鈦合金型材精密擠壓技術國內外研究現(xiàn)狀

鈦合金材料在擠壓工藝條件下可獲得理想的微觀組織和力學性能。近年來鈦合金擠壓型材在航空航天領域的用量日益增多，其主要背景有：以新一代大型飛機為代表的先進航空航天器為了減輕重量、提高經(jīng)濟性，大量采用碳纖維復合材料蒙皮壁板，如波音787大型客機復合材料用量占結構材料總重量近50%，鈦與碳纖維復合材料在強度、剛度和熱特性等方面匹配良好，能獲得很好的減重效果；同時，由于兩者的電位接近，不易產生電偶腐蝕，而鋁合金與復合材料容易產生電偶腐蝕現(xiàn)象，從而影響機體結構壽命。因此，與復合材料相連接的金屬承力骨架大量采用鈦合金型材構件，如圖1所示。

針對飛機鈦合金型材骨架結構零件，傳統(tǒng)制造方法采用鍛造毛坯+數(shù)控加工+增量熱壓彎+熱校形的復雜制造工藝流程，該工藝流程數(shù)控加工量很大，材料利用率極低（僅3.5%~10%），據(jù)統(tǒng)計單架飛機浪費的鈦合金材料價值達數(shù)百萬美元以上，因此材料及數(shù)控加工成本很高；而且由于工藝過程復雜，制造過程中非均勻變形導致零件殘余應力大，需制造專用復雜工裝對零件進行熱校形，導致工裝成本極高。采用鈦合金擠壓型材為坯料，結合線性摩擦焊及熱拉彎等先進工藝技術，可在實現(xiàn)減重和獲得良好結構剛度的前提下大大提高材料利用率、減少制造工序，從而降低制造成本。綜上所述，鈦合金擠壓型材在航空航天領域將具有非常廣闊的應用前景。

圖1 大型客機鈦合金的應用及發(fā)展趨勢

（a）波音公司客機鈦合金用量 （b）艙門骨架結構中的鈦合金型材

美國ATI公司對航空領域使用的鈦合金擠壓型材進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)目前航空領域所用鈦擠壓型材的截面面積分布情況如圖2所示，可以看出，大部分為中小截面積的擠壓型材。

圖2 航空用鈦合金擠壓型材截面分布情況

然而，由于鈦在室溫條件下為密排六方晶體結構，強度高、變形困難，因此鈦合金型材的擠壓工藝必須在高溫條件下進行。與鋁合金等其它有色金屬的擠壓相比，鈦合金的擠壓更為困難，主要原因有：

（1）鈦是一種高活性金屬，其在擠壓過程中如果溫度、擠壓速度、潤滑條件或模具結構不合理，則極易引起鈦與模具的粘結，從而導致型材表面出現(xiàn)溝槽等缺陷；

（2）由于鈦的導熱性差，熱擠壓時坯料表層與中心易產生較大溫差，促使金屬流動不均勻性加劇，表層易產生較大的附加拉應力，在制品表面易形成裂紋，嚴重時可能產生中心縮孔；

（3）薄壁鈦合金型材擠壓后容易出現(xiàn)截面畸變和扭曲等缺陷，后續(xù)校直困難；

（4）擠壓鈦合金時熱效應顯著，不合適的擠壓工藝對組織和性能的控制有不利影響。

圖3 鈦合金擠壓型材的缺陷

（a）扭曲 （b）表面溝槽

國外航空制造大國在鈦合金型材的研發(fā)中要求科研人員首先要解決的問題就是開發(fā)鈦合金型材熱擠壓工藝，為迅速發(fā)展的航空技術提供各種各樣的型材；同時希望擠壓的型材盡可能地接近成品零件，盡量減少機械加工量，特別是發(fā)動機隔框使用的鈦合金薄壁型材、翼翅型材、空心型材、大型型材和壁板等。目前，美國和俄羅斯采用擠壓法生產的鈦合金型材已經(jīng)在飛機和艦艇上廣泛應用，并形成了較為完備的擠壓鈦合金型材生產工藝標準體系和質量控制標準體系。國際市場上供應鈦擠壓型材的公司主要有美國RTI國際金屬公司、ATI公司以及俄羅斯VSMPO-AVISMA公司等。

近年來，國內的寶鈦公司針對航空航天先進裝備制造中對鈦合金型材的迫切需求，開展了鈦合金型材的擠壓技術研究，突破了多項關鍵技術，實現(xiàn)了小批量生產，但在質量和生產穩(wěn)定性等方面與美國和俄羅斯等國相比仍存在一些差距。本文通過對國內外目前公開發(fā)表的鈦合金型材擠壓工藝研究和產品開發(fā)技術現(xiàn)狀進行總結和分析，為促進我國鈦合金型材精密擠壓技術的發(fā)展提供啟示。

1、擠壓工藝及參數(shù)優(yōu)化

鈦合金型材的擠壓及其制品的全流程制造工藝包括二次真空電弧重熔、擠壓錠坯的制備、型材的擠壓、型材的熱成型或機加工以及后續(xù)熱處理和噴涂等工序，如圖4所示。

圖4 鈦合金型材擠壓及其制品全工藝流程示意圖

擠壓過程不僅與材料的性能關系密切，而且擠壓變形形式、溫度、擠壓比、擠壓速度、潤滑條件以及模具結構等眾多工藝條件對擠壓過程的影響重大，各因素對制品的質量影響關系復雜，如圖5所示。確定擠壓工藝時要求在保持模具有滿意壽命的條件下制定正確的參數(shù)和流程，即要求預熱溫度、擠壓比、擠壓速度及潤滑方式等多方面的配合。

傳統(tǒng)設計鈦合金型材擠壓工藝的方式為根據(jù)經(jīng)驗公式及設計人員的工作經(jīng)驗，采用逐步試錯的方法來達到尺寸和組織性能等各方面的要求，這個過程需要很長的時間，且需消耗大量的原材料。據(jù)統(tǒng)計，開展一次全方位的試驗所需鈦合金超過400kg。隨著有限元仿真技術的發(fā)展，越來越多的科研人員對鈦合金擠壓工藝進行了有限元數(shù)值模擬研究，以分析擠壓過程中各工藝參數(shù)的影響規(guī)律、優(yōu)化工藝參數(shù)、縮短工藝設計時間，部分學者還對擠壓過程的微觀組織進行了模擬，并將模擬獲得的應力應變場、溫度場與顯微組織及顯微硬度分布實驗結果進行對比，獲得了較為豐富的試驗數(shù)據(jù)。魏慧慧等、Li L等及婁燕通過有限元分析研究發(fā)現(xiàn)，坯料的溫升隨擠壓速度、摩擦因子、擠壓比以及模具預熱溫度的增大而增大，最高可達160℃以上。

Mirahmadi S J等綜合研究各工藝參數(shù)后發(fā)現(xiàn)影響溫度和擠壓力最大的因素是擠壓速度，其次是模具和坯料的預熱溫度；模具角度對擠壓力的影響較小，但對溫度的影響較大。Bergamini R等使用直徑Φ100mm、長度500mm的Ti-64圓柱坯料開展了U形和T形兩種截面型材的擠壓試驗，試驗采用不同的坯料預熱溫度及溫升速率，試驗結果如表1所示。研究發(fā)現(xiàn)，不同條件下擠壓的型材具有相近的微觀組織，但是部分條件下出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象，開裂的主要原因是U形截面條件下擠壓比更大，因此，材料變形速率更大，型材表面會有更多的變形熱和更嚴重的溫度集中，從而導致表層材料和芯部材料的溫度和變形狀態(tài)不一致。為了避免在實際生產中出現(xiàn)類似的缺陷，應該將該材料擠壓時的最高溫度控制在稍高于β相轉變溫度。

圖5 鈦合金型材擠壓主要工藝參數(shù)及其對制品缺陷形式的影響

表1 不同截面鈦合金型材擠壓結果

另外，鈦合金型材擠壓后的扭曲或彎曲是無法完全避免的問題，特別是在薄壁非對稱截面鈦合金型材中尤為嚴重，扭曲或彎曲的產生通常是模具結構、潤滑條件和擠壓條件等多因素作用的結果，其中與模具出口處的圓角大小和出口角度關系最大。Damodaran D等基于DEFORM-2D建立了包括感應加熱、坯料轉移、玻璃潤滑和擠壓多階段的有限元仿真模型，對鈦合金型材擠壓工藝中工藝參數(shù)和模具結構對金屬流動和扭曲的影響進行了評估，如圖6所示。

通過有限元計算及分析發(fā)現(xiàn)，模具結構對型材精度的影響很大。對模具結構進行優(yōu)化，如將一側的模具角度由90°修改為75°，可改變出口處型材的流動方向，從而使擠出后型材尺寸更接近于理想要求。最后在2000t壓力機上進行了試驗驗證，證明了優(yōu)化方案的可行性。

在擠壓工藝的系統(tǒng)優(yōu)化及理論研究方面，Shin T等以鈦合金反向擠壓為例，建立了其熱力耦合的有限元仿真模型，通過對擠壓過程的全面仿真分析和對比，建立了基于修正的Cockroft-Latham斷裂準則工藝設計參數(shù)敏感評估方法，可優(yōu)化工藝設計過程，減少模具和材料損失。

2、潤滑方式及潤滑材料

潤滑問題是鈦合金熱擠壓技術的一個難點，也是國內外研究的熱點。傳統(tǒng)的潤滑方式有潤滑脂、金屬包覆等。但是，在鈦合金型材的擠壓條件下，玻璃潤滑劑是一種更為理想的潤滑劑。玻璃潤滑劑在高溫具有一定的粘度和較好的絕熱效果，擠壓時可以盡可能地使接觸表面的干摩擦轉變?yōu)檫吔缒Σ粒瑥亩岣咧破返谋砻尜|量，延長工模具的使用壽命，而且由于降低了擠壓工模具對金屬鏈坯的冷卻作用，減少了工模具對金屬的摩擦阻力，可使金屬流動的不均勻性減少，從而提高擠壓制品的性能，但要求玻璃潤滑劑具有合適的高溫粘度并隨溫度變化的波動較小。

圖6 鈦合金擠壓型材模具結構設計優(yōu)化

（a）型材截面形狀 （b）擠壓過程示意圖 （c）擠壓過程詳細信息

玻璃潤滑包括錠坯預先涂覆防氧化玻璃漿料、錠坯表面滾涂玻璃粉和擠壓時在擠壓模型錠坯之間使用玻璃墊等方法。3種形式的材料在擠壓工藝中的使用方法如圖7所示。使用過程中的主要工藝參數(shù)或條件包括涂覆層厚度、玻璃墊厚度、玻璃粉與添加劑及水的配比等。

圖7 鈦合金型材熱擠壓工藝過程示意圖

現(xiàn)有的各種玻璃潤滑劑最初并非針對鈦合金型材擠壓而研制，與鈦合金型材擠壓工藝較難匹配，如外涂粉用玻璃的粘度過小，與待擠壓錠坯表面接觸時吸熱過多，導致錠坯表面與內部溫差過大從而易引發(fā)擠壓時金屬紊流；玻璃墊用玻璃的粘度過大，與待擠壓坯料接觸時不能迅速熔融，易導致堅硬的玻璃顆粒隨金屬進入模腔嵌入金屬表面，形成壓坑和嚴重劃痕，導致表面質量不高。

擠壓工藝不僅與擠壓比等工藝參數(shù)有密切關系，潤滑條件也影響擠壓制品質量。近年來，北京天力創(chuàng)玻璃科技開發(fā)有限公司聯(lián)合北京有色金屬研究總院和寶鈦集團有限公司等單位開發(fā)了適用于900~1200℃的鈦合金型材熱擠壓專用玻璃潤滑劑，包括涂覆錠坯的防氧化玻璃涂料（Txc-15-2）、擠壓前滾涂于錠坯表面的外涂粉（TW1150-2）和擠壓時安裝于錠坯和模具之間的玻璃墊（TD1150-55）。

其中，防氧化玻璃涂料是一種漿料，鈦合金錠坯進行車削或噴砂清理表面后加熱至50~200℃，將該漿料涂覆于錠坯表面，干燥后即可形成一層粉料薄殼，然后將坯料移至加熱爐中加熱。外涂粉是一種玻璃細粉，主要成分見表2，在擠壓前將其均勻鋪設在平臺上，夾持保溫的鈦合金錠坯在鋪設有外涂粉的工作平面上滾動1至2周，使錠坯表面均勻沾有外涂粉，可防止坯料表面溫降，并在后續(xù)擠壓時隔離坯料與擠壓筒，起到潤滑作用。玻璃墊原是玻璃顆粒，主要成分見表2，根據(jù)錠坯和擠壓模具的尺寸，將其與粘接劑（水玻璃）放入玻璃墊制作模具中壓實，獲得與型材擠壓模具端面尺寸匹配的玻璃墊，然后將玻璃墊穿過擠壓筒，放置于擠壓模具之前，確保玻璃墊與模具端面貼合，玻璃墊在擠壓過程中可隔離坯料與模具的直接接觸，起到潤滑和保護模具的作用。使用上述潤滑方式獲得的鈦合金型材擠壓表面質量如圖8所示。

表2 鈦合金型材擠壓專用玻璃潤滑材料成分（%，質量分數(shù)）

圖8 專用玻璃潤滑條件下的鈦合金擠壓型材表面質量

在如何使用玻璃墊及擠壓模具設計方面，陳由紅等對擠壓模具中的擠壓模芯的結構進行了優(yōu)化設計，即在擠壓模芯與坯料接觸的前端面上，加工一內凹的型腔，用于放置玻璃潤滑墊，通過對型腔的側壁與擠壓模芯前端面之間的夾角α的設計優(yōu)化，使玻璃潤滑墊在擠壓過程更好地起到潤滑作用，如圖9所示。

圖9 鈦合金型材擠壓模芯設計

1.擠壓桿2.擠壓墊3.坯料4.擠壓筒5.玻璃潤滑墊6.擠壓模芯

3、組織與性能

鈦合金型材擠壓過程中的動態(tài)再結晶行為直接影響擠壓后所獲得的顯微組織狀態(tài)，整體要求型材在擠壓后能獲得均勻的魏氏組織，且晶粒得到細化，從而保證良好的強度和塑性。國外鈦擠壓型材在組織及力學性能（包括強度、伸長率、斷裂韌性等）方面的控制方法已較成熟，制品在縱向和橫向的力學性能方面也很接近，如圖10所示。

在微觀組織方面，基本保留了β相區(qū)熱加工組織，形成均勻的魏氏組織，大部分為等軸晶，且具有相近的縱橫比，如圖11所示。

圖10 國外鈦擠壓型材力學性能

國內經(jīng)過多年的研究，在擠壓潤滑、模具設計及矯直等關鍵技術上有所突破，但受限于組織和性能穩(wěn)定性等因素的制約，目前市場上仍缺少系列貨架產品供應，國內對試驗階段獲得的鈦合金型材及管材的微觀組織和性能及其影響因素尚處于探索研究階段，尚未形成相關國家或行業(yè)標準。

目前主要研究的影響因素包括擠壓溫度、擠壓比及擠壓后的熱處理工藝等。針對Ti-6Al-4V（TC4）合金，在β相變點以上60~200℃擠壓后，鈦合金型材的顯微組織為魏氏組織；當擠壓比λ數(shù)值到達一定程度時，繼續(xù)提高擠壓比難以促使晶粒尺寸的進一步細化；擠壓后的雙重熱處理有利于提高型材的屈服強度，但在750℃以下、加熱總時間3h之內，熱處理溫度、保溫時間及熱處理次數(shù)對鈦合金型材的顯微組織幾乎無影響。整體上而言，目前研究的TC4擠壓型材在抗拉強度、屈服強度和伸長率等方面表現(xiàn)良好，能夠滿足航天長桁用型材的要求。在β相變點以下擠壓TC4管材時，顯微組織也可得到細化，并發(fā)生動態(tài)再結晶。管材橫向外壁晶粒細小，內壁晶粒稍大；縱向頭部、中部和尾部的組織基本一致，所得管材具有較高的力學性能且一致性較好。

圖11 國外鈦合金擠壓型材金相組織（Ti-6Al-4V ELI）

（a）橫向 （b）縱向

TA15在相變點以上70~120℃、擠壓比為76.1~84.6條件下擠壓后可獲得性能穩(wěn)定的型材制品，制品內有較大的β晶粒，轉變組織中的α相呈細條狀形貌特征。TA15管材在不同溫度條件下擠壓后的高溫力學性能差異明顯。采用β相區(qū)擠壓的TA15合金管材片層狀組織的高溫力學性能較兩相區(qū)雙態(tài)組織高。Gr.38鈦合金管材熱擠壓時也發(fā)生了動態(tài)恢復和再結晶，隨著擠壓溫度、擠壓比或擠壓速度的提高，α相的含量降低，初生α相再結晶更充分，從扭曲拉長的形態(tài)逐步轉變?yōu)榍驙睿瑫r合金的強度略微下降，塑性略微上升。

4、結論與展望

受限于國內鈦合金型材精密擠壓技術的發(fā)展，目前鈦曲率構件在新型飛機上的應用無法大幅提高。因此，為了保障我國自主航空航天飛行器（包括軍機、大型民用飛機、大型火箭及新一代高性能飛行器等）的鈦合金型材供應，提升上述裝備的性能，結合國內外最新擠壓研究成果，作者認為必須從以下幾方面進一步發(fā)展鈦合金型材的精密擠壓技術。

（1）加強有限元數(shù)值模擬的應用。鈦合金型材制造企業(yè)應與高校聯(lián)合，突破有限元仿真計算中的關鍵技術，對擠壓過程進行更加準確高效的有限元仿真，提前預測型材截面扭曲或畸變、尺寸精度、開裂甚至材料微觀組織演變等規(guī)律，結合材料塑性成形理論，優(yōu)化擠壓工藝參數(shù)，提高型材質量和穩(wěn)定性，從而縮短工藝設計周期，降低制造成本。

（2）更加系統(tǒng)深入地研究潤滑劑及其性能。研究適合于不同擠壓條件下的潤滑劑，是提高鈦擠壓型材產品競爭力的關鍵。玻璃潤滑劑開發(fā)企業(yè)應與高校或研究所等加強聯(lián)合，研究不同種類的高性能潤滑劑及其性能，研制系列產品。建立考慮潤滑劑性能的鈦合金型材精密擠壓有限元仿真模型，對擠壓過程和產品質量進行更加深入和系統(tǒng)的研究。

（3）整合鈦合金型材應用的上下游開發(fā)大截面鈦合金型材應用新領域。結合鈦擠壓型材的應用需求，整合鈦合金型材的擠壓、焊接和熱成形等工藝過程，從提高材料利用率、減少制造工序等方面入手，發(fā)展鈦合金型材及帶筋鈦合金型材熱拉彎蠕變復合成形工藝技術，實現(xiàn)鈦合金曲率構件的綠色低成本制造，提高鈦合金在航空等領域的應用水平。