變速率高的條件下鍛造鈦合金時(shí)，鍛造溫度要考慮熱加工溫升的因素，防止溫升造成的不良后果。

1.2.7 應(yīng)力狀態(tài)的影響

應(yīng)力狀態(tài)對(duì)鈦合金的可鍛性也有很大影響，拉應(yīng)力狀態(tài)比壓應(yīng)力狀態(tài)允許的變形程度低很多，但變形抗力較低。例如，壓應(yīng)力狀態(tài)的擠壓和閉塞模鍛雖可大大提高塑形，但也增加變形抗力。

1.2.8 組織類型對(duì)鈦合金可鍛性的影響

對(duì)比不同組織的同一鈦合金，如鑄造狀態(tài)與鍛造狀態(tài)，鑄造狀態(tài)的塑形降低而變形抗力高；但當(dāng)溫度升高制1000℃以上時(shí)，兩者的差異減小，這也是多數(shù)鈦合金鑄錠的開坯溫度定在1150℃～1200℃的主要原因之一。

1.2.9 臨界變形區(qū)

通常鈦合金在950℃～1000℃以下有較明顯的臨界變形區(qū)，其臨界變形程度小于20%；在1000℃以上，晶粒普遍急劇長(zhǎng)大，雖然還能看出變形程度在20%以下的臨界變形區(qū)，但不明顯。因此，為防止鍛件晶粒長(zhǎng)大，每火的變形程度應(yīng)控制在20%以上，除鑄錠開坯和制坯工序外，終鍛工序的加熱溫度不應(yīng)超過(guò)950℃。

另外，在鍛造變形溫度范圍內(nèi)，變形程度也對(duì)鈦合金的再結(jié)晶過(guò)程有明顯影響，變形程度越大，再結(jié)晶開始溫度越低。

毛坯加熱

1） 加熱氣氛及毛坯防護(hù)

鈦合金化學(xué)性質(zhì)活潑，極易被加熱介質(zhì)中的氧、氫、氮等有害氣體污染。氧和氮在鈦合金表面形成一層又硬又脆的α層。在鍛造過(guò)程中，鍛件表面的α層很容易引起鍛造裂紋、加快模具磨損、劣化鍛件表面質(zhì)量。鈦合金最好在真空或惰性氣體保護(hù)的電爐中加熱，缺點(diǎn)是成本較高，因此，一般在箱式或轉(zhuǎn)底電爐的微氧化氣氛中加熱即可。

若不得已而采用煤氣爐或油爐加熱時(shí)，應(yīng)遠(yuǎn)隔控制爐內(nèi)氣氛，一般需使?fàn)t氣略帶氧化性，切勿在還原性氣氛中加熱。值得指出的是，無(wú)論在何種氣氛中加熱，鈦合金坯料表面都應(yīng)該涂覆玻璃防護(hù)潤(rùn)滑劑。

2） 加熱溫度和終鍛溫度

鍛造加熱溫度應(yīng)按下述次序遞降：鑄錠開坯、預(yù)制坯（預(yù)鍛）、模鍛、切割、彎曲、切邊、校正。鈦合金鑄錠開坯的加熱溫度均在高于相變溫度Tβ的單相區(qū)，俄羅斯規(guī)定的鑄錠開坯加熱溫度在Tβ以上60℃～100℃，我國(guó)規(guī)定相應(yīng)的加熱溫度在Tβ以上的120℃～200℃；鍛錘和壓力機(jī)上制坯時(shí)的加熱溫度為Tβ以下30℃～50℃；模鍛時(shí)的加熱溫度相當(dāng)于或略低于制坯是的加熱溫度；在壓力機(jī)上的模鍛加熱溫度可稍低于在錘上模鍛時(shí)的加熱溫度；終鍛溫度恰恰相反。彎曲、校正、切邊和切割的加熱溫度又都應(yīng)稍低于模鍛時(shí)的加熱溫度。 在不同設(shè)備上和不同工序中鍛造鈦合金時(shí)，應(yīng)分別選擇不同的加熱和終鍛溫度，目的是為了獲得最佳的組織和性能；并在不影響鍛件質(zhì)量的前提下，盡量提高生產(chǎn)率和節(jié)約能量成本。

3）加熱速度和保溫時(shí)間

由表5所示鍛件常用鈦合金于合金結(jié)構(gòu)鋼的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)可知，鈦合金（工業(yè)純鈦除外）在100℃以下的熱導(dǎo)率多在6W/m·℃～10W/m·℃范圍內(nèi)，只有鍛件常用合金結(jié)構(gòu)鋼熱熱導(dǎo)率的1/4～1/7，與高溫合金的熱導(dǎo)率相當(dāng)或者更低，因此，鈦合金坯料需要緩慢加熱，并延長(zhǎng)保溫時(shí)間，以避免因加熱速度過(guò)快和保溫時(shí)間不足而降低塑形，導(dǎo)致鍛裂或變形不均勻影響鍛件性能。各種規(guī)格鈦合金毛坯的加熱速度和保溫時(shí)間見6，表中還給出了坯料在爐中的最長(zhǎng)停留時(shí)間，以防止晶粒急劇長(zhǎng)大而影響鍛件的組織和性能。

表5 鍛件常用鈦合金于合金結(jié)構(gòu)鋼的熱導(dǎo)率的比較

表6 鈦合金坯料的加熱和保溫時(shí)間

相關(guān)鏈接