钛(tai)合金材(cai)料在挤压(ya)工(gong)艺条件(jian)下(xia)可获(huo)得理(li)想(xiang)的(de)微(wei)观组织(zhi)和(he)力学性(xing)能(neng)。近年(nian)来(lai)钛(tai)合金(jin)挤压型材(cai)在(zai)航(hang)空(kong)航天(tian)领域的(de)用(yong)量日益增(zeng)多，其(qi)主(zhu)要(yao)背景有(you)：以(yi)新(xin)一代(dai)大型(xing)飞(fei)机为(wei)代(dai)表(biao)的先进(jin)航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)器为了减(jian)轻(qing)重(zhong)量(liang)、提(ti)高经(jing)济(ji)性，大(da)量采(cai)用(yong)碳(tan)纤(xian)维复(fu)合材(cai)料蒙皮壁板(ban)，如(ru)波音(yin)787大(da)型客(ke)机(ji)复合材(cai)料(liao)用(yong)量(liang)占(zhan)结构材(cai)料总重量近(jin)50%，钛与(yu)碳(tan)纤维复(fu)合(he)材(cai)料(liao)在强(qiang)度、刚(gang)度和(he)热特(te)性等(deng)方面匹配(pei)良(liang)好，能(neng)获得很好(hao)的(de)减重(zhong)效果(guo)；同时(shi)，由于(yu)两(liang)者(zhe)的电(dian)位(wei)接近，不(bu)易(yi)产(chan)生电(dian)偶(ou)腐(fu)蚀，而铝(lv)合金与(yu)复(fu)合材(cai)料(liao)容(rong)易产(chan)生电(dian)偶(ou)腐蚀现(xian)象(xiang)，从(cong)而影响机(ji)体(ti)结(jie)构寿命。因此(ci)，与复合材(cai)料相(xiang)连(lian)接的金属承力(li)骨架(jia)大量采(cai)用钛合金型材构(gou)件，如(ru)图(tu)1所(suo)示。
针(zhen)对(dui)飞机钛(tai)合(he)金(jin)型(xing)材骨(gu)架结构(gou)零件(jian)，传(chuan)统制(zhi)造(zao)方(fang)法(fa)采用(yong)锻(duan)造(zao)毛(mao)坯(pi)+数(shu)控加(jia)工+增(zeng)量热(re)压(ya)弯(wan)+热校(xiao)形的(de)复(fu)杂制造工(gong)艺(yi)流程(cheng)，该(gai)工艺流程数(shu)控加(jia)工(gong)量(liang)很(hen)大(da)，材料利用率(lv)极低（仅3.5%~10%），据统(tong)计单架飞机浪(lang)费(fei)的钛合金材料价(jia)值达(da)数百万美(mei)元(yuan)以上(shang)，因(yin)此(ci)材(cai)料(liao)及(ji)数控(kong)加(jia)工成(cheng)本很(hen)高；而(er)且(qie)由(you)于工(gong)艺过程复(fu)杂(za)，制(zhi)造(zao)过(guo)程(cheng)中非均(jun)匀变(bian)形(xing)导(dao)致零件(jian)残(can)余应(ying)力(li)大(da)，需制造(zao)专用(yong)复(fu)杂工(gong)装(zhuang)对零(ling)件进(jin)行(xing)热(re)校形，导致工装(zhuang)成本极高(gao)。采用钛(tai)合金(jin)挤压(ya)型材(cai)为(wei)坯(pi)料，结(jie)合(he)线(xian)性(xing)摩擦(ca)焊及(ji)热(re)拉弯等先进(jin)工艺(yi)技术(shu)，可在(zai)实(shi)现减重和(he)获(huo)得(de)良(liang)好结(jie)构刚度(du)的(de)前(qian)提(ti)下(xia)大(da)大提(ti)高材(cai)料(liao)利用(yong)率(lv)、减(jian)少(shao)制造工序(xu)，从而(er)降低制造成本。综(zong)上所(suo)述(shu)，钛合(he)金(jin)挤(ji)压(ya)型材(cai)在(zai)航空航天领(ling)域(yu)将(jiang)具有(you)非常广(guang)阔的应(ying)用前(qian)景。
图(tu)1 大型客机钛合金(jin)的(de)应(ying)用(yong)及(ji)发(fa)展(zhan)趋(qu)势(shi)
（a）波(bo)音公司客(ke)机(ji)钛(tai)合(he)金用(yong)量 （b）舱(cang)门(men)骨架(jia)结构中的(de)钛(tai)合金(jin)型(xing)材(cai)
美(mei)国(guo)ATI公司(si)对(dui)航(hang)空领(ling)域使用(yong)的(de)钛(tai)合(he)金挤压(ya)型材进(jin)行统(tong)计分(fen)析(xi)，发现目前航(hang)空(kong)领(ling)域所用钛(tai)挤压型(xing)材(cai)的截(jie)面面(mian)积分(fen)布情(qing)况(kuang)如图2所示(shi)，可以(yi)看出(chu)，大(da)部(bu)分(fen)为(wei)中小(xiao)截面积的挤压(ya)型(xing)材。
图2 航(hang)空(kong)用钛合金挤压型材(cai)截(jie)面(mian)分(fen)布(bu)情(qing)况
然而，由(you)于钛在室温(wen)条件下(xia)为密(mi)排(pai)六方晶(jing)体结构(gou)，强度高(gao)、变(bian)形困难(nan)，因此钛(tai)合金(jin)型(xing)材(cai)的挤压(ya)工(gong)艺(yi)必须在(zai)高(gao)温(wen)条件下(xia)进(jin)行。与(yu)铝(lv)合金等其(qi)它(ta)有(you)色(se)金属的(de)挤(ji)压相(xiang)比，钛(tai)合金的(de)挤压(ya)更为(wei)困(kun)难，主(zhu)要(yao)原因有(you)：
（1）钛(tai)是一(yi)种高活(huo)性金属(shu)，其(qi)在挤压过程(cheng)中如果(guo)温(wen)度(du)、挤(ji)压(ya)速度、润(run)滑条(tiao)件或模(mo)具(ju)结(jie)构(gou)不合理，则极易引起钛(tai)与模(mo)具的粘(zhan)结(jie)，从(cong)而导(dao)致(zhi)型(xing)材表(biao)面(mian)出(chu)现(xian)沟(gou)槽(cao)等缺陷；
（2）由于(yu)钛的(de)导热性差(cha)，热(re)挤(ji)压时坯(pi)料表(biao)层(ceng)与中(zhong)心(xin)易(yi)产生(sheng)较大温差，促(cu)使(shi)金属(shu)流动不(bu)均匀(yun)性加(jia)剧(ju)，表(biao)层易产(chan)生(sheng)较(jiao)大的(de)附加拉应力，在制品表(biao)面(mian)易(yi)形成裂(lie)纹(wen)，严(yan)重时(shi)可(ke)能产(chan)生(sheng)中(zhong)心缩(suo)孔；
（3）薄壁钛(tai)合(he)金(jin)型(xing)材挤压后容(rong)易(yi)出(chu)现(xian)截面(mian)畸(ji)变和(he)扭曲(qu)等(deng)缺陷(xian)，后续校(xiao)直困难(nan)；
（4）挤压钛合(he)金(jin)时热效应(ying)显著，不合(he)适(shi)的挤(ji)压(ya)工(gong)艺(yi)对组织和性能的(de)控制有不利(li)影(ying)响。
图(tu)3 钛(tai)合金(jin)挤压(ya)型(xing)材的(de)缺(que)陷(xian)
（a）扭(niu)曲(qu) （b）表(biao)面沟槽
国(guo)外(wai)航(hang)空制造(zao)大(da)国(guo)在钛(tai)合(he)金型材的(de)研发中要(yao)求(qiu)科研(yan)人(ren)员(yuan)首先(xian)要解(jie)决的问(wen)题就是开(kai)发钛(tai)合(he)金型(xing)材热挤(ji)压工艺(yi)，为(wei)迅(xun)速(su)发展(zhan)的(de)航(hang)空技术提供(gong)各(ge)种(zhong)各(ge)样的(de)型(xing)材；同(tong)时希望挤(ji)压的(de)型(xing)材尽(jin)可能地(di)接近成品零(ling)件(jian)，尽(jin)量(liang)减少机(ji)械(xie)加(jia)工量，特(te)别是(shi)发动机(ji)隔框(kuang)使(shi)用的(de)钛(tai)合金薄(bao)壁型材(cai)、翼翅型材、空心(xin)型(xing)材、大型型材和壁(bi)板(ban)等。目(mu)前(qian)，美国和俄(e)罗(luo)斯采用(yong)挤(ji)压法生(sheng)产的钛(tai)合金(jin)型(xing)材已(yi)经在飞机(ji)和(he)舰艇上广泛(fan)应用(yong)，并形(xing)成了(le)较为(wei)完备(bei)的挤(ji)压(ya)钛合金(jin)型(xing)材生(sheng)产(chan)工(gong)艺标准(zhun)体系(xi)和质量控制(zhi)标准(zhun)体系(xi)。国际(ji)市(shi)场上供(gong)应钛(tai)挤(ji)压(ya)型材(cai)的公司主(zhu)要(yao)有(you)美(mei)国RTI国际金属公司、ATI公(gong)司以及(ji)俄(e)罗斯(si)VSMPO-AVISMA公司(si)等。
近年(nian)来(lai)，国内(nei)的宝钛公(gong)司(si)针对航空(kong)航天先(xian)进装备(bei)制(zhi)造中对钛(tai)合金(jin)型(xing)材的(de)迫切需(xu)求(qiu)，开展(zhan)了(le)钛合金型(xing)材(cai)的(de)挤压(ya)技(ji)术(shu)研究(jiu)，突破(po)了(le)多(duo)项关(guan)键技术(shu)，实(shi)现(xian)了小(xiao)批(pi)量(liang)生(sheng)产，但在(zai)质量(liang)和(he)生(sheng)产(chan)稳定(ding)性等方(fang)面与(yu)美(mei)国(guo)和俄(e)罗斯(si)等国(guo)相(xiang)比仍存(cun)在一些(xie)差(cha)距。本(ben)文(wen)通(tong)过对(dui)国(guo)内(nei)外(wai)目前公开(kai)发(fa)表(biao)的钛(tai)合(he)金型(xing)材(cai)挤压工(gong)艺研究和产品(pin)开(kai)发技术(shu)现(xian)状进行总结和分析，为(wei)促(cu)进我国(guo)钛(tai)合(he)金型材(cai)精密(mi)挤压技(ji)术(shu)的发(fa)展提(ti)供启示。
1、挤(ji)压工(gong)艺及参(can)数(shu)优化(hua)
钛合(he)金(jin)型(xing)材(cai)的(de)挤压(ya)及(ji)其制品的全流(liu)程制(zhi)造(zao)工(gong)艺(yi)包括二(er)次真(zhen)空电(dian)弧重熔(rong)、挤压(ya)锭坯(pi)的制备(bei)、型(xing)材(cai)的(de)挤(ji)压、型材的热(re)成(cheng)型(xing)或机加工以(yi)及(ji)后(hou)续热(re)处理和喷涂(tu)等工(gong)序(xu)，如图4所(suo)示。
图4 钛(tai)合金(jin)型材(cai)挤(ji)压(ya)及(ji)其(qi)制品(pin)全工(gong)艺流程(cheng)示(shi)意(yi)图(tu)
挤(ji)压(ya)过(guo)程不仅(jin)与(yu)材(cai)料(liao)的性能(neng)关系密(mi)切(qie)，而(er)且挤压变形形(xing)式(shi)、温(wen)度、挤压比(bi)、挤(ji)压速度(du)、润(run)滑条件(jian)以及(ji)模(mo)具结(jie)构等(deng)众多工艺(yi)条件(jian)对挤压过(guo)程的(de)影(ying)响(xiang)重大，各因(yin)素对制品的(de)质(zhi)量影响关(guan)系(xi)复杂，如(ru)图5所示。确(que)定挤(ji)压工(gong)艺(yi)时(shi)要(yao)求(qiu)在保(bao)持(chi)模具有(you)满意寿(shou)命(ming)的(de)条(tiao)件下(xia)制定正确的参(can)数(shu)和流程(cheng)，即要(yao)求预热(re)温(wen)度、挤(ji)压(ya)比(bi)、挤(ji)压速度及(ji)润滑(hua)方(fang)式等(deng)多方(fang)面(mian)的配合。
传(chuan)统(tong)设(she)计钛(tai)合(he)金型(xing)材挤压(ya)工(gong)艺(yi)的方(fang)式(shi)为(wei)根(gen)据经验(yan)公(gong)式(shi)及设计人员(yuan)的工(gong)作(zuo)经(jing)验，采用逐(zhu)步(bu)试(shi)错的(de)方(fang)法来(lai)达(da)到尺寸(cun)和组织(zhi)性能(neng)等(deng)各(ge)方(fang)面(mian)的要(yao)求，这(zhe)个过程需要(yao)很(hen)长(zhang)的(de)时间(jian)，且需消耗大(da)量(liang)的(de)原材(cai)料。据(ju)统(tong)计，开(kai)展一次(ci)全方(fang)位(wei)的试验(yan)所(suo)需钛合金超过(guo)400kg。随(sui)着有(you)限元仿真技术的(de)发(fa)展，越(yue)来(lai)越(yue)多的科(ke)研人员(yuan)对钛合金(jin)挤压工(gong)艺进(jin)行(xing)了有(you)限元(yuan)数(shu)值模拟(ni)研(yan)究(jiu)，以分析挤压过程中(zhong)各(ge)工艺(yi)参数的影(ying)响规(gui)律(lv)、优化工艺(yi)参数(shu)、缩短工(gong)艺(yi)设(she)计(ji)时(shi)间，部分学者还(hai)对挤压(ya)过(guo)程(cheng)的微(wei)观(guan)组织进行(xing)了模拟(ni)，并(bing)将(jiang)模拟获(huo)得的(de)应力应(ying)变场、温度场(chang)与显微组(zu)织(zhi)及显微(wei)硬(ying)度(du)分布(bu)实(shi)验结(jie)果(guo)进(jin)行(xing)对比(bi)，获(huo)得(de)了(le)较为丰富的试验(yan)数(shu)据(ju)。魏慧(hui)慧(hui)等(deng)、Li L等(deng)及娄燕通过(guo)有(you)限(xian)元(yuan)分(fen)析研(yan)究发现，坯(pi)料的(de)温升(sheng)随(sui)挤(ji)压(ya)速(su)度、摩(mo)擦(ca)因(yin)子(zi)、挤(ji)压(ya)比以及模(mo)具预热温(wen)度(du)的(de)增(zeng)大(da)而增(zeng)大(da)，最高(gao)可(ke)达160℃以上(shang)。
Mirahmadi S J等(deng)综合研究各(ge)工艺(yi)参(can)数(shu)后(hou)发现影响温(wen)度(du)和挤压(ya)力最大(da)的因(yin)素是(shi)挤(ji)压速度(du)，其次是(shi)模(mo)具(ju)和(he)坯料的预(yu)热(re)温(wen)度；模具(ju)角(jiao)度(du)对(dui)挤压力的(de)影响(xiang)较(jiao)小，但(dan)对温度(du)的(de)影响较(jiao)大(da)。Bergamini R等(deng)使(shi)用直(zhi)径(jing)Φ100mm、长度500mm的(de)Ti-64圆柱(zhu)坯料(liao)开(kai)展了(le)U形(xing)和(he)T形(xing)两(liang)种截面型(xing)材的挤(ji)压(ya)试(shi)验，试(shi)验采用(yong)不(bu)同(tong)的坯料(liao)预热温度(du)及温(wen)升(sheng)速率，试验(yan)结果如表(biao)1所(suo)示。研究(jiu)发现，不同条(tiao)件下挤(ji)压(ya)的(de)型材(cai)具(ju)有(you)相近(jin)的(de)微观组(zu)织(zhi)，但(dan)是部(bu)分条件(jian)下出(chu)现(xian)了(le)开(kai)裂(lie)现象，开(kai)裂的(de)主(zhu)要原因是U形(xing)截(jie)面(mian)条(tiao)件下(xia)挤压(ya)比(bi)更(geng)大，因此(ci)，材(cai)料变形(xing)速率(lv)更(geng)大(da)，型(xing)材表(biao)面会(hui)有更(geng)多的变(bian)形(xing)热和更严(yan)重的(de)温(wen)度集(ji)中(zhong)，从而(er)导(dao)致表(biao)层(ceng)材(cai)料和芯(xin)部材料(liao)的(de)温度(du)和变形(xing)状态(tai)不一(yi)致(zhi)。为了避(bi)免(mian)在(zai)实(shi)际(ji)生产(chan)中出(chu)现类(lei)似(shi)的缺陷，应该(gai)将(jiang)该(gai)材料(liao)挤(ji)压(ya)时(shi)的(de)最高(gao)温度(du)控(kong)制在(zai)稍(shao)高(gao)于(yu)β相(xiang)转(zhuan)变(bian)温(wen)度(du)。
图(tu)5 钛(tai)合(he)金(jin)型材挤(ji)压主(zhu)要工艺参(can)数(shu)及其(qi)对(dui)制(zhi)品缺陷(xian)形(xing)式(shi)的(de)影(ying)响(xiang)
表(biao)1 不(bu)同(tong)截面(mian)钛(tai)合金(jin)型(xing)材(cai)挤(ji)压(ya)结(jie)果
另外(wai)，钛合金(jin)型材挤压(ya)后的扭(niu)曲或弯(wan)曲(qu)是无法(fa)完(wan)全(quan)避(bi)免的(de)问题，特(te)别(bie)是在薄壁(bi)非对称(cheng)截面钛合金型(xing)材中尤(you)为严(yan)重，扭曲(qu)或(huo)弯曲的产生通(tong)常(chang)是模具结(jie)构(gou)、润滑(hua)条件(jian)和(he)挤压条件等多因素(su)作用(yong)的结果(guo)，其(qi)中(zhong)与模具出(chu)口处的圆(yuan)角(jiao)大小和出(chu)口角(jiao)度关(guan)系最大(da)。Damodaran D等(deng)基(ji)于(yu)DEFORM-2D建立了包(bao)括感(gan)应加(jia)热(re)、坯(pi)料转移(yi)、玻璃润(run)滑(hua)和(he)挤压多(duo)阶段的(de)有限元仿(fang)真模型(xing)，对钛合(he)金型(xing)材(cai)挤(ji)压(ya)工(gong)艺中(zhong)工艺(yi)参(can)数(shu)和模具结(jie)构(gou)对(dui)金(jin)属流(liu)动和扭(niu)曲的(de)影响(xiang)进行(xing)了(le)评估(gu)，如(ru)图(tu)6所示(shi)。
通(tong)过(guo)有(you)限元计(ji)算及分(fen)析(xi)发现(xian)，模(mo)具(ju)结构(gou)对(dui)型材精(jing)度(du)的(de)影(ying)响(xiang)很(hen)大(da)。对模(mo)具(ju)结(jie)构进行(xing)优化，如将一(yi)侧(ce)的模(mo)具(ju)角(jiao)度由(you)90°修改为(wei)75°，可(ke)改变(bian)出口(kou)处型材(cai)的(de)流(liu)动(dong)方向，从而使挤(ji)出(chu)后型材尺寸(cun)更接近(jin)于(yu)理(li)想(xiang)要求(qiu)。最后在(zai)2000t压力机(ji)上(shang)进(jin)行(xing)了(le)试验验(yan)证(zheng)，证(zheng)明了(le)优化方(fang)案(an)的(de)可行(xing)性(xing)。
在(zai)挤(ji)压工(gong)艺(yi)的(de)系(xi)统优化(hua)及理论(lun)研究(jiu)方(fang)面，Shin T等(deng)以(yi)钛(tai)合(he)金(jin)反(fan)向挤(ji)压为例，建立(li)了(le)其(qi)热力(li)耦合(he)的(de)有(you)限(xian)元(yuan)仿真模型，通过(guo)对挤压过(guo)程的全面仿真分析和(he)对比(bi)，建(jian)立了(le)基于(yu)修(xiu)正的Cockroft-Latham断(duan)裂准则工(gong)艺(yi)设(she)计参数(shu)敏感评(ping)估方(fang)法，可(ke)优(you)化工(gong)艺(yi)设(she)计(ji)过程(cheng)，减(jian)少(shao)模(mo)具(ju)和材(cai)料(liao)损(sun)失(shi)。
2、润(run)滑(hua)方式及(ji)润滑(hua)材(cai)料
润滑(hua)问题(ti)是(shi)钛合金热(re)挤(ji)压(ya)技术的一个(ge)难点(dian)，也(ye)是国(guo)内外(wai)研究的热点(dian)。传统(tong)的润滑方式(shi)有(you)润滑(hua)脂(zhi)、金属包(bao)覆等(deng)。但(dan)是(shi)，在(zai)钛(tai)合(he)金型材(cai)的(de)挤压条(tiao)件下(xia)，玻璃(li)润(run)滑剂是一(yi)种(zhong)更为(wei)理想的润(run)滑剂(ji)。玻璃润(run)滑(hua)剂在高温(wen)具有(you)一定的粘(zhan)度和(he)较(jiao)好的(de)绝热(re)效(xiao)果(guo)，挤(ji)压时(shi)可(ke)以(yi)尽可(ke)能(neng)地(di)使接触表面的(de)干摩(mo)擦转变(bian)为边(bian)界摩(mo)擦，从而提(ti)高(gao)制品的表(biao)面质量(liang)，延(yan)长(zhang)工(gong)模(mo)具的(de)使(shi)用(yong)寿(shou)命，而且(qie)由于降(jiang)低(di)了(le)挤(ji)压工(gong)模具(ju)对(dui)金属(shu)链坯的冷却(que)作(zuo)用(yong)，减少(shao)了(le)工(gong)模(mo)具(ju)对金属的摩擦(ca)阻(zu)力，可(ke)使(shi)金属流动的(de)不均匀(yun)性减少(shao)，从而(er)提(ti)高挤(ji)压(ya)制(zhi)品的(de)性能(neng)，但要求玻璃润(run)滑(hua)剂(ji)具有合适(shi)的(de)高(gao)温粘(zhan)度并(bing)随温(wen)度变(bian)化的波(bo)动(dong)较(jiao)小(xiao)。
图6 钛(tai)合金挤压型(xing)材模(mo)具结(jie)构设(she)计(ji)优化
（a）型(xing)材截(jie)面(mian)形状(zhuang) （b）挤压过程(cheng)示(shi)意图(tu) （c）挤压(ya)过程(cheng)详(xiang)细信(xin)息(xi)
玻璃润(run)滑(hua)包括锭(ding)坯预先涂覆防氧(yang)化(hua)玻璃浆(jiang)料、锭坯(pi)表(biao)面(mian)滚(gun)涂(tu)玻(bo)璃(li)粉(fen)和挤(ji)压时(shi)在(zai)挤压模型锭坯之(zhi)间使用(yong)玻(bo)璃垫等(deng)方法。3种(zhong)形(xing)式的(de)材(cai)料在挤(ji)压(ya)工(gong)艺(yi)中的使用(yong)方法(fa)如图(tu)7所示。使(shi)用过(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)主(zhu)要(yao)工(gong)艺参数(shu)或条(tiao)件(jian)包(bao)括涂(tu)覆(fu)层(ceng)厚度、玻璃垫厚(hou)度、玻(bo)璃(li)粉与添(tian)加剂(ji)及(ji)水的(de)配比(bi)等。
图(tu)7 钛合金型材(cai)热(re)挤压(ya)工艺(yi)过(guo)程(cheng)示(shi)意图(tu)
现(xian)有(you)的各种(zhong)玻璃(li)润滑(hua)剂(ji)最(zui)初(chu)并(bing)非针(zhen)对钛合金型材挤(ji)压而(er)研(yan)制(zhi)，与钛(tai)合金型材(cai)挤压工(gong)艺较(jiao)难匹(pi)配，如(ru)外(wai)涂粉(fen)用(yong)玻璃(li)的粘度(du)过(guo)小，与待挤压锭坯表面接(jie)触(chu)时(shi)吸(xi)热过(guo)多，导致锭(ding)坯表(biao)面与(yu)内部温(wen)差过大(da)从(cong)而(er)易(yi)引发(fa)挤(ji)压(ya)时金属紊流(liu)；玻(bo)璃垫用(yong)玻璃(li)的(de)粘度过(guo)大，与(yu)待挤压(ya)坯(pi)料(liao)接(jie)触时不能(neng)迅(xun)速(su)熔(rong)融，易(yi)导致(zhi)坚硬(ying)的玻(bo)璃(li)颗粒(li)随(sui)金(jin)属(shu)进(jin)入(ru)模腔(qiang)嵌(qian)入(ru)金(jin)属表(biao)面(mian)，形成(cheng)压坑和严重(zhong)划(hua)痕(hen)，导致(zhi)表(biao)面(mian)质(zhi)量(liang)不高。
挤(ji)压(ya)工艺(yi)不(bu)仅与挤压(ya)比等工(gong)艺(yi)参(can)数有(you)密切关系(xi)，润(run)滑条(tiao)件也(ye)影响(xiang)挤压(ya)制(zhi)品质(zhi)量。近年来(lai)，北京(jing)天力(li)创(chuang)玻璃科(ke)技(ji)开(kai)发(fa)有(you)限公(gong)司联合北(bei)京有色金(jin)属研(yan)究(jiu)总(zong)院和宝钛(tai)集(ji)团有限公司(si)等单(dan)位开(kai)发(fa)了(le)适(shi)用(yong)于900~1200℃的(de)钛(tai)合金型材(cai)热挤压(ya)专用(yong)玻(bo)璃润滑(hua)剂(ji)，包(bao)括涂(tu)覆锭坯(pi)的防(fang)氧(yang)化(hua)玻(bo)璃涂料(liao)（Txc-15-2）、挤压前滚涂于(yu)锭坯(pi)表(biao)面的(de)外涂粉（TW1150-2）和挤(ji)压时安装于(yu)锭坯(pi)和(he)模具(ju)之(zhi)间(jian)的(de)玻璃垫(dian)（TD1150-55）。
其(qi)中，防氧化玻璃涂(tu)料是(shi)一种(zhong)浆(jiang)料，钛合金(jin)锭(ding)坯进行(xing)车(che)削(xue)或喷砂(sha)清理表(biao)面(mian)后加热至50~200℃，将该(gai)浆料涂(tu)覆于锭(ding)坯表面，干燥(zao)后(hou)即可形成一层粉(fen)料(liao)薄(bao)壳(ke)，然(ran)后(hou)将(jiang)坯料(liao)移(yi)至加热(re)炉(lu)中(zhong)加热(re)。外(wai)涂粉是(shi)一(yi)种(zhong)玻璃细粉，主(zhu)要(yao)成(cheng)分见表2，在挤压前(qian)将(jiang)其(qi)均匀(yun)铺(pu)设(she)在(zai)平(ping)台(tai)上(shang)，夹持保温的(de)钛(tai)合(he)金锭(ding)坯(pi)在铺设(she)有(you)外涂(tu)粉(fen)的(de)工(gong)作平(ping)面(mian)上(shang)滚动1至(zhi)2周(zhou)，使锭(ding)坯(pi)表面(mian)均(jun)匀(yun)沾(zhan)有外涂粉，可(ke)防止坯料表(biao)面温降(jiang)，并(bing)在(zai)后续(xu)挤压时隔(ge)离(li)坯(pi)料(liao)与(yu)挤压筒，起到润(run)滑作用。玻(bo)璃(li)垫(dian)原是(shi)玻璃(li)颗(ke)粒(li)，主要(yao)成分(fen)见表2，根(gen)据锭(ding)坯和(he)挤压模具的尺(chi)寸(cun)，将(jiang)其与粘接剂(ji)（水玻(bo)璃(li)）放(fang)入玻璃垫(dian)制作模(mo)具中(zhong)压实，获得(de)与型(xing)材挤(ji)压(ya)模具(ju)端面尺(chi)寸(cun)匹配(pei)的(de)玻(bo)璃(li)垫(dian)，然后将(jiang)玻(bo)璃垫穿(chuan)过挤(ji)压筒，放置于(yu)挤压(ya)模(mo)具(ju)之(zhi)前，确(que)保玻璃垫与(yu)模具端面(mian)贴合(he)，玻璃垫(dian)在挤(ji)压(ya)过(guo)程中(zhong)可隔离坯(pi)料与模(mo)具(ju)的(de)直(zhi)接接(jie)触(chu)，起(qi)到(dao)润(run)滑和保(bao)护模(mo)具的作(zuo)用。使(shi)用上(shang)述(shu)润(run)滑(hua)方式获(huo)得的(de)钛合金型材挤压(ya)表(biao)面质量(liang)如(ru)图8所(suo)示。
表2 钛(tai)合(he)金(jin)型(xing)材(cai)挤压(ya)专用(yong)玻(bo)璃润(run)滑(hua)材(cai)料(liao)成(cheng)分(fen)（%，质(zhi)量(liang)分(fen)数）
图(tu)8 专用玻(bo)璃润滑(hua)条件下的(de)钛(tai)合金挤(ji)压(ya)型(xing)材(cai)表面质(zhi)量
在如何(he)使用(yong)玻璃垫及(ji)挤压(ya)模(mo)具(ju)设计方面(mian)，陈(chen)由(you)红(hong)等(deng)对挤压(ya)模(mo)具(ju)中(zhong)的(de)挤压模芯(xin)的结(jie)构进(jin)行了(le)优化(hua)设(she)计(ji)，即(ji)在挤(ji)压模芯与坯料接(jie)触(chu)的(de)前端面(mian)上，加(jia)工一内凹的型(xing)腔，用于(yu)放(fang)置玻(bo)璃润滑(hua)垫，通(tong)过(guo)对型腔(qiang)的侧壁(bi)与(yu)挤(ji)压(ya)模芯(xin)前端面(mian)之间(jian)的夹(jia)角α的设(she)计优化(hua)，使玻(bo)璃(li)润(run)滑垫在挤压过程更(geng)好地(di)起(qi)到润滑(hua)作用，如图(tu)9所示(shi)。
图9 钛合(he)金型材挤压(ya)模芯(xin)设(she)计
1.挤压(ya)杆2.挤(ji)压(ya)垫3.坯料4.挤(ji)压筒(tong)5.玻(bo)璃润(run)滑垫(dian)6.挤(ji)压模芯(xin)
3、组织与性能(neng)
钛合金(jin)型材(cai)挤压过程(cheng)中的动态(tai)再结晶(jing)行(xing)为(wei)直(zhi)接影响(xiang)挤(ji)压(ya)后(hou)所获得(de)的(de)显(xian)微(wei)组织状(zhuang)态(tai)，整体要(yao)求型材在(zai)挤(ji)压后(hou)能(neng)获得(de)均(jun)匀(yun)的魏氏(shi)组织，且(qie)晶粒(li)得(de)到(dao)细化，从而保(bao)证良(liang)好的强(qiang)度和(he)塑性(xing)。国外钛挤压型(xing)材在(zai)组(zu)织及力(li)学(xue)性(xing)能(neng)（包括强(qiang)度(du)、伸长(zhang)率(lv)、断(duan)裂韧(ren)性(xing)等）方(fang)面的(de)控制(zhi)方(fang)法已较(jiao)成(cheng)熟，制(zhi)品在(zai)纵向和(he)横(heng)向的(de)力学(xue)性能方(fang)面也(ye)很接近，如图10所(suo)示(shi)。
在微观组织(zhi)方(fang)面(mian)，基(ji)本(ben)保留了(le)β相(xiang)区热加工(gong)组织，形成均(jun)匀的魏(wei)氏(shi)组(zu)织(zhi)，大(da)部分(fen)为等(deng)轴晶(jing)，且(qie)具有相近(jin)的(de)纵横比，如(ru)图11所(suo)示。
图(tu)10 国(guo)外(wai)钛(tai)挤压(ya)型(xing)材(cai)力学(xue)性(xing)能(neng)
国(guo)内(nei)经过多(duo)年(nian)的研究，在(zai)挤压润(run)滑、模(mo)具(ju)设(she)计及矫(jiao)直(zhi)等(deng)关键(jian)技(ji)术(shu)上(shang)有所(suo)突破(po)，但受(shou)限(xian)于(yu)组织和性能(neng)稳定性(xing)等因素的(de)制约(yue)，目(mu)前(qian)市(shi)场上(shang)仍缺(que)少系列(lie)货架(jia)产品供(gong)应(ying)，国(guo)内(nei)对试验阶段获得的(de)钛合(he)金(jin)型材及管材(cai)的(de)微观(guan)组织(zhi)和性(xing)能(neng)及其(qi)影(ying)响因素(su)尚(shang)处于(yu)探(tan)索研究(jiu)阶段，尚未(wei)形成相关(guan)国(guo)家(jia)或(huo)行(xing)业标准(zhun)。
目前主要(yao)研(yan)究的(de)影响(xiang)因素包括(kuo)挤压(ya)温(wen)度(du)、挤(ji)压(ya)比(bi)及(ji)挤压后(hou)的(de)热处(chu)理(li)工艺(yi)等。针(zhen)对Ti-6Al-4V（TC4）合金(jin)，在β相(xiang)变(bian)点(dian)以上60~200℃挤(ji)压后，钛(tai)合(he)金型材的显(xian)微(wei)组织为(wei)魏氏(shi)组织；当挤压(ya)比λ数值到(dao)达一(yi)定程(cheng)度(du)时(shi)，继(ji)续(xu)提高挤(ji)压比难以(yi)促(cu)使(shi)晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)的(de)进(jin)一步(bu)细化；挤压后的双重(zhong)热处(chu)理有利(li)于提高(gao)型(xing)材的(de)屈(qu)服(fu)强度，但(dan)在750℃以(yi)下(xia)、加(jia)热总时间(jian)3h之内(nei)，热(re)处理(li)温(wen)度、保温时(shi)间及热处理(li)次(ci)数(shu)对钛合金(jin)型材(cai)的显(xian)微组织(zhi)几乎(hu)无(wu)影(ying)响。整(zheng)体(ti)上而言，目(mu)前研(yan)究的(de)TC4挤(ji)压(ya)型材(cai)在(zai)抗(kang)拉强(qiang)度、屈服(fu)强(qiang)度(du)和伸长率(lv)等方(fang)面(mian)表现(xian)良好(hao)，能够满(man)足(zu)航(hang)天(tian)长(zhang)桁用型材(cai)的要求。在(zai)β相(xiang)变点(dian)以下挤(ji)压(ya)TC4管(guan)材(cai)时，显微(wei)组织也(ye)可得(de)到(dao)细(xi)化，并发(fa)生动(dong)态(tai)再结(jie)晶(jing)。管(guan)材(cai)横向外壁(bi)晶粒细小(xiao)，内(nei)壁(bi)晶粒(li)稍大；纵向(xiang)头部、中(zhong)部和尾(wei)部的(de)组(zu)织基本(ben)一致(zhi)，所(suo)得管材(cai)具(ju)有较(jiao)高的(de)力(li)学性(xing)能且一(yi)致性(xing)较好(hao)。
图11 国(guo)外钛(tai)合金挤压型材金相组织(zhi)（Ti-6Al-4V ELI）
（a）横向(xiang) （b）纵(zong)向
TA15在相变点(dian)以上(shang)70~120℃、挤压比为76.1~84.6条(tiao)件下挤压(ya)后(hou)可获得性(xing)能(neng)稳(wen)定的型材制品，制品(pin)内有(you)较(jiao)大(da)的β晶粒(li)，转(zhuan)变(bian)组织(zhi)中(zhong)的(de)α相呈(cheng)细条状(zhuang)形(xing)貌(mao)特征(zheng)。TA15管材在(zai)不(bu)同(tong)温度(du)条件(jian)下挤(ji)压后(hou)的高(gao)温力(li)学性(xing)能(neng)差异明显(xian)。采用(yong)β相(xiang)区(qu)挤压的(de)TA15合金管材片层状(zhuang)组织(zhi)的(de)高温(wen)力(li)学(xue)性(xing)能较(jiao)两相区(qu)双态(tai)组(zu)织高(gao)。Gr.38钛合(he)金管(guan)材热(re)挤(ji)压(ya)时(shi)也发生了动态恢(hui)复和再结晶，随(sui)着(zhe)挤压温(wen)度(du)、挤压(ya)比或挤压速度(du)的提(ti)高，α相(xiang)的含(han)量降低(di)，初(chu)生α相(xiang)再结晶更充分，从扭(niu)曲(qu)拉长的(de)形(xing)态逐(zhu)步(bu)转变为球状(zhuang)，同(tong)时合(he)金的(de)强(qiang)度(du)略微下(xia)降(jiang)，塑性略(lve)微(wei)上(shang)升。
4、结(jie)论与展望(wang)
受限于国(guo)内钛合(he)金(jin)型材(cai)精(jing)密挤(ji)压技(ji)术(shu)的发展(zhan)，目(mu)前钛曲(qu)率(lv)构件(jian)在(zai)新(xin)型(xing)飞(fei)机(ji)上的应(ying)用(yong)无法大幅(fu)提高(gao)。因此(ci)，为了(le)保(bao)障我(wo)国(guo)自(zi)主航空航(hang)天飞(fei)行器（包括(kuo)军(jun)机、大(da)型民(min)用飞机(ji)、大型火箭及新一代(dai)高(gao)性能飞(fei)行(xing)器(qi)等）的钛(tai)合(he)金(jin)型材(cai)供应，提升上(shang)述(shu)装(zhuang)备的性能，结(jie)合国(guo)内外(wai)最(zui)新挤压(ya)研究(jiu)成果(guo)，作者认(ren)为必(bi)须(xu)从(cong)以下(xia)几(ji)方面(mian)进(jin)一步发(fa)展钛合(he)金(jin)型材(cai)的精(jing)密挤压(ya)技(ji)术。
（1）加(jia)强有(you)限(xian)元数(shu)值(zhi)模拟(ni)的应用(yong)。钛合金型材(cai)制(zhi)造企(qi)业应与(yu)高校(xiao)联(lian)合，突(tu)破(po)有限(xian)元仿真计算中(zhong)的关(guan)键技术(shu)，对(dui)挤压过(guo)程(cheng)进(jin)行(xing)更(geng)加(jia)准确(que)高效的有(you)限元仿真(zhen)，提前预测(ce)型(xing)材截(jie)面(mian)扭曲(qu)或畸变(bian)、尺(chi)寸精度、开裂甚至材料微观(guan)组织(zhi)演变(bian)等规律，结合材料(liao)塑(su)性(xing)成(cheng)形(xing)理(li)论，优(you)化挤压(ya)工(gong)艺(yi)参数，提(ti)高(gao)型(xing)材(cai)质(zhi)量(liang)和稳(wen)定(ding)性，从而(er)缩短(duan)工(gong)艺(yi)设计周(zhou)期，降(jiang)低(di)制(zhi)造(zao)成本(ben)。
（2）更(geng)加系统深入(ru)地(di)研(yan)究(jiu)润滑(hua)剂及(ji)其性能(neng)。研(yan)究(jiu)适(shi)合(he)于不(bu)同挤(ji)压(ya)条(tiao)件(jian)下(xia)的(de)润(run)滑剂(ji)，是提(ti)高钛(tai)挤压型(xing)材产品(pin)竞争(zheng)力的关(guan)键(jian)。玻璃润(run)滑剂开(kai)发(fa)企业(ye)应与(yu)高(gao)校或研究(jiu)所等(deng)加(jia)强联(lian)合，研究(jiu)不同种类的(de)高(gao)性(xing)能(neng)润滑(hua)剂及其(qi)性能，研(yan)制系(xi)列(lie)产品(pin)。建(jian)立考虑润(run)滑剂性(xing)能(neng)的(de)钛(tai)合金型材精(jing)密挤压(ya)有(you)限(xian)元(yuan)仿真(zhen)模(mo)型，对挤(ji)压过程(cheng)和产(chan)品质量(liang)进行更加(jia)深(shen)入和系(xi)统(tong)的(de)研究(jiu)。
（3）整合钛合(he)金型材(cai)应(ying)用(yong)的上下(xia)游(you)开(kai)发(fa)大截面(mian)钛(tai)合金(jin)型(xing)材(cai)应用新领(ling)域(yu)。结合(he)钛挤压型(xing)材(cai)的应(ying)用需求，整合钛合(he)金型(xing)材(cai)的(de)挤(ji)压、焊接(jie)和(he)热成(cheng)形等(deng)工艺过程(cheng)，从提高材料(liao)利(li)用率(lv)、减少(shao)制(zhi)造工(gong)序等方面入(ru)手，发展钛合金(jin)型材及带(dai)筋钛合(he)金型材(cai)热(re)拉(la)弯蠕变复(fu)合(he)成形(xing)工(gong)艺(yi)技(ji)术，实现钛(tai)合(he)金(jin)曲(qu)率(lv)构(gou)件(jian)的(de)绿色(se)低(di)成(cheng)本(ben)制(zhi)造(zao)，提高钛合金(jin)在航空等领域(yu)的(de)应(ying)用水(shui)平(ping)。
相(xiang)关(guan)链接
