国内钛合金棒材热模成形技术与锻造工艺

钛合金棒材通常带有较高的加强筋结构，零件形状复杂且尺寸较大，对棒材制作精度要求高等导致钛合金棒材加工困难。传统的钛合金棒材讲过方法以锻造成简单形状的毛坯为主，再结合现代化数控加工等方法逐个加工，提高的加工成本，所获产品质量强度也明显降低[1]。

因此，探寻一种加工性能稳定，提高材料利用的工艺时当前亟待解决的问题之一[2]。模锻工艺是一种新的钛合金棒材加工技术手段，能够有效的降低加工成本，提高了材料的利用率。

1、棒材热模局部加载成形技术

1.1 局部加载成形技术概况

棒材类锻件为棒材和加强筋组成的复杂圆形锻件，腹板和加强筋对锻件的成形增加了难度。因此，在锻件成形设计过程中必须考虑模压力对锻件的影响作用。为了有效的防止热模锻造成形过程中整体加载导致金属沿着径向大量流动进而出现涡流、折迭、紊乱等现象，本次采用局部加载垫板和环形垫板[3]。在热模锻造成形试验过程中，将试验坯料分别放置在环形垫板中间，坯料和上模之间放置局部加载垫板，可以有效的确保的金属流动变形充分充填至模具型腔内，有效的避免了沿径向流动产生涡流、紊乱等问题。

棒材类热模锻造成形加工技术通常采用整体加载方式进行，整体加载技术在成形过程中当加强筋充填至一定程度时，筋部的充填阻力明显增大，导致大量的金属沿着棒材中心向四周流动，或者沿着径向流动进而引起紊乱、折迭、涡流等现象，最终使得锻件充填不到位，使得锻件质量不达标。

若在充填过程中将整体加载方式改为局部加载逐步成形的方式，则可以有效的控制金属流动的方向，使得金属充分的充填至加强筋底部，最大程度避免了金属沿着径向方向流动的问题，可较好地避免上述问题的出现概率。

1.2 局部加载成形技术主要步骤

在热模锻造成形过程中根据棒材锻件特征，将其分解为两个主要步骤进行试验。第一步是棒材工件的预成形阶段，该过程就是在局部加载垫板评先压力的影响下将坯料产生轴向变形，并将其优先充填下模筋部等位置，并将金属沿着径向运移流动直至充分充填环形垫板位置；由于在充填过程中模具与坯料之间的相对接触面积较小，加之金属流动变形速度极快，因此在局部加载过程中坯料的热损失较小，就可获得工件预成形的零件。再完成第一步的基础上，将预成形零件最终成形，也就是将棒材锻件中的环形垫板和局部加载垫板取出，将预成形零件升温至950℃条件下，并将其置于下模腔内进行最终成形处理。在后期变形成形处理过程中坯料的厚度逐渐减薄，因此与模具的接触面积逐渐增加。此外，由于最终成形过程中温度降低速度过快，变形载荷明显增加。

1.3 棒材热模锻造成形后显微组织特征

直至棒材热模锻造成形的两个重要步骤完成后，对热模锻造成形后的锻件进行退火处理，并对锻件进行了显微组织观察，在锻件中可见少量初生α 相组织，呈等轴状和条带状的双态组织分布。

由于退火温度接近钛合金棒材的相变点，因此在钛合金显微组织中初生α 相含量相对较少。对锻件进行缺陷分析，最终在锻件内未发现明显的变形缺陷，说明使用该方法锻造获得的棒材质量可靠[3]。

使用局部加载热模锻造成形技术，与传统的锻造工艺相比较，使用该技术方法使得原材料的利用率明显提高，极大地降低了材料浪费率，间接的降低了锻造成本。综上所述，局部加载方式以及热模锻造成形技术能够获得质量可靠的钛合金产品其力学性能远远优于设计要求，能够满足企业对钛合金棒材质量的基本要求。

2、常见其他传统棒材热模锻造工艺简介

常见的棒材热模锻造成形技术除局部加载成形技术外，常见的锻造工艺包括：① α ＋ β 锻造技术，该技术是在中等应变速率条件下将α 合金或者α ＋ β 合金在β 转变温度下进行锻造的工艺技术，该技术具有成本低、操作简单的优势，应用较为广泛；该技术在锻造过程中容易出现局部过热，容易造成锻件表面产生裂纹，但随着该技术锻造工艺的改进，逐渐成功的锻造出了锻件精度高、表面光洁的成品；② β 锻造技术，该技术是在β 相的高温条件下对钛合金完成锻造过程，具有锻件精度高、变形抗力小的优势，显著的提高了锻件的寿命；钛合金显微组织中的α 相晶界面明显增大，多呈网篮组织，提高了钛合金的抗蠕变性能和强度；③亚β 锻造技术，是将锻件在β 相区加热处理而锻造成形过程却在两相区内完成的锻造工艺，该技术具有与β 锻造相似的特征，在锻造过程中主要是将边界α 相先破碎，使得边界区域的α 相逐渐向α 等轴化转变，进而提高了钛合金整体性能。

3、结语

综上所述，钛合金棒材因具有优越的性能在现代化各领域中具有广阔的应用前景，加强钛合金锻造成形工艺的研究工作有助于推动钛合金材料向更多的领域发展。文章以钛合金棒材的热模锻造成形技术为着手点，从2 个方面分析了局部加载热模锻造成形技术的优势，并对锻件进行了力学性能和显微组织分析，认为本文所选用的加载方式以及热模锻造成形技术能够获得质量可靠的钛合金产品，其力学性能远远优于设计要求，能够满足企业对钛合金棒材质量的基本要求。

参考文献：

[1] 李梁, 刘希林. 钛合金膜板类锻件热模锻造成形技术研究[J]. 锻压技术,2010,35(06):11-13.

[2] 高峻, 李淼泉. 精密锻造技术的研究进展与发展趋势[J]. 精密成形工程,2015,7(06):37-43+80.

[3] 吴瑞恒. GH4169 合金热模锻件成形过程的计算机模拟[C]. 中国体视学学会,2005:59.

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