文/郭鴻鎮(zhèn)·西北工業(yè)大學(xué)

等溫鍛造在有色金屬鍛件精化方面的魅力

文/郭鴻鎮(zhèn)·西北工業(yè)大學(xué)

等溫鍛造技術(shù)的研究始于20世紀(jì)50年代，六十年代中期至七十年代初，美國和前蘇聯(lián)進(jìn)行了較多的研究和應(yīng)用。我國對等溫鍛造技術(shù)的研究起步較晚，但近年的發(fā)展速度很快，已建成630～10000t等溫模鍛專用液壓機(jī)多臺，并正在建造20000t級的專用壓力機(jī)組，涉及到的等溫鍛造原材料包括各種鈦合金、高溫合金、粉末高溫合金、鋁合金、鎂合金、金屬間化合物、金屬基復(fù)合材料等，研制的等溫鍛件種類包括盤類、軸類、葉片、中小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件及大型整體結(jié)構(gòu)件等。

等溫鍛造是一種先進(jìn)的熱加工工藝，其可以使鈦合金等難變形材料在恒定的變形溫度下，以低的變形速率和少的鍛造火次成形出形狀復(fù)雜的接近零件形狀的精密鍛件。采用等溫精鍛件可節(jié)約大量貴重原材料，減少機(jī)械加工工時，是實現(xiàn)難變形材料關(guān)鍵鍛件大型化、整體化、精密化及高性能化的一條重要技術(shù)途徑。特別在難變形材料鍛件精化、高性能化方面具有普通模鍛難于替代的地位。

材料的超塑性

在等溫變形工藝條件下，難變形材料往往呈現(xiàn)出一定的或較好的超塑性。研究這些合金的超塑性，對采用超塑性等溫成形方法制造復(fù)雜形狀精密鍛件具有重要意義。

材料晶粒組織對超塑性影響很大。一般說來，晶粒越細(xì)小均勻，等軸性越好，超塑性越好。圖1a為采用鍛造＋熱處理工藝制備的Ti-1023合金的顯微組織（方案1），圖1b為采用粉末冶金＋鍛造變形制備的Ti-1023合金的顯微組織（方案2），方案2的顯微組織顯著均勻、細(xì)小，α相的球化程度更好，因而其超塑性拉伸曲線顯著高于方案1。如圖2所示，平均延伸率A值高達(dá)1269％，最佳延伸率數(shù)據(jù)為1422％，分別高于方案1的845％和1087％，在720～820℃較寬溫度范圍內(nèi)均具有很好的超塑性。說明Ti-1023合金經(jīng)粉末燒結(jié)＋等溫鍛細(xì)晶化后具有很好的超塑性潛力，也說明粉末冶金是非常有效的鈦合金細(xì)晶組織制備方法。對于超塑性來說晶界滑移是必不可少的，所以，實現(xiàn)晶粒細(xì)化并在較高溫度下阻止晶粒粗化便成了關(guān)鍵的組織結(jié)構(gòu)條件。晶粒愈細(xì)，單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)目愈多，愈有利于晶界滑移，超塑性變形潛力越大。

圖1 Ti-1023合金的顯微組織

材料在超塑性變形前，必須晶粒細(xì)化或超細(xì)化、等軸化，晶粒超細(xì)化的程度要達(dá)到（0.5～5）μm，一般不超過10μm，但部分合金在粗晶狀態(tài)下也可呈現(xiàn)一定的超塑性。圖3為兩種不同晶粒尺寸的粗晶LC4鋁合金的超塑性拉伸曲線，方案1為改鍛＋退火工藝制備的合金，晶粒尺寸約為50～200μm；方案2為熱軋棒材經(jīng)400℃退火后的合金，晶粒尺寸相對較小，約為30～100μm，故方案2超塑性拉伸曲線高于方案1，在410～450℃溫度范圍內(nèi)具有超塑性，430℃時延伸率達(dá)到140％。方案1在410～470℃溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)有超塑性，430℃時延伸率達(dá)到124％。圖4a、b分別為方案1試樣在430℃超塑性拉伸前、后試樣的顯微組織，可以看出，超塑性拉伸后斷口附近的顯微組織較超塑性拉伸前明顯細(xì)化。說明LC4合金在超塑性變形過程中發(fā)生有動態(tài)再結(jié)晶細(xì)化現(xiàn)象。表明當(dāng)原材料中的晶?；蜉^粗大、或不等軸、或不同大小及形狀共存時，在超塑性變形中會產(chǎn)生一定的細(xì)化、等軸化或組織均勻化過程。這正是粗晶LC4合金可呈現(xiàn)出一定超塑性的原因。

圖2 Ti-1023合金的超塑性拉伸曲線

圖3 粗晶LC4鋁合金的超塑性拉伸曲線

鈦合金復(fù)雜鍛件精密成形

由筋和腹板組成的超薄異形鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)鍛件，其斷面形狀常呈現(xiàn)為H、U、Z、T及十字形等。這類產(chǎn)品由于筋窄且高、腹板薄而寬及形狀非對稱，若采用自由鍛造或普通模鍛方法制造，其材料利用率一般低于10％，90％以上的昂貴材料變?yōu)榍行?，機(jī)加工周期無法滿足批量生產(chǎn)的需求。為了解決這類復(fù)雜鍛件的精密體積成形問題，并獲得最佳力學(xué)性能，鍛件成形工藝的較佳選擇是等溫或超塑性精密模鍛。

本人所在課題組通過大量的應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)研究、計算機(jī)模擬和現(xiàn)場技術(shù)攻關(guān)，研究并掌握了鈦合金超薄異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等溫超塑性精密鍛造技術(shù)，并用該項技術(shù)試制成功了Ti-1023合金典型等溫精鍛件，如圖5所示，該件外廓尺寸為350mm×160mm。

工藝特點

上述超塑性等溫精鍛在等溫鍛專用液壓機(jī)上進(jìn)行，設(shè)備通過計算機(jī)控制，采用（1.6～ 8.33）×10－4/s的應(yīng)變速率，以保證坯料處于良好的超塑性狀態(tài)。鍛件成形載荷450t，小于普通模鍛件成形載荷的1/10。模具主體采用鑄造及變形高溫合金制造，加熱采用電阻加熱裝置。采用2～3火次閉式成形方案，中間火次對鍛件進(jìn)行吹砂、打磨、修傷和拋光，以保證鍛件良好成形，不產(chǎn)生缺陷，并提高表面質(zhì)量。

圖4 LC4鋁合金方案1試樣的顯微組織

圖5 Ti-1023合金超薄異形等溫精鍛件

成形特點

圖5超薄異形復(fù)雜鍛件經(jīng)檢測，尺寸和形狀均符合圖紙要求，超聲波探傷合格，經(jīng)拋光及化銑后表面無α脆化層，無折疊、回流、凹陷和穿筋等缺陷，鍛件充填飽滿，外形清晰，成形質(zhì)量很好，并達(dá)到了高精度成形的技術(shù)效果，具體如下：

⑴該精鍛件最小腹板厚度2.5mm，最小筋寬2.5mm，最小圓角半徑1.5mm，外出模斜度0°，內(nèi)出模斜度1.5°，尺寸公差±0.3mm。

⑵鍛件非加工面占到70％以上，表面粗糙度Ra在0.4～0.8μm間，少量配合面留加工余量1～3mm。

⑶精鍛件質(zhì)量由原鋼自由鍛件的122kg和普通鈦模鍛件的15.5kg下降到1.9kg，材料利用率分別由1.98％和9.1％提高到74.2％。

⑷機(jī)加工量和自由鍛件、普通模鍛件相比減少90％以上，機(jī)加工周期從45天縮短為5天。

⑸流線沿精鍛件外形合理分布，高、低倍組織均勻細(xì)小，力學(xué)性能一次性滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，見表1，并顯著優(yōu)于自由鍛件和模鍛件，解決了普通Ti-1023模鍛件以往強(qiáng)度偏低、需要重復(fù)熱處理等生產(chǎn)瓶頸問題。

⑹以鈦合金精鍛件代替鋼結(jié)構(gòu)件，零件可減重40％以上。

該項技術(shù)使我國鈦合金等溫結(jié)構(gòu)鍛件的精度水平得到了大幅度提高。

經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)鍛造廠和用戶的生產(chǎn)實踐表明，圖5精鍛件可獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益：

⑴單件原材料的投料減少約18kg，節(jié)約費用1.8萬元（1000元/kg）。

⑵單件比普通模鍛件少切削13.6kg的鈦合金，按數(shù)控機(jī)床切削鈦框零件1kg需7.23h計，可節(jié)省102工時，約2.244萬元（220元/每工時）。

⑶精鍛件生產(chǎn)可顯著減少火次，大幅度降低設(shè)備噸位，避免重復(fù)熱處理，因而可減少動力費、生產(chǎn)設(shè)備折舊費、熱處理費、節(jié)省刀具費用和工人工資支出等輔助費用，可按鍛件價格的10％估算。

等溫鍛造模具費用雖然比較昂貴，但當(dāng)達(dá)到一定生產(chǎn)批量時，就可獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

鋁合金復(fù)雜鍛件精密成形

國內(nèi)對鋁合金等溫成形技術(shù)進(jìn)行了較多的研究，少數(shù)已用于大、中型復(fù)雜鍛件的制造，例如飛機(jī)整體框架、起落架外筒等，多數(shù)用于小型復(fù)雜鍛件的成形。本人所在課題組曾研究小型復(fù)雜鋁合金鍛件的等溫成形工藝，為工廠采用新工藝生產(chǎn)鋁合金鍛件提供了技術(shù)支持。研制成功的某LC4鋁合金接頭精鍛件如圖6所示。

精鍛件在315t四柱液壓機(jī)上等溫成形，設(shè)備橫梁速度為0.5～2mm/s。模具為5CrMnMo圓形整體式模具，模具加熱采用整體式電阻加熱爐。潤滑劑采用水基石墨?？紤]到鍛件形狀非常復(fù)雜，采用較精確制坯加三火等溫成形的工藝。

圖6 LC4鋁合金接頭等溫精鍛件

表1 Ti-1023合金等溫精鍛件的室溫力學(xué)性能

成形特點及效益

圖6精鍛件輪廓尺寸為191mm×123mm×83mm，質(zhì)量為0.93kg，鍛件四周（外側(cè)）無模鍛斜度，內(nèi)腔僅有1.5°的拔模斜度，最小圓角半徑2mm，典型筋寬5mm，筋的最大高寬比為12。鍛件底部為雙曲面形狀，鍛件沿長度方向形狀差異很大，尤其大頭兩側(cè)的凸耳給成形帶來了很大困難。鍛件成形后，僅需在內(nèi)腔頂部鉆孔，小頭桿部中心銑削一通槽，其余大部分為非加工面。鍛件原材料為φ75mm×100mm的擠壓棒材，質(zhì)量為1.07kg，材料利用率高達(dá)87％。

原接頭零件選用φ120mm×245mm擠壓棒材，質(zhì)量為7.8kg，自由鍛成200mm×132mm×97mm的矩形毛坯經(jīng)機(jī)械加工而成，材料利用率僅為12％，過大的數(shù)控加工量成為了批量生產(chǎn)的瓶頸。等溫精鍛件使材料利用率由12％提高到87％，非加工面占到90％以上，復(fù)雜曲面均免去數(shù)控加工，機(jī)加工周期由5天減少為1天，大大縮短了產(chǎn)品的制造周期。

經(jīng)機(jī)加工對比，數(shù)控加工實際工時由原來自由鍛坯的40h減少到等溫精鍛件的8h，以400件加權(quán)平均計算，單件生產(chǎn)成本由原來的1780元減少至711元。高低倍組織檢驗表明，鍛件晶粒細(xì)小均勻，金屬流線完全沿鍛件外廓分布，力學(xué)性能優(yōu)異，詳見表2，各項性能均高于原來的自由鍛件。由此可見，等溫精鍛件不僅可帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，并可提高產(chǎn)品性能水平，加快批生產(chǎn)速度，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭力。

表2 LC4鋁合金接頭精鍛件的室溫拉伸性能

結(jié)束語

隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展和產(chǎn)品性能的大幅度提高，鈦合金、高溫合金等難變形材料的用量越來越多。這些難變形、難切削、價格昂貴的新型材料的大量采用，使21世紀(jì)工業(yè)關(guān)鍵構(gòu)件廣泛采用少無余量精密成形技術(shù)成為必然。發(fā)展等溫超塑性模鍛技術(shù)，尤其是發(fā)展中小復(fù)雜件的等溫超塑性模鍛技術(shù)，是實現(xiàn)難變形材料鍛件精化、提高產(chǎn)品性能、降低生產(chǎn)成本的一條有效途徑。（文中涉及的部分研究工作分別與陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限公司、首都航天機(jī)械公司等單位合作完成。）

郭鴻鎮(zhèn)，教授，博士生導(dǎo)師。主要從事鈦合金、高溫合金、鋁合金等先進(jìn)材料熱態(tài)成形理論及精密鍛造新技術(shù)開發(fā)應(yīng)用方向的研究工作，主持和承擔(dān)國家預(yù)研、型號攻關(guān)、橫向、基金等科研項目三十余項。獲國家發(fā)明獎1項、部級科技進(jìn)步獎7項。