安徽钛合金锻造方法与缺陷预防

2019-11-18 15:40:30
安徽钛合金锻造

  锻造变形是保证钛合金材料获得理想组织与性能的最主要手段,但是不正确的锻造工艺往往会使钛合金产品出现一些不理想的组织和冶金缺陷,从而恶化其力学性能,给钛合金产品的正常使用造成潜在危害,同时给生产及使用厂家造成大量浪费。那么,接下来我们就来了解关于钛合金锻造方法与缺陷预防。

  【安徽钛合金锻造方法】

  1、自由锻

  自由锻一般是在没有模腔的两个平模或型模之间进行的。自由锻使用的工具形状简单、灵活性大、制造周期短、成本低。但是,劳动强度大、操作困难,生产率低,锻件的质量不高、加工余量大。因此,它仅适于对制件性能没有特殊要求,且件数不多的情况下采用。对于大型锻件,自由锻主要作为制坯工序。自由锻制坯工序,可把坯料锻成阶梯型棒料,或者用墩粗或压扁的方法把坯料制成圆饼形、矩形等简单形状。

  2、开式模锻(有毛边模锻)

  坯料在两块刻有模腔的模块间变形,锻件被限制在模腔内部,多余的金属从两块模具之间窄缝中流出,在锻件四周形成毛边。在模具和四周毛边阻力作用下,金属被迫压成模腔的形状。

  3、闭式模锻(无毛边模锻)

  闭式模锻过程中,没有与模具运动方向垂直的横向毛边形成。闭式锻模的模腔有两个作用:它的一部分用来给毛坯成形,另一部分则用来导向。

  4、挤压模锻

  利用挤压法模锻,有正挤模锻和反挤模锻两种。挤压模锻可以制造各种空心和实心制件。可以获得几何尺寸精度高、内部组织更致密的锻件。

  5、多向模锻

  在多向模锻机上进行。多向模锻机除了有垂直冲孔注塞之外,还有两个水平柱塞,它的顶出器也可以用来冲孔,该顶出器的压力比普通液压机的顶出器的压力要大。多向模锻时,滑块从垂直和水平两个方向交替联合地作用到工件上,用一个或多个穿孔冲头使金属从模腔中心向外流动,以达到充满模腔的目的。在桶形件的分模线上没有特殊锻件的毛边。

  6、分部模锻

  为了能在现有的液压上锻出大型整体锻件,可采用分段模锻、垫板模锻等分部模锻法。分模法的特点是对锻件逐段加工,每次加工一个部位,因此所需设备吨位可以很小。一般说来,采用这种方法可以在中型液压机上加工出特大锻件。

  7、等温模锻

  锻造前,把模具加热到毛坯的锻造温度,并且在整个模锻过程中模具和毛坯温度保持一致,这样可以在小变形力的作用下获得大变形量。等温模锻和等温超塑模锻很相似,所不同的是,后者在模锻前,毛坯需经过超塑处理,使之具有细小等轴晶粒。

  【安徽钛合金锻造缺陷预防】

  1. 热效应

  小规格钛合金锻件,在相变点(α+β/β转变温度)以上变形获得网篮组织或魏氏组织,塑性、疲劳性能差,所以绝大多数钛合金产品技术标准中要求近α 型、α +β 型双相钛合金成品,显微组织一般是综合性能较好的等轴组织或双态组织,所以近α型、α+β型双相钛合金成品锻造一般选择在相变点以下30~60℃加热锻造。

  大量研究及工程实践证明,随着锻造加热温度的升高,双相钛合金显微组织中初生α等轴的含量明显降低,而α板条含量显著增加。也就是说双相钛合金在相变点以下加热时,随着加热温度升高,组织中初生α等轴逐步向β相转变,从而导致加热锻造后的钛合金显微组织中初生α等轴含量降低、形态变小,α板条含量增多,当加热锻造温度超过钛合金相变点之后,双相钛合金组织中的初生α等轴全部消失,为板条状网篮组织或魏氏组织。

  钛合金在锤上锻造过程中,由于瞬时变形速率大(锤上变形7~9m/s)、打击频率高,造成合金内部流动应力过大,消耗大量机械能短时间内转化为内部热量,由于坯料心部变形较周围大且散热条件差,致使坯料内部温度升高、变形程度中心区域温度接近,甚至超过合金相变点,导致最终坯料中心显微组织中初生α等轴急剧减少,甚至全部消失,过热严重时组织转变为性能非常差的魏氏组织。以上典型两种双相钛合金经过锤上锻造后,其显微组织中的初生α等轴含量急剧减少,α板条含量相应增加,显微组织由理想的等轴组织转变为较差的魏氏组织,主要原因就是钛合金在瞬时剧烈变形过程中产生过热现象造成的。

  小规格钛合金在锻造变形中,一般情况下中心部位是剧烈变形区,所以中心是温升最高的区域,将中心部位温升情况作为制订锻造工艺的主要依据。采用锻造速度较快的锻锤锻造钛合金时,必须考虑锻造过程中的中心热效应,不能连续重击坯料。钛合金锻造在有条件的情况下建议采用压力机或快锻机,该类锻造设备打击速度低,锻造过程中坯料瞬时应变速率较低,产生的变形热不是非常明显,同时有足够时间进行变形热扩散,不会导致瞬时心部温度明显增高。

  2. 组织不均

  小规格锻件,经锻造后网篮组织中存在一定的大块状α相(俗称粗大α块)。这种粗大α块又称大白块,与网篮组织中细小的正常α条相比,在形态上表现为粗大、不均匀,由晶界向晶内生长,很少出现交错现象,其晶界面比较粗糙,凹凸不平,而正常α条的晶界面比较平滑。

  研究证明,这种粗大α块的显微硬度要比正常α条低约10%,致使合金塑性与热稳定性能下降,影响了锻件质量,所以必须防止在钛合金中出现这种不均匀组织。

  钛合金在熔炼凝固过程中,由于各类合金元素的平衡分配系数≠1,致使后凝固的晶界处有α稳定元素富集与偏析,所以在其富集处α相首先析出,并沿晶界向晶内生长,从而形成了粗大α块,微区成分偏析是产生这种不均匀组织的根本原因。

  微区成分结晶偏析是由于平衡分配系数k0>1或k0<1造成的,合金先后结晶区域溶质浓度不同形成的偏析很难完全避免,但可用适当措施加以控制。一方面通过改进优化铸锭熔炼工艺参数加以控制,另一方面通过适当的锻造工艺加以改善消除。锻造工艺方面,首先在其铸锭开坯锻造时,采用适当的高温均匀化处理,对于铸锭柱状组织区域的微观晶内枝晶偏析通过均匀化退火或变形再结晶改善和消除;其次在合金坯料及成品模锻过程中采用适当的锻后冷却方式加以控制,抑制其显微组织中出现粗大α块。

  亚β 锻后采用快冷(水冷或油冷)可明显减轻或抑制粗大α块出现,加快冷却速度、增加过冷度,可提高α相形核率,尽管局部区域存在合金元素偏聚,具备生长粗大α块的条件,但α相还没来得及长大与兼并,整个组织的相变过程已经结束了,控制冷速可以显著改变析出α相形态与分布规律。锻后水冷或油冷将锻造产生的晶体缺陷(位错、亚晶)和位错密度增加的变形组织全部或部分固定到室温,为随后热处理过程中再结晶增加了大量的结晶核心,在随后热处理时,β相的析出机制由空冷条件下的感生形核机制变为独立形核方式,得到细小、混乱、交织的条状初生α和次生α,这种组织可以显著提高合金的综合性能。

  3. 空洞

  钛、铝合金等金属材料在进行大应变(如超塑成形)时易诱发疏松,出现空洞甚至发生断裂。在高应变率下,钛合金的流变应力较静态下显著增加,但塑性显著降低;随着应变率增加,流变应力应变增加,但存在一个临界应变率,超过临界值,材料将发生断裂;当应变率达到临界值时,材料中产生绝热剪切带,并在带中形成微空洞,在外加应力作用下,空洞逐步聚集长大甚至形成微裂纹。微空洞总是沿剪切变带形成,这是因为在局域化变形中, 剪切带内变形剧烈从而温度较高,使带内材料软化,成为裂纹、空洞等缺陷产生的理想场所。

  研究表明,金属材料塑性变形过程中伴随着组织形态的变化,主要有晶粒长大、等轴晶拉长、晶粒转动和滑动、位错增殖、动态回复和再结晶及空洞形核和长大等。晶界滑移是塑性变形的主要机制,晶界滑移会引起局部应力集中,阻碍晶界滑移的进一步发生,当应力集中无法借助位错运动消除时,空洞就会形核,继而发生长大。空洞优先在三角晶界处形核,随着变形量增加,空洞开始长大,且空洞并非以等轴状态长大,而是以椭圆形的方式长大。空洞易向平行拉应力分享的晶界扩散,从而在拉应力方向形成定向的空位流,不断向空洞中心聚集,使空洞得以沿平行于拉伸方向长大。

  4. 总结

  目前钛合金中常见的锻造缺陷主要有组织过热及不均、空洞、裂纹等,这些缺陷一般在钛合金产品显微组织检查或超声波检测中很易发现,主要是在钛合金产品锻造过程中工艺参数控制不当形成的,所以在锻造过程中需依据不同特性的钛合金材料选择合适的变形速率(锻造设备)、加热锻造温度、道次变形量及锻后冷却速度。

  【安徽钛合金锻造厂家】

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