钛合金锻造工艺

一、锻造前的准备

• 1. 坯料选择与制备

• 坯料来源：通常采用真空电弧重熔（VAR）或电子束冷床熔炼（EBCHM）生产的铸锭，经初步锻造（开坯）制成棒材或板材。
• 坯料尺寸：根据零件形状和锻造比（变形前后截面积比）确定，锻造比一般为 3~8（航空零件要求更高）。

2. 加热工艺

• 加热设备：使用电阻炉或感应炉，需严格控制温度均匀性（±5℃以内）。
• 加热温度范围：
  • α+β 型钛合金（如 Ti-6Al-4V）：在 α+β 两相区（约 900~950℃）加热，避免晶粒粗大；
  • β 型钛合金：在 β 相区（高于相变点，如 Ti-10V-2Fe-3Al 为 800~850℃）加热，提高塑性。
• 保温时间：根据坯料尺寸计算（通常为 1~2min/mm 厚度），确保心部温度均匀。

二、锻造工艺分类

1. 自由锻

• 适用场景：生产简单形状的坯料（如圆棒、方坯）或大型零件的预成形。
• 设备：空气锤、摩擦压力机或液压机。
• 关键参数：
  • 变形速度：中低速（避免因变形热导致晶粒长大）；
  • 单次压下量：控制在 20%~50%，逐步达到目标尺寸。

2. 模锻

• 适用场景：制造形状复杂、精度高的零件（如航空叶片、发动机盘件）。
• 模具材料：
  • 中温锻造（≤950℃）：采用 H13 热作模具钢；
  • 高温锻造（≥1000℃）：使用镍基合金（如 Inconel 718）或钼基合金。
• 工艺类型：
  • 开式模锻：模具不完全闭合，金属在分型面处形成飞边，适合形状简单零件；
  • 闭式模锻：无飞边，材料利用率高，但对模具精度要求高，适合精密零件。

3. 等温锻造

• 原理：将模具和坯料加热至同一温度（接近 β 相变点），在极低变形速度（0.001~0.1mm/s）下锻造，减少变形抗力。
• 优势：
  • 可加工难变形的高强度钛合金（如 Ti-17、Ti-5553）；
  • 获得均匀细小的晶粒组织，提高零件疲劳性能。
• 局限性：生产效率低，成本高，适合小批量、高附加值零件。

三、锻造过程控制

1. 变形温度控制

• 始锻温度：比加热温度低 20~50℃，确保锻造初期金属塑性良好；
• 终锻温度：α+β 型合金不低于 850℃，β 型合金不低于 750℃，避免因温度过低导致裂纹。

2. 变形速度控制

• 自由锻：通常为 0.1~1m/s；
• 模锻：0.5~5m/s；
• 等温锻造：≤0.01m/s（通过液压机精确控制）。

3. 润滑与脱模

• 润滑剂：
  • 高温锻造（≥900℃）：使用玻璃润滑剂（如硼硅酸盐玻璃），兼具润滑和抗氧化作用；
  • 中温锻造：石墨基润滑剂或氮化硼（BN）涂层。
• 脱模：锻造后快速冷却模具，利用热胀冷缩原理辅助脱模，必要时使用脱模剂。

四、锻造后的处理

1. 热处理

• 退火：消除应力，改善韧性，工艺为 650~750℃保温 1~4h，空冷；
• 固溶时效（针对 α+β 型合金）：例如 Ti-6Al-4V 在 950℃固溶 30min，水冷后在 550℃时效 4h，提高强度；
• β 热处理：加热至 β 相区（如 1000℃）保温后空冷，细化晶粒，改善疲劳性能。

2. 机加工与检测

• 余量控制：锻造后需留 3~5mm 加工余量，通过切削加工达到最终尺寸精度；
• 无损检测：采用超声波探伤（UT）、X 射线检测（RT）检查内部缺陷；
• 金相分析：检测晶粒尺寸和相组成，确保符合标准（如 ASTM E1245）。

五、常见缺陷与预防措施