【摘要】：在鈦及鈦合金的熱加工過程中，自由鍛造成為主要加工手段之一，但鈦變形抗力大，鍛造溫度范圍小，鍛造過程中容易產生裂紋、折疊等，使損耗率增大，甚至因組織、性能不合而報廢。制定正確的工藝路線，采用合理的變形方式，較好地控制送進量、壓下量、變形程度，變形溫度，變形速度等重要參數，可以大大減少和避免上述問題，從而提高材料的利用率。
【關鍵詞】：鈦及鈦合金; 自由鍛造
1. 前言
鈦合金是目前使用的材料中比強度最高的材料之一,具有抗腐蝕能力強、強度高、密度低、中溫性能穩定等一系列優良特性，在航空航天工業、生物醫藥、石油工業以及原子能等高技術領域有著廣泛應用。在鈦及鈦合金的熱加工過程中，自由鍛造成為主要加工手段之一。文章以鈦及鈦合金棒材為討論對象，自由鍛造可加工成品棒材，也可加工中間工序的坯料。作為中間坯料，則是為后續加工如鍛造、軋制提供一定形狀、一定尺寸、一定組織和性能的材料。對于成品，不但要嚴格控制材料的組織、性能，同時，尺寸、表面質量均應滿足要求，其中任一項不合格均不能交貨。例如，一支Φ152+3-0×2000mm定尺的棒材，僅僅因一處裂紋修磨超差2mm而不能交貨，雖然可改鍛作為它用，但影響了交貨期。在實際生產過程中，這樣的例子并不少見。因此，如何采取正確的工藝路線，合理的鍛造方式以保證材料的組織性能和表面質量，尤其防止鍛件因組織而性能不達標或者表面出現較深的裂紋、折疊等造成尺寸超差，成為工程技術人員研究的課題之一，這也是文章討論分析的主要目的。
2. 自由鍛造的設備及主要方式
在目前的實際生產中，自由鍛造常用的加熱爐有煤爐，天然氣爐，電爐等。鑄錠開坯常用前兩種加熱爐。因為電爐加熱溫度易控制，精確度較高（一般±10℃），且污染程度小，成品前的加熱一般都要用電爐。鍛造設備有鍛錘、水壓機、快鍛機等。自由鍛造鈦及鈦合金棒材的基本方式為拔長、鐓粗，或者采用拔長、鐓粗相結合的方式。當然，對于小規格的如Φ12、Φ20等的棒材要采用軋制，對此文章不作討論。
2.1 拔長
金屬的塑性變形遵循體積不變規則和最小阻力規則。拔長時坯料長度變長，橫截面積變小，其過程大體分為拔方、倒棱、滾圓三步。拔長時，送進量不能太大，一般應小于坯料寬度，這時，金屬沿坯料的縱向流動大于橫向流動，反之，則金屬沿坯料的橫向流動大于縱向流動，降低了拔長效率。同時，單邊壓下量應等于或小于送進量，否則會產生折疊。而且鍛錘上下砧的邊緣應倒成圓角，否則也會產生折疊。在倒棱時，鍛錘的擊打力應輕些，以免坯料中心及端頭出現裂紋，而且倒棱應及時，否則由于棱角溫度降低較快，易在棱角產生裂紋。鍛件開始鍛造時，由于出爐周轉造成溫降，此時應輕錘快打，等溫度上升后，應重錘慢打，在鍛制后期由于溫降較大，又要輕錘快打，否則鍛件表面易開裂，甚至產生內裂紋。
在實際生產中，也可通過改變應力狀態來改變材料的可鍛性。如用平砧拔長時，可將下砧改用V型砧，由于坯料側面壓應力的作用，減小了毛坯心部的拉應力，可避免裂紋的產生。西部超導材料有限公司在其1600T快鍛機下砧采用V型砧鍛制不同規格的成品及半成品棒材，材料的成材率得到有效提高。
2.2 鐓粗
鐓粗時坯料高度變小，橫截面積變大。當變形量較大時，較之拔長更能擊碎坯料中心部位的樹枝晶、偏析等缺陷，達到改善組織的目的。鐓粗時，鍛件軸向受壓應力，但與軸線成45度角方向有最大切應力，故沿此方向易產生斜裂。有時候，由于拉應力還會產生縱向開裂。當鐓粗比H0/D0（即坯料高度與直徑的比值）=3時，若錘擊力不足，坯料兩端會產生雙鼓形，此時應先滾圓，若繼續壓下，就會產生夾層。有時，為使端面平齊，錘頭下壓的同時，坯料還要在水平方向適當旋轉。當H0/D0>3時，會產生縱向彎曲，應先校直后再鐓粗。一般情況下，在鐓粗過程中，應H0/D0<3，在2―2.2范圍內為最好。
3. 自由鍛造對組織、性能的影響
在實際生產過程中，棒材直徑由小到大規格不等，小到10mm左右，大則達到300mm甚至更大。不同規格的材料決定了不同的加工工藝路線。對于直徑較大而且性能標準較高的材料來說，若由鑄錠單一拔長至所需直徑的棒材，則材料的變形極不均勻，且不充分，導致鑄態組織不能夠充分破碎，組織不均勻，晶粒粗大，材料的性能不達標。因此在加工大規格棒材時，為了使材料變形充分，組織均勻，晶粒細化，以提高材料的綜合性能，常常采取拔長、鐓粗相結合，反復進行，而且常常換向鐓拔。
變形溫度、變形速度及變形程度是鍛造過程中非常重要的參數，對材料的組織性能起著決定性作用。變形溫度包括兩方面，既要保證適當的加熱溫度，即保證在某一相區加熱和鍛造，以保證鍛后組織，同時對終鍛溫度也要嚴格控制，終鍛溫度過低，容易造成表面鍛裂，甚至形成內裂紋以至探傷不合而報廢；終鍛溫度過高，由于靜態再結晶的緣故會引起組織粗大，導致性能降低。如對于TC4鈦合金成品棒材，成品前的一火至兩火鍛造必須在α+β兩相區加熱、鍛造，鍛后組織如圖a，等軸α，條狀α分布在轉變β基體上，稱為三態組織，此種組織決定了材料的強度、塑性等綜合性能較好。 當用小鍛錘鍛造小鍛件時，由于變形速度過高引起的溫升就值得注意，若在鍛造過程中溫度升高或者加熱時離發熱體過近導致局部溫度超過α+β/β相變點，則會使組織變壞，如圖b，α平直，β晶粒粗大，且有晶界α存在，稱為過熱組織，此種組織使材料的性能大大下降。變形速度同樣重要，如用水壓機鍛造時變形速度很慢，鍛造過程中會發生動態在結晶，對提高加工塑性有利。而用鍛錘鍛造時變形速度較快，在高的變形速度下，動態再結晶往往來不及進行，會導致變形抗力增大。合適的變形速度既不使鍛件溫升過高以免引起組織惡化，也不至于使其溫度降低很多，這就要求合理的控制鍛錘擊打的次數和輕重。
變形量的大小對鍛件的組織和性能也有十分重要的影響。鑄錠開坯時，必須加大變形量，一般為70%-80%，目的是破碎和改善鑄造組織（樹枝晶、柱狀晶、夾雜物、偏析、氣孔、疏松等）。成品鍛造時，變形量不能太小，一般不小于50%，否則得不到細晶組織，也不能太大，否則會使鍛件表面質量變壞。當然，若最后一火變形量不夠時，可適當降低溫度，也可得到較好的組織。
工藝決定組織，組織決定性能。實際生產中，必須綜合考慮各種因素，以保證經過一定變形量的鍛材（或鍛件）能具有所需要的組織與性能。
4. 總結
1) 自由鍛造過程中，較好的控制鍛造比、壓下量，送進量、始鍛、終鍛溫度及錘的擊打頻次和輕重，可有效防止裂紋、折疊的發生；
2) 在要求的相區，用合適的變形速率在規定的變形范圍內可得到具有一定量的等軸初生α加轉變的β組織，綜合性能好。
參考文獻
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