鈦比一般金屬輕，具有強度高、韌性強、耐酸堿性、抗腐蝕性、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，是現(xiàn)代宇宙航空科學、海洋科學和核能發(fā)電等尖端科學工業(yè)所不可缺少的材料。軋環(huán)機具有成型過程短、幾何精度高、內(nèi)部組織均勻、金屬流線分布完整等優(yōu)點。環(huán)軋是生產(chǎn)大型薄壁件的理想加工方法。
本文中大型薄壁鈦環(huán)的成型方法主要采用鍛造制坯和軋環(huán)機軋制配合的方法生產(chǎn)。鍛造及軋制工藝參數(shù)對鈦的組織和性能有明顯的影響。
1、鍛件規(guī)格
鈦環(huán)鍛件尺寸見圖1。
2、制造難點
該鈦鍛件的鍛造生產(chǎn)流程為：下料->鐓粗、沖孔->擴孔、平整高度->粗車->軋環(huán)出成品->鍛后熱處理。在生產(chǎn)中的主要難點如下：
(1)在鍛造時表面易產(chǎn)生裂紋。鈦的導(dǎo)熱性能差，高溫下易惡化其變形性能，鈦在高溫下與氧親和力極強，氧通過不斷向鈦基體擴散在基體內(nèi)部形成一硬脆層，易在鍛造時產(chǎn)生裂紋。
(2)成型需要多火次加熱，晶粒易粗大。由鈦錠開坯到軋制出成品，需要多次的變形，難以控制鍛件晶粒度及性能要求。
(3)大型薄壁鈦環(huán)易產(chǎn)生軋制缺陷。該鍛件壁厚較薄，高度較大，已達到我公司軋環(huán)機軋制極限，易造成軋環(huán)件尺寸的不穩(wěn)定性。
3、制坯工藝參數(shù)確定及分析
(1)制坯加熱工藝
由于鈦加熱時容易吸收氧、氫和氮，使其塑性降低、性能變壞，所以，在加熱前將鈦圓坯表層涂加防氧化涂料。鈦的導(dǎo)熱性差，需進行分段加熱，從室溫以40℃/h緩慢升至750℃并根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)計算保溫時間。為防止在高溫下鈦相變的脆性轉(zhuǎn)變需快速升溫，加熱以70℃/h速度進行升溫至變形溫度。工業(yè)純鈦的相轉(zhuǎn)變溫度為900~995℃，在β相區(qū)變形應(yīng)變速率高時，發(fā)生不連續(xù)屈服，應(yīng)變速率低時會產(chǎn)生大晶粒超塑性變形現(xiàn)象，在α+β相區(qū)變形會使得兩相晶粒相互制約，利于鍛件成形。變形溫度低于850℃時容易產(chǎn)生裂紋，故選擇在兩相區(qū)進行加熱，加熱溫度控制在995℃以下，選擇溫度為980℃，終鍛溫度控制在850℃以上。
(2)水壓機制坯
制坯前要對所有冶金輔具進行預(yù)熱，以防坯料降溫太快影響制坯效果。水壓機制坯時坯料尺寸的確定主要依據(jù)后期的軋制成形的可行性。根據(jù)德國THYSSEN-WAGNER公司的軋制公式、體積不變原理以及長期積累的設(shè)計經(jīng)驗來設(shè)計鈦環(huán)的最佳環(huán)坯幾何尺寸。其中WAGNER軋制公式為：
△h=f(△s，h，s，c) (1)
式中，h為環(huán)高；s為環(huán)壁厚；△h為高度壓下量；△s為壁厚壓下量；c為修正系數(shù)。
在制坯時為充分打碎鑄態(tài)組織，需對鈦圓坯料進行充分變形，純鈦在高溫下的軟化性較強，為防止沖孔過程中內(nèi)孔出現(xiàn)折疊，鈦環(huán)制坯時采用鐓低拔高的方法進行成形。鐓粗沖孔250mm，預(yù)擴內(nèi)孔至φ450mm、外圓φ945mm，將坯料精擴內(nèi)圓至φ800mm、平整高度730mm。制坯完成后冷卻至室溫。
4、軋制工藝參數(shù)確定及分析
工業(yè)純鈦屬于難鍛材料，在鍛造過程中極易產(chǎn)生裂紋，并且氧化性強，一旦產(chǎn)生裂紋只能冷卻至室溫后磨削去除裂紋。為了鈦環(huán)成品幾何尺寸及表面質(zhì)量一次符合要求，對環(huán)坯進行粗加工，清理表面缺陷，特殊情況下進行倒角和切坡口。
(1)軋制加熱參數(shù)
將粗車完成后的鈦環(huán)坯料表層涂加防氧化涂料并進行加熱。軋制過程是一個連續(xù)的線接觸過程，成形速度快，變形能會使得鈦環(huán)鍛件溫度升高。鈦環(huán)的導(dǎo)熱性差，溫度升高超過相變區(qū)域，結(jié)合純鈦的相變溫度以及在軋制時環(huán)件溫度較高會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶行為，因此為了確保鈦不在β相區(qū)進行軋制，應(yīng)使加熱溫度低于相變溫度，加熱均熱段溫度設(shè)定為880~900℃，鍛造溫度控制在850~900℃。
(2)軋制成形
軋制過程中速度較大，可以細化晶粒，但也會產(chǎn)生大量的變形熱，使得坯料溫度升高，增加動態(tài)再結(jié)晶行為的可能性。環(huán)件溫度過高，容易粗晶，過低則容易產(chǎn)生裂紋。因此，需要合理制定軋制工藝參數(shù)。軋制工藝參數(shù)制定的重點是軋制曲線的設(shè)計。該環(huán)件屬典型的簿壁筒形環(huán)，選用筒形環(huán)軋制曲線，如圖2所示。
初軋階段進給較慢，主要消除環(huán)坯橢圓和壁厚差，軋制力和長大速度緩慢上升。主軋階段實現(xiàn)快速穩(wěn)定軋制，軋制速度定為(5~7)mm/s及定心力10％~15％，隨著環(huán)剛性的下降軋制力相應(yīng)下降。減速成圓階段定心力最終減小至5％以下，以保證消除橢圓、波浪等缺陷。軋制進給曲線如圖3所示。
軋制成品表面均勻光滑，無肉眼可見缺陷，圓度較好。軋制完成后鍛件收縮在預(yù)定的1.007之內(nèi)，顯示橢圓5mm，滿足要求。
5、鈦環(huán)的鍛后熱處理
軋制完成后需對環(huán)鍛件進行消除應(yīng)力退火處理。退火工藝如圖4所示。
經(jīng)過熱處理后的鈦環(huán)鍛件，經(jīng)本體取樣，晶粒度符合要求。
6、結(jié)論
(1)通過水壓機制坯-軋環(huán)機成型工序成功生產(chǎn)了外徑2297mm、壁厚68mm的大型薄壁鈦環(huán)。
(2)通過對工業(yè)純鈦TA1的相變和鍛造過程進行分析，制定了合適的加熱溫度、鍛造溫度以及鍛后熱處理工藝，從而有效控制了成型后晶粒度，其中制坯鍛造溫度控制在850～980℃，軋環(huán)鍛造溫度控制在850～900℃。
(3)根據(jù)薄壁環(huán)件易產(chǎn)生橢圓、波浪等特性，初軋速度較慢、主軋快速穩(wěn)定的軋制進給曲線設(shè)計是鍛件合格的關(guān)鍵。同時鍛件制坯尺寸的確定也至關(guān)重要，該鍛件制坯參數(shù)的選擇符合軋環(huán)機軋制要求。
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