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鈦合金鍛造的開裂及預防
作者：admin
發(fā)布時間：24-01-15
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鈦合金具有密度低、強度高、耐高溫、耐腐蝕、無磁及生物相容性好等優(yōu)異的綜合性能，在當代航空航天、兵器裝備、化工石油、醫(yī)療、核電等領(lǐng)域的應用越來越廣泛，其中大部分以棒材、鍛件及軋制型材等變形鈦合金使用。鍛造變形是確保鈦合金材料獲得理想組織與性能的重要手段，但在鈦合金鍛造尤其是鑄錠到棒坯的生產(chǎn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)各種形式的開裂，不僅加大生產(chǎn)制造成本，而且降低生產(chǎn)效率和成材率，嚴重時導致產(chǎn)品報廢。鑒于此，本文就多年鈦合金鍛造過程中發(fā)生的開裂現(xiàn)象進行分析、總結(jié)，并提出預防和解決開裂的措施，以確保鈦合金鍛造生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
1、鈦合金鍛造開裂分類及原因
1.1 端面開裂
端面開裂是鈦合金鍛造過程中坯料端面發(fā)生的一種開裂，一般裂紋比較大，較為常見。端面開裂影響較大，通常會導致鍛造無法按工藝繼續(xù)進行。端面易開裂主要原因：①鑄錠頭部縮孔或尾部冷隔未徹底清除干凈;②鐓粗過程中，坯料端面與錘砧接觸熱 量被吸收，拔長過程中，坯料端面鼓出降溫快;③端面位置受到不同方向擠壓，變形不均勻，或者拔長時變形速度過快;④某些坯料變形抗力大，流動性差，端面心部凹陷。
1.2 折疊開裂
折疊開裂主要有三種情況：一是原材料鈦合金鑄錠高徑比≥2.5 或是鑄錠中間取樣， 殘留取樣槽，鐓粗折疊;二是鍛造過程坯料中間部位發(fā)生開裂，打磨后成深坑，再次鐓粗折疊;三是其他輔助工序產(chǎn)生的尖角凸起和凹坑沒有按規(guī)定打磨排傷。圖 1(a)為 某 TB6 鈦合金坯料中間部位因打磨深坑導致的折疊。圖 1(b)為某 TC4-LC 鈦合金棒坯分料時鋸斜，翻轉(zhuǎn) 180°繼續(xù)鋸切，鋸切面中間殘留尖銳棱角未打磨，再拔長時發(fā)生比較嚴重的折疊。
1.3 撕裂
撕裂是指鈦合金坯料拔長變形時，將坯料局部撕開的一種橫向開裂。鍛造撕裂會增加打磨量，降低材料成材率，而成形過程中撕裂較深，可能導致坯料無法滿足產(chǎn)品機加尺寸要求而報廢。產(chǎn)生撕裂主要原因是單道次壓下量過大(單邊大于 50mm)或壓下速率過快，圖 2(a)為某 TB6 鈦合金板坯撕裂。其次，錘砧因長時間使用發(fā)生變形導致其邊緣弧度不夠圓滑，或是錘砧預熱溫度不夠，常規(guī)變形量壓下也會導致坯料撕裂。此外，某些臺階軸類棒材或帶臺階鍛件，因為錯臺局部尺寸差別較大，拔長鍛造時較易發(fā)生撕裂，圖 2(b)為某 TC4-DT 鈦合金鍛件臺階處撕裂。
圖 1 鈦合金鍛造折疊
圖 2 鈦合金鍛造撕裂
1.4 內(nèi)裂
內(nèi)裂一般是指鍛造過程中鈦合金坯料內(nèi)部產(chǎn)生的單點、連續(xù)或間斷連續(xù)的一種開裂， 通常較難發(fā)現(xiàn)，需通過低倍檢查或超聲探傷才能發(fā)現(xiàn)。該類裂紋破壞了金屬連續(xù)性，只能報廢處理。內(nèi)裂產(chǎn)生原因可以概括為兩類：一是某些鈦合金材料因自身含有鎢、鉬和鈮等難熔金屬元素，局部存在較為嚴重的偏析、夾雜或疏松、冷隔等冶金缺陷，在鍛造變形過程中轉(zhuǎn)化為裂紋源;二是對于某些小規(guī)格(準90mm 或Ф90 mm 以下)鈦合金材料，拔長過程降溫快，倒棱溫度偏低或需要掉頭鍛造，坯料局部存在溫度梯度，容易產(chǎn)生內(nèi)裂。圖 3 為某 TA15 鈦合金準Ф85mm 成品棒材探傷時發(fā)現(xiàn)的靠近心部位置的內(nèi)裂形貌，經(jīng)分析屬第二種情況。
圖 3 鈦合金鍛造內(nèi)裂
1.5 縱向開裂
縱向開裂是指鈦合金坯料鍛造時沿流線方向發(fā)生的較長開裂，多發(fā)生在倒棱位置，當前或下一火次都有可能發(fā)生。產(chǎn)生的主要原因是坯料棱角處降溫快，與周圍存在溫差。此外，某些對溫度比較敏感的高溫鈦合金鍛造后水冷，倒棱部位因應力也會發(fā)生開裂。TC19、Ti60 等合金鍛造水冷發(fā)生過多次縱向開裂，裂紋較深、較長，打磨量較大，修整火次較多，嚴重影響生產(chǎn)效率。圖 4(a)為某 TB6 鈦合金坯料在鐓粗過程中棱角部位發(fā)生的縱向開裂， 圖 4 (b)為 IMI 834 鈦合金棒材在滾圓過程中發(fā)生的縱向開裂。
圖 4 兩種鈦合金鍛造的縱向開裂
1.6 脆性開裂
某些難變形高溫鈦合金材料本身塑性差，過程控制不當，容易引起嚴重脆性開裂，裂紋較深且難以清除。低于工藝要求的終鍛溫度鍛造，坯料在較大壓力作用下易發(fā)生脆性開裂。還有部分高溫鈦合金材料未采取 200～300℃低溫入爐或是分段加熱工藝不合理，升溫過快，由于鈦合金導熱能力差，導致加熱過程中坯料端部和中間、表面和心部存在較大的溫度梯度，出爐后鍛造，發(fā)生嚴重開裂。圖 5(a)所示為某高溫鈦合金試驗料開裂，險些斷為兩節(jié)，經(jīng)分析與加熱過程升溫過快有關(guān)。圖 5(b)所示為某 Ti3Al 鑄錠鍛造過程發(fā)生的脆性開裂，經(jīng)分析是由于冷卻操作不當造成的。由于設(shè)備故障停鍛空冷，操作機夾持鑄錠部位包裹的保溫棉未及時清除干凈，鑄錠冷卻不均勻，且該材料對溫度比較敏感，再加熱鍛造時，在鑄錠包裹的保溫棉邊界處開裂。
圖 5 鈦合金鍛造的脆性開裂
1.7 表面通身開裂
鑄錠冶金質(zhì)量差，表面缺陷未清除徹底，或是加熱工藝不合理導致鍛造過程中坯料表面發(fā)生開裂。一般面積比較大 ，危害嚴重 。圖 6 為來料加工 TC4-LC 鈦合金鑄錠第一火拔長時， 靠近頭部位置側(cè)面發(fā)生的嚴重開裂(圖中方框處)，經(jīng)分析是該爐號鑄錠冶煉質(zhì)量較差、鑄錠表面冷隔和皮下氣孔未清除干凈導致的。公司某鈦合金試驗料鑄錠第一火鍛造后通身開裂嚴重，經(jīng)分析該試驗料相變點 1020℃，而開坯溫度僅 1050℃，加熱溫度偏低，鑄態(tài)組織塑性差，導致開裂嚴重，后升溫至 1150℃重新開坯，開裂明顯減少。
圖 6 TC4-LC 鈦合金鍛造表面開裂
2、 鈦合金鍛造開裂特點
2.1 危害嚴重
鈦合金開裂危害嚴重，不僅增加工人打磨勞動強度，降低生產(chǎn)效率，還會降低產(chǎn)品成材率。部分嚴重開裂因打磨較深，需要增加火次修整，增加生產(chǎn)制造成本，對于批產(chǎn)產(chǎn)品因違反已固化工藝規(guī)范，容易造成產(chǎn)品質(zhì)量波動。更為嚴重的鍛造開裂，由于無法滿足產(chǎn)品交付尺寸或重量要求，導致產(chǎn)品報廢。
2.2 先天性
對于 Ti3Al、Ti2AlNb、IMI 834 以及一些新成分的難變形高溫鈦合金，由于自身結(jié)構(gòu)和組織因素，變形能力較差，本身比較容易開裂。某些鈦合金鑄錠冶金質(zhì)量較差，存在偏析、夾雜、皮下氣孔或冷隔等冶金缺陷，在后續(xù)鍛造過程中容易發(fā)生多火次開裂且較難消除。
2.3 難修磨
鈦合金開裂具有難修磨特點：①產(chǎn)生裂紋，必須清除干凈，需控制打磨寬深比≥10，打磨量較大;②部分塑性差鈦合金，由于打磨導致坯料局部溫升，存在溫度梯度，冷卻后因應力作用，裂紋會繼續(xù)延伸， 即邊打磨邊開裂;③某些小規(guī)格鈦合金棒材或鍛件，因重量尺寸小，打磨不易固定;④某些較長棒材、鍛件端頭開裂，需豎起打磨，難以操作且存在安全隱患;⑤某些異形件因形狀尺寸不規(guī)則，內(nèi)部裂紋打磨無處下手等。
2.4 難檢驗
鈦合金開裂具有難檢驗特點：①裂紋需 100% 檢驗，檢驗工作量大;②裂紋變小后，容易被打磨粉塵遮掩，檢驗人員無法用肉眼判定是否清除徹底;③ 某些異形件形狀不規(guī)則，裂紋較難檢驗;④內(nèi)裂發(fā)生在坯料內(nèi)部或表皮下面，肉眼不可見，一般都是成品探傷或低倍檢驗時才能發(fā)現(xiàn)，為時已晚;⑤易開裂或成形前坯料進行著色滲透檢驗，增加檢驗人員工作難度。
3、 鈦合金鍛造開裂預防及解決
根據(jù)上述七類鈦合金開裂的形式、原因及特點，并結(jié)合開裂實例，制定針對性預防措施。同時，需注重提高員工操作水平和默契度，確保關(guān)鍵設(shè)備運行狀態(tài)完好，制定并嚴格落實適宜的打磨、檢驗規(guī)范，控制好關(guān)鍵點和重要細節(jié)等。
3.1 端面開裂預防
一是運用超聲探傷等檢測手段務(wù)必確保鑄錠頭部縮孔或尾部冷隔徹底清除干凈;二是鍛造前，錘砧充分預熱至規(guī)定溫度(≥300 ℃)，并且鐓粗時坯料上下端面蓋一層隔熱保溫棉，減少錘砧吸熱，鐓粗蓋棉已經(jīng)寫入公司鈦合金鍛造工藝規(guī)范，實踐證明對于減少坯料端面開裂，效果顯著;三是坯料拔長過程，禁止出現(xiàn)變形速度過快、變形不均勻等操作;四是對于某些變形抗力大、流動性差的坯料，鐓粗時采用圓弧鐓粗板，拔長時從中間往兩端趕料，以防端面心部凹陷。
3.2 折疊開裂預防
一是控制原材料鈦合金鑄錠或中間過程坯料高徑比≤2.5，較合適的高徑比范圍 1.8～2.3;二是鑄錠中間部位殘留取樣槽及坯料折疊開裂部位機加或打磨處理時，務(wù)必圓滑過渡，寬深比≥10 為宜;三是務(wù)必確保鋸切、機加等輔助工序產(chǎn)生的尖角凸起和凹坑(比如機加定位孔等)按內(nèi)控要求打磨處理掉，類似圖 7 所示的坯料臺階、定位孔等必須打磨清除干凈，方可繼續(xù)鍛造。
圖 7 鈦合金坯料需排除的尖棱尖角
3.3 撕裂預防
一是快鍛機鍛造時單道次單邊壓下量控制 20～ 30mm 范圍內(nèi)， 壓下速率不要過快 (以 5～10mm/s 為宜);二是確保錘砧邊緣弧度≥R40mm，發(fā)生變形及時維護處理，并確保錘砧提前預熱至 300～400 ℃;三是針對臺階軸類棒材或臺階鍛件，臺階處鍛造時務(wù)必使用磕棍輕壓，再分多錘緩慢壓下，單錘變形量更要嚴格控制在 30 mm 以內(nèi)，出現(xiàn)撕裂時，分錘修整或及時停鍛打磨。
3.4 內(nèi)裂預防
一是對于含鎢、 鉬和鈮等難熔金屬元素的鈦合金材料，應從源頭入手，加強鑄錠熔煉工藝研究，提升熔煉技術(shù)水平，減少或消除偏析、夾雜、疏松或冷隔等冶金缺陷的產(chǎn)生;二是針對小規(guī)格鈦合金坯料，拔長過程務(wù)必及時倒棱， 并盡量避免坯料夾持端掉頭鍛造，條件允許時應及時返爐再鍛。
3.5 縱向開裂預防
一是鈦合金坯料拔長過程中及時倒棱，禁止出現(xiàn)尖棱、黑棱;二是某些對于溫度比較敏感的高溫鈦合金鍛造后進行空冷或蓋保溫棉緩冷，盡量不采用風冷、水冷、油冷等快速冷卻的方式。
3.6 脆性開裂預防
對于難變形高溫鈦合金材料， 應采用 “包棉鍛造”：即坯料加熱至規(guī)定保溫時間，將坯料取出，包裹一層保溫棉(厚度約 10mm，均勻撒一層玻璃絲防護劑)， 返爐繼續(xù)加熱 (時間根據(jù)坯料尺寸和包棉快慢)，出爐鍛造，過程及時增蓋保溫棉，盡量減少坯料溫度損失， 確保始終在工藝規(guī)定的終鍛溫度以上鍛造，實踐證明該操作可以顯著減少開裂。另外，該類鈦合金加熱宜采取 200～300℃低溫入爐，分多段加熱，緩慢升溫(50～100℃/h)，以確保坯料受熱均勻， 減少不同部位溫度梯度。最后，鍛造過程禁止掉料， 避免與工裝產(chǎn)生劇烈碰撞;冷卻過程緩慢、均勻;裂紋打磨完畢進行著色滲透檢驗等。
3.7 表面開裂預防
一是對鑄錠冶金質(zhì)量較差導致的表面開裂，應加強熔煉工藝研究，提升熔煉水平，鍛造前需徹底清除鑄錠冷隔、皮下氣孔等冶金缺陷。二是制定加熱、鍛造工藝時，應深刻總結(jié)某試驗料加熱溫度偏低導致嚴重開裂的教訓，綜合考慮多方面因素，確保工藝最優(yōu)。
4 、結(jié)論
(1) 鈦合金鍛造開裂包括端頭開裂、折疊開裂、撕裂、內(nèi)裂、縱向開裂、脆性開裂等，形式多樣，原因可控;并具有危害嚴重、先天性、遺傳性、難修磨、難檢驗等特點。
(2) 減少并避免鈦合金鍛造開裂，應以預防為主，制定合理可行的預防措施。同時，應確保鍛造、打磨、檢驗等重要過程受控，措施關(guān)鍵控制點嚴格落實到位。
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