钛比一般(ban)金(jin)属轻(qing)，具有(you)强度(du)高、韧(ren)性(xing)强(qiang)、耐(nai)酸(suan)碱(jian)性(xing)、抗腐(fu)蚀性(xing)、稳定性(xing)高(gao)等优(you)点，是现(xian)代宇(yu)宙(zhou)航(hang)空(kong)科(ke)学、海(hai)洋科学(xue)和(he)核(he)能发(fa)电等(deng)尖(jian)端科学工(gong)业所(suo)不可缺(que)少(shao)的(de)材料(liao)。轧环机(ji)具有(you)成型(xing)过(guo)程(cheng)短、几(ji)何(he)精度(du)高(gao)、内部(bu)组(zu)织(zhi)均(jun)匀、金(jin)属流(liu)线(xian)分(fen)布完整等(deng)优(you)点(dian)。环轧(ya)是生产大型薄壁件的(de)首选加(jia)工(gong)方法。
本文(wen)中(zhong)大(da)型(xing)薄(bao)壁(bi)钛环(huan)的(de)成(cheng)型方法(fa)主要采(cai)用锻(duan)造制坯和(he)轧环机轧(ya)制(zhi)配合(he)的方(fang)法生产(chan)。锻造及轧制(zhi)工艺参数(shu)对(dui)钛的(de)组织(zhi)和(he)性能(neng)有明显的影(ying)响(xiang)。
1、锻件(jian)规(gui)格(ge)
钛(tai)环(huan)锻件尺寸(cun)见图(tu)1。
2、制(zhi)造难(nan)点(dian)
该钛锻(duan)件(jian)的(de)锻(duan)造(zao)生(sheng)产(chan)流(liu)程为：下(xia)料(liao)->镦(dui)粗(cu)、冲(chong)孔(kong)->扩(kuo)孔、平整高(gao)度->粗(cu)车->轧环(huan)出成品(pin)->锻后(hou)热处理。在生(sheng)产(chan)中(zhong)的主(zhu)要难(nan)点(dian)如下(xia)：
(1)在锻(duan)造时(shi)表(biao)面易(yi)产生裂(lie)纹(wen)。钛(tai)的导(dao)热(re)性能(neng)差，高(gao)温(wen)下易(yi)恶化其变形(xing)性能(neng)，钛(tai)在(zai)高温(wen)下与氧(yang)亲(qin)和(he)力(li)极强，氧(yang)通过不断(duan)向钛基(ji)体扩散(san)在(zai)基体内部(bu)形成一硬脆层，易在锻造时产生裂纹(wen)。
(2)成型(xing)需要(yao)多(duo)火次(ci)加(jia)热(re)，晶粒(li)易粗(cu)大。由(you)钛锭开坯(pi)到轧制(zhi)出成(cheng)品(pin)，需(xu)要多(duo)次的变形(xing)，难(nan)以控制(zhi)锻件(jian)晶粒(li)度(du)及(ji)性(xing)能要(yao)求(qiu)。
(3)大型(xing)薄(bao)壁钛(tai)环易产生(sheng)轧(ya)制(zhi)缺陷(xian)。该(gai)锻件壁厚(hou)较(jiao)薄，高度较(jiao)大，已达(da)到(dao)我公司(si)轧环(huan)机(ji)轧(ya)制(zhi)极限(xian)，易造(zao)成轧(ya)环件(jian)尺寸的(de)不稳定(ding)性。
3、制坯工(gong)艺(yi)参(can)数确定及分(fen)析
(1)制(zhi)坯(pi)加热工艺(yi)
由(you)于(yu)钛(tai)加(jia)热(re)时容易(yi)吸(xi)收(shou)氧、氢(qing)和氮，使其塑性降(jiang)低、性(xing)能(neng)变坏，所以(yi)，在(zai)加(jia)热前将(jiang)钛(tai)圆(yuan)坯(pi)表(biao)层(ceng)涂(tu)加(jia)防氧化(hua)涂料(liao)。钛(tai)的(de)导(dao)热(re)性(xing)差(cha)，需(xu)进(jin)行(xing)分(fen)段(duan)加(jia)热，从(cong)室温以(yi)40℃/h缓慢升至(zhi)750℃并根(gen)据导热系数计算保温(wen)时间。为(wei)防止在高温(wen)下钛相(xiang)变(bian)的(de)脆性(xing)转(zhuan)变需快(kuai)速(su)升温(wen)，加(jia)热(re)以(yi)70℃/h速(su)度进(jin)行(xing)升(sheng)温(wen)至(zhi)变(bian)形温(wen)度(du)。工(gong)业(ye)纯钛的相(xiang)转(zhuan)变(bian)温度(du)为900~995℃，在(zai)β相区(qu)变形(xing)应变速率高(gao)时，发(fa)生不连(lian)续屈服(fu)，应变速率低(di)时会产生大(da)晶(jing)粒(li)超塑(su)性变形现(xian)象，在(zai)α+β相区变(bian)形(xing)会使(shi)得两相(xiang)晶粒(li)相(xiang)互(hu)制约，利(li)于(yu)锻(duan)件(jian)成形。变形温(wen)度低于850℃时(shi)容(rong)易产(chan)生裂纹，故选择在两相(xiang)区进(jin)行(xing)加热(re)，加热(re)温度控制在995℃以下，选择温度为(wei)980℃，终(zhong)锻(duan)温度控(kong)制在850℃以(yi)上。
(2)水(shui)压机制坯(pi)
制坯(pi)前要对所有冶(ye)金辅(fu)具进(jin)行预(yu)热，以防坯料降(jiang)温太快(kuai)影响(xiang)制坯效(xiao)果(guo)。水压机(ji)制坯时坯料尺(chi)寸(cun)的(de)确定主要(yao)依(yi)据(ju)后(hou)期的(de)轧制成形的(de)可(ke)行(xing)性。根据德国THYSSEN-WAGNER公司(si)的轧制公(gong)式(shi)、体积(ji)不(bu)变原理以及长(zhang)期积(ji)累的(de)设(she)计(ji)经(jing)验(yan)来设(she)计(ji)钛(tai)环(huan)的最(zui)佳(jia)环(huan)坯(pi)几(ji)何(he)尺(chi)寸。其(qi)中(zhong)WAGNER轧制(zhi)公(gong)式为(wei)：
△h=f(△s，h，s，c) (1)
式中，h为环高(gao)；s为环(huan)壁(bi)厚；△h为(wei)高(gao)度压下(xia)量(liang)；△s为(wei)壁厚压下量；c为(wei)修(xiu)正(zheng)系数。
在制坯时(shi)为(wei)充(chong)分打碎铸(zhu)态组织，需(xu)对(dui)钛(tai)圆(yuan)坯料进行(xing)充(chong)分变(bian)形，纯(chun)钛(tai)在高温(wen)下的(de)软化(hua)性(xing)较强，为(wei)防止(zhi)冲孔(kong)过(guo)程中(zhong)内孔出(chu)现(xian)折(zhe)叠(die)，钛(tai)环(huan)制坯时采用镦(dui)低拔高(gao)的(de)方法(fa)进行(xing)成形。镦粗冲孔(kong)250mm，预扩内(nei)孔至φ450mm、外(wai)圆φ945mm，将坯料(liao)精扩(kuo)内圆(yuan)至φ800mm、平整高(gao)度(du)730mm。制(zhi)坯完(wan)成后(hou)冷却至室温(wen)。
4、轧制(zhi)工艺参(can)数确(que)定及(ji)分析(xi)
工(gong)业纯(chun)钛(tai)属于(yu)难锻(duan)材料(liao)，在(zai)锻造过程中极(ji)易(yi)产生裂纹，并且(qie)氧化(hua)性(xing)强(qiang)，一(yi)旦(dan)产生裂纹只能(neng)冷却至(zhi)室(shi)温后(hou)磨削(xue)去除(chu)裂(lie)纹(wen)。为(wei)了(le)钛(tai)环成(cheng)品几(ji)何(he)尺(chi)寸及表(biao)面质(zhi)量(liang)一(yi)次(ci)符合(he)要(yao)求(qiu)，对环坯进(jin)行(xing)粗(cu)加(jia)工(gong)，清(qing)理(li)表面(mian)缺陷(xian)，特(te)殊情(qing)况下(xia)进行倒(dao)角(jiao)和切(qie)坡口(kou)。
(1)轧制(zhi)加(jia)热参数(shu)
将粗车完成后的钛(tai)环(huan)坯料表(biao)层涂加(jia)防氧(yang)化(hua)涂(tu)料(liao)并进(jin)行加(jia)热(re)。轧(ya)制(zhi)过程(cheng)是一(yi)个(ge)连(lian)续(xu)的线接触(chu)过(guo)程，成(cheng)形(xing)速度快，变(bian)形(xing)能会(hui)使(shi)得钛(tai)环锻件(jian)温(wen)度升高。钛(tai)环(huan)的导(dao)热(re)性(xing)差，温(wen)度升(sheng)高(gao)超过(guo)相(xiang)变区域(yu)，结(jie)合(he)纯(chun)钛的(de)相(xiang)变(bian)温(wen)度(du)以及在轧制(zhi)时环(huan)件温度较(jiao)高(gao)会(hui)发(fa)生动态再(zai)结(jie)晶(jing)行(xing)为，因此(ci)为(wei)了确保(bao)钛不在β相(xiang)区(qu)进(jin)行(xing)轧制，应(ying)使加(jia)热(re)温度(du)低于相(xiang)变(bian)温度(du)，加热(re)均热(re)段(duan)温度(du)设(she)定为(wei)880~900℃，锻(duan)造(zao)温(wen)度(du)控制(zhi)在850~900℃。
(2)轧(ya)制成形(xing)
轧制(zhi)过(guo)程中(zhong)速(su)度(du)较(jiao)大(da)，可以细化(hua)晶粒(li)，但(dan)也(ye)会产(chan)生(sheng)大(da)量的变(bian)形(xing)热(re)，使得(de)坯料温(wen)度升高，增(zeng)加(jia)动态(tai)再结(jie)晶(jing)行(xing)为(wei)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)。环(huan)件温(wen)度过高，容(rong)易粗晶，过(guo)低则(ze)容(rong)易(yi)产(chan)生(sheng)裂纹(wen)。因此(ci)，需(xu)要合(he)理制(zhi)定(ding)轧(ya)制工(gong)艺参(can)数。轧(ya)制(zhi)工(gong)艺(yi)参数制(zhi)定(ding)的(de)重(zhong)点是(shi)轧制曲(qu)线的设计(ji)。该环件(jian)属(shu)典(dian)型的簿壁筒(tong)形环(huan)，选用(yong)筒(tong)形环(huan)轧制曲线，如图(tu)2所(suo)示。
初轧阶(jie)段进(jin)给较慢(man)，主要(yao)消除环坯椭圆(yuan)和(he)壁(bi)厚(hou)差(cha)，轧制(zhi)力和(he)长(zhang)大(da)速度缓慢(man)上(shang)升(sheng)。主轧(ya)阶段(duan)实现(xian)快(kuai)速(su)稳(wen)定(ding)轧制，轧制(zhi)速度定为(5~7)mm/s及定心力10％~15％，随(sui)着(zhe)环(huan)刚性的下(xia)降轧(ya)制(zhi)力相应(ying)下降。减(jian)速(su)成圆阶(jie)段(duan)定心(xin)力(li)最终(zhong)减(jian)小至(zhi)5％以下，以保证(zheng)消除(chu)椭圆(yuan)、波(bo)浪(lang)等(deng)缺陷。轧(ya)制进给(gei)曲(qu)线(xian)如图3所(suo)示。
轧(ya)制(zhi)成品表面均匀(yun)光滑(hua)，无肉(rou)眼可见缺(que)陷，圆(yuan)度较(jiao)好。轧制完(wan)成后锻件(jian)收(shou)缩在预(yu)定的(de)1.007之(zhi)内(nei)，显(xian)示(shi)椭圆5mm，满(man)足要(yao)求。
5、钛(tai)环(huan)的锻(duan)后热(re)处理
轧(ya)制完成(cheng)后需(xu)对(dui)环(huan)锻件进(jin)行消除应(ying)力退(tui)火(huo)处理(li)。退火工艺(yi)如图4所(suo)示(shi)。
经(jing)过(guo)热处理(li)后的钛环锻件，经本(ben)体取(qu)样(yang)，晶(jing)粒度符合要(yao)求(qiu)。
6、结论
(1)通过水压(ya)机制坯-轧(ya)环(huan)机成型(xing)工(gong)序(xu)成(cheng)功(gong)生(sheng)产了外径2297mm、壁(bi)厚(hou)68mm的大型(xing)薄壁钛环(huan)。
(2)通(tong)过(guo)对工(gong)业(ye)纯钛(tai)TA1的相变和(he)锻造过程进(jin)行(xing)分析(xi)，制(zhi)定(ding)了(le)合(he)适的加(jia)热(re)温度(du)、锻(duan)造温(wen)度以(yi)及锻(duan)后(hou)热处理(li)工(gong)艺，从而有效控制(zhi)了(le)成(cheng)型后晶粒(li)度(du)，其(qi)中制坯锻造(zao)温(wen)度控(kong)制在(zai)850～980℃，轧(ya)环锻造温度(du)控制在850～900℃。
(3)根据薄壁(bi)环件易(yi)产(chan)生(sheng)椭圆(yuan)、波浪等特(te)性(xing)，初(chu)轧速度较(jiao)慢、主(zhu)轧快(kuai)速稳(wen)定的轧(ya)制进(jin)给曲线设计是(shi)锻(duan)件合(he)格的关键(jian)。同(tong)时锻件(jian)制(zhi)坯(pi)尺寸的(de)确定(ding)也至关重(zhong)要(yao)，该(gai)锻(duan)件(jian)制坯(pi)参数(shu)的(de)选择(ze)符(fu)合(he)轧环机轧(ya)制(zhi)要求(qiu)。
参考文献
[1]糜丹(dan)青(qing)．钛(tai)的(de)锻(duan)造[J]．钛工业(ye)进(jin)展，1996(6)：14—17．
[2]王(wang)震(zhen)，洪权，赵(zhao)永(yong)庆(qing)．钛合(he)金热变(bian)形行(xing)为(wei)研究[J]．钛(tai)工业(ye)进展(zhan)，2010，27(3)：12一(yi)17．
[3]李东(dong)，赵(zhao)永(yong)庆．钛合金(jin)晶粒细(xi)化(hua)研(yan)制进(jin)展(zhan)[J]．材料(liao)导报(bao)，2005，19(11)：421—42．
[4] 陈(chen)洪(hong)，王雷刚(gang)，钱喜根(gen)，吴(wu)君(jun)三(san)，范(fan)禹(yu)．大(da)型(xing)环件轧制(zhi)时(shi)偏(pian)心现(xian)象(xiang)研(yan)究(jiu)[J]．大型(xing)铸锻(duan)件(jian)，2012，6(11)：17—21．
相(xiang)关(guan)链(lian)接(jie)
