基于液压机和锻锤锻造工艺下，分析TC4钛合金锻件，有哪些性能？

　　

　　文丨胖仔研究社

　　编辑丨胖仔研究社

　　TC4钛合金具有良好的综合性能，可以应用在航天航空、石油化工、海洋工程、交通运输等领域，随着我国航天事业的快速发展，对TC4钛合金锻件的需求量也在不断增加，因此，对TC4钛合金锻件进行研究具有重要的意义。

　　锻造是一种特殊的加工工艺，可以显著提高金属材料的强度和硬度，具有生产效率高、生产成本低、产品质量好等优点，随着锻造技术的发展和进步，锻造工艺也在不断发展和完善。

　　

　　近年来，钛合金锻件在航空航天领域应用越来越广泛，对其性能要求也越来越高。如何制备高质量、高性能的TC4钛合金锻件成为航空航天领域亟待解决的问题。

　　钛合金是一种综合性能优良的金属材料，由于其密度小、比强度高、耐腐蚀性能好等特点，被广泛应用于航空航天、海洋工程等领域。目前，钛合金的制造工艺主要包括锻造和铸造两种，其中锻造又分为冷锻和热锻。

　　冷锻是在室温条件下利用锻锤对钛合金锻件进行垂直打击，使金属沿锻件的长度方向缓慢均匀地流动，以使锻件内部形成一层均匀的显微组织。冷锻的优点是设备简单，锻造温度范围宽，适合大批量生产和生产成本低；缺点是锻造工艺复杂、变形抗力大、锻造时间长。

　　

　　热锻是指通过热态下的挤压、等温锻造、等温正火等工艺，使锻件内部形成大量的显微组织和组织缺陷，如马氏体、铁素体等。热锻件的优点是设备简单，能承受较大的变形力和变形温度；缺点是生产周期长，生产效率低。

　　TC4钛合金在锻造过程中，由于其自身的热膨胀系数与传统金属材料不同，使其锻造温度范围宽，同时具有良好的热加工性能。

　　因此，TC4钛合金锻件一般采用锻造方式进行生产。为了确保TC4钛合金锻件的质量，在进行锻造时一般要先将其加热至工艺温度范围内，然后再利用压力机对其进行锻造。

　　

　　对于钛合金热锻，目前主要有两种方式：一是在加热炉中将锻件放入到加热炉中加热至工艺温度后进行锻造；二是通过热模锻的方式对钛合金进行热锻。其中，热模锻是指将已经加热至工艺温度的钛合金放入到模具中，通过模具对其进行成型的一种方式。

　　热模锻的优点是变形抗力小、变形均匀，能减少锻件的内部缺陷，提高锻件的质量和性能；缺点是对锻件的尺寸精度和形状精度要求较高。

　　钛合金热模锻的方法主要有三种：一是连续锻造，即利用机械对锻件进行连续锻造，这也是目前使用最广泛的方法；二是半连续锻造，即锻件在模具中旋转，但是其不能进行连续锻造；三是自由锻造，即在锻造过程中不进行旋转，但可以对锻件进行弯曲。

　　

　　对TC4钛合金锻件进行金相组织观察，可以看出，锻后毛坯组织为近圆形柱状马氏体+少量残余奥氏体，而锻件组织为近圆形柱状马氏体+少量残余奥氏体，两者之间存在明显差异，且锻后毛坯存在较大的横向收缩，造成了锻件的横向尺寸差异。

　　在锻造过程中，由于液压机温度较高，高温合金被快速加热至1000℃以上，这导致锻造加热速度过快，存在淬火不充分和表面氧化的现象。

　　同时锻造温度过高也导致液压机锻造过程中的变形量过大，在后续加热时存在氧化和脱碳现象。这两种原因导致了锻件横向尺寸差异较大。

　　

　　锻件显微组织分析表明：锻件锻造过程中的冷却速度较大，而液压机锻后毛坯的冷却速度相对较小，锻件锻造过程中温度过快升高造成了锻件横向尺寸差异较大。同时在锻压过程中锻件晶粒也存在不同程度的长大现象。

　　由于锻后毛坯冷却速度快导致了锻件晶粒尺寸差异较大，锻件锻造过程中锻件晶粒尺寸明显大于液压机锻后毛坯晶粒尺寸；锻件锻造过程中产生的显微组织主要为近圆形柱状马氏体+少量残余奥氏体；锻造过程中锻件晶粒粗大且分布不均。

　　由于锻造温度较高导致了TC4钛合金在室温下具有较高的强度和硬度，而锻造温度过低则导致其塑性变形能力不足，存在淬火不充分和氧化的现象。

　　

　　此外，由于液压机加热温度较高导致了锻造时存在氧化现象，最终锻后毛坯表面存在氧化皮。

　　TC4钛合金的室温拉伸性能受许多因素影响，包括合金成分、晶粒尺寸、应变速率、变形程度等。

　　首先，锻件的直径一般比热轧棒材小，锻造加热时变形温度较低，变形过程中较难控制变形程度，因此锻件的拉伸性能受母材和锻造工艺的影响较大。在相同条件下，液压机锻造的TC4钛合金拉伸性能优于锻锤锻造，但锻锤锻造时存在一个关键问题——热压缩变形。

　　

　　因为液压机锻造过程中有一定程度的加热和冷却，故在热处理时能够较好地控制变形温度和变形速率，因而能够保证较高的塑性。锻锤锻造过程中由于加热温度较低，且冷却速度较快，所以锻件的塑性不如液压机锻件。

　　在相同条件下，锻造比锻锤锻造更能显著改善TC4钛合金的拉伸性能。对于相同规格的TC4钛合金锻件，液压机锻造的拉伸性能优于锻锤锻造；在相同条件下，锻锤锻造比液压机锻造更能显著改善TC4钛合金的拉伸性能。

　　在屈服强度相同时，液压机锻造TC4钛合金锻后拉伸性能优于锻锤锻造TC4钛合金锻后拉伸性能。这是因为液压机锻件由于变形程度小、变形温度低、变形速率慢等因素导致材料内部残余应力小；而锻锤锻造TC4钛合金锻后拉伸性能优于液压机锻后拉伸性能。

　　

　　这是因为锻锤锻造时，在锻压和锤击过程中产生较大的残余应力，使材料内部产生较大的拉应力，导致材料产生较大的塑性变形；而液压机锻造时，在锻造过程中金属处于自由流动状态，材料内部不存在残余应力，因而能够保证材料的塑性变形程度。

　　液压机锻造后的TC4钛合金试样强度值和伸长率都比锻锤锻造后的大，这是因为锻造过程中锻件内部产生了大量的杂质元素，而这些杂质元素的存在使得TC4钛合金发生了严重的再结晶。

　　

　　在轧制过程中，由于轧制压力较大，导致应力集中现象明显，部分杂质元素被挤压到TC4钛合金内部并在晶界上形成粗大的富 Ti相，这就使得锻件内部产生了大量的位错和空位，为TC4钛合金进一步变形提供了条件。

　　锻锤锻造后的TC4钛合金试样强度值比液压机锻造后的试样低，这是因为在锻锤锻造过程中锻件内部形成了大量的位错和空位，并且在晶界上形成了细小的富Ti相，使得TC4钛合金发生了明显的再结晶现象。

　　可以看出锻锤锻造后TC4钛合金试样断口特征是：韧性断裂为主、局部脆性断裂为辅。

　　这是由于锻锤锻造过程中锻造压力较大，导致部分杂质元素在晶界上形成了粗大的富Ti相，同时锻锤锻造过程中产生了大量位错和空位，使得TC4钛合金发生了明显的再结晶现象。

　　

　　由于锻锤锻造时由于锻压下温度较低、锻压速度较快等原因导致材料内部产生大量裂纹源和气孔等缺陷元素，从而使得TC4钛合金发生了明显的再结晶现象。

　　TC4钛合金因其优异的综合性能，广泛应用于航空航天、医疗设备、交通运输等领域，尤其是在航空航天领域，TC4钛合金已成为主力材料。

　　TC4钛合金由于具有密度低、比强度和比刚度高、耐高温、耐腐蚀等优点，被广泛应用于制造飞机的旋翼、尾翼、机身加强框、主副油箱等关键结构件。

　　

　　由于TC4钛合金在室温下有较大的强度和塑性，因此锻造成形时需进行固溶处理以改善其性能。然而TC4钛合金在锻造过程中的组织会发生不均匀分布，在冷却过程中会形成粗大的α相，导致合金的力学性能降低。

　　为了改善TC4钛合金的锻造组织，目前常用的方法有两种：一种是在锻造前进行固溶处理，如液压机热模锻造；另一种是在锻造过程中进行固溶处理，如锻锤锻造。

　　在实际生产中，由于锻锤锻造工艺设备比较复杂、操作难度较大且生产成本高，因此液压机热模锻造是目前较为普遍使用的一种工艺。

　　

　　与液压机热模锻造相比，锻锤锻件的表面质量得到了很大提高，晶粒更加细小均匀，且可以使用大直径模锻模具进行生产。然而锻锤锻件的生产效率较低、生产成本较高，目前仍然没有完全取代液压机热模锻造工艺。

　　在未来，随着锻锤锻造工艺的发展，以及对锻造工艺和设备的研究，可以预见锻锤锻件的生产效率和质量将会得到极大提升。

　　在实际生产中，由于锻造过程中会产生大量的热、力和冲击载荷，因此必须通过热模拟试验研究等温锻造对锻件组织、力学性能和力学寿命的影响规律，获得适宜的工艺参数以保证锻件质量。

　　

　　由于锻锤锻造工艺生产效率高、设备要求低，因此在未来可以尝试采用锻锤锻件进行航空航天等领域关键结构件的生产，如飞机尾翼、主副油箱、机身加强框等关键结构件，而对于一些普通民用领域的大型锻件，由于其尺寸较大，采用锻锤锻造工艺生产难度较大。

　　随着我国航空航天事业的发展，对钛合金锻件的质量要求也越来越高，而锻造工艺也是影响锻件质量的重要因素之一。

　　但随着液压机和锻锤在我国的发展，其应用也越来越广泛，但因为锻锤的价格相对较高，且锻造工艺复杂，所以国内大部分航空航天企业都更愿意选择液压机来完成产品生产，但是随着液压机数量的增加，其锻造工艺和质量也有了很大提升。

　　

　　同时由于锻造过程中可以根据需求来调节锻造参数，所以锻造工艺也越来越灵活，但目前我国国内液压机的技术和设备还不能完全满足航空航天领域对锻件的要求，所以发展航空航天领域对于锻造技术的需求也将会越来越大。

　　参考文献

　　1.姚伟东：TC4钛合金锻件锻造工艺与组织性能研究。《北京航空航天大学学报》，2017,18 (01)：1036-1037。

　　2.何晓林：钛合金锻件锻造过程中的热加工行为研究。《中国锻压》，2015 (11)：59-60。

　　魏国利：我国大型钛合金锻件生产的现状与发展趋势。《材料保护技术》，2018 (05)：23-26。

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