1、引言
現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)武器及裝備提出了許多新的要鈦合金是價(jià)格昂貴的金屬材料又屬于難加工求，其中對(duì)軍用飛機(jī)的要求更高。這使得高比強(qiáng)、中溫性能好，耐腐蝕性能優(yōu)良的鈦合金成為現(xiàn)代軍用飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料之一。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)體、機(jī)匣、飛機(jī)框架、傳動(dòng)部件、起落架部件等都是性能要求高，形狀復(fù)雜的零件，因而對(duì)加工成此類零件的鈦合金鍛件提出了很高的要求。
(熱加工和機(jī)械加工)的類型。采用傳統(tǒng)的鍛造方式，由于變形抗力大，變形溫度高，變形溫度范圍狹窄，普通鍛造只能鍛成比較粗的鍛件。通過大量機(jī)加工成型鍛件，大量金屬被機(jī)加工切削掉，金屬材料利用率低，機(jī)加工成本高，使最終零件價(jià)格昂貴。另外，鈦合金對(duì)鍛造工藝參數(shù)比較敏感，鍛造溫度、變形量以及冷卻速度的改變都會(huì)引起鈦合金組織性能的變化。傳統(tǒng)模鍛很難精確控制鍛造的工藝參數(shù)，造成鍛件組織和性能波動(dòng)較大。用等溫鍛造技術(shù)生產(chǎn)的鍛件，尺寸精確、性能穩(wěn)定，組織性能易控制，是一種理想的鈦合金鍛造方法。等溫鍛造技術(shù)的出現(xiàn)為航空航天生產(chǎn)精密、優(yōu)質(zhì)的鍛件開創(chuàng)了一條重要的途徑。
2、等溫鍛造的基礎(chǔ)
2.1 低變形抗力及高的延伸率
部分金屬或合金在高溫和低應(yīng)變速度下，塑性異常升高，應(yīng)力顯著降低的現(xiàn)象即為超塑性，其特點(diǎn)是用低的應(yīng)力產(chǎn)生大的塑性變形。力學(xué)特性符合公式。
o=K·∈m
式中K是常數(shù)，∈是應(yīng)變速率，m是表示變形應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速度敏感性系數(shù)。公式說(shuō)明M值愈小，應(yīng)變速率稍微減慢，變形抗力即明顯下降。
圖1、圖2是TC4鈦合金的變形特性。從圖1可以看出，在800~950℃范圍內(nèi)，隨著溫度升高，延伸率最大，可達(dá)到1000%以上。變形應(yīng)力隨溫度升高而降低。從圖2可以看出，不同溫度下變形速率從5.2×10-3降到5.2×10-4，應(yīng)力明顯下降， 可降到20MPa以下。
2.2 變形均勻
在鍛造過程中，模具的致冷作用都強(qiáng)烈影響工件與模具接觸的表面，再加上摩擦力，使工件表面的低溫層變形量特別低，無(wú)法破碎原有的粗晶，形成了變形死區(qū)。變形死區(qū)是鍛造中難于避免的現(xiàn)象，是造成鍛件中組織不均勻現(xiàn)象的重要原因。
常規(guī)的鍛造都有明顯的死區(qū)，而等溫鍛和熱模鍛的模具溫度與變形工件的溫度處于相同或相近的狀態(tài)，這樣消除了工件表面的低溫層也就消除了變形死區(qū)。
2.3 鈦合金等溫鍛造的實(shí)現(xiàn)
鈦合金等溫精密鍛件實(shí)現(xiàn)的條件是鈦合金在某一個(gè)較窄溫度范圍，以很慢速度變形，并保持溫度不變。因此，只有模具溫度與變形工件溫度相等或相近才能實(shí)現(xiàn)此條件。在等溫鍛造過程中變形工件表面不存在低溫區(qū)，鍛造的各種參數(shù)如溫度、壓力、速度、壓下量等都能預(yù)先設(shè)定并自動(dòng)控制。金屬變形均勻，可以獲得理想的組織和性能，實(shí)現(xiàn)鈦合金鍛件的精密鍛造。
3、航空用鈦合金等溫精密鍛件的研制
3.1 鍛件設(shè)計(jì)及模具設(shè)計(jì)
航空用鈦合金等溫鍛造精密鍛件，通常設(shè)計(jì)鍛件的單邊加工余量考慮了超聲波盲區(qū)為3-6mm，形狀與零件相近。脫模角0~3°。
鍛件主要采用閉式鍛造法設(shè)計(jì)模具。在模具成形設(shè)計(jì)與中間坯設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮在成形過程中產(chǎn)生渦流、回流、折疊、缺肉等現(xiàn)象，局部設(shè)計(jì)一些飛邊倉(cāng)。
等溫鍛造鈦合金的模具需加熱到950℃左右，且要承受一定的壓力，模具材料在高溫下應(yīng)有一定的強(qiáng)度。目前模具材料采用鑄造K3高溫合金材料。
3.2 原材料
等溫鍛造所用的原材料化學(xué)成分、力學(xué)性能必須符合相關(guān)的技術(shù)條件要求。原材料為各種規(guī)格的圓棒，用料尺寸一般采用高寬比2.5~2.7。
3.3 等溫鍛造
基本成型工序：下料→等溫鍛餅超聲波探傷→等溫鍛造→熱處理→精整→檢驗(yàn)→人庫(kù)。
終鍛鍛造溫度、鍛造壓力、鍛后冷卻方式、熱處理制度應(yīng)根據(jù)材料牌號(hào)及鍛件所需的組織和性能來(lái)決定。為了防止鍛件表面氧化，每次熱加工時(shí)工件表面都涂上防氧化潤(rùn)滑劑。
4、試驗(yàn)結(jié)果
4.1 外形
采用等溫鍛造生產(chǎn)的航空用典型盤類的有：TC11鈦合金二級(jí)輪盤、TC6II/III級(jí)盤、TC17壓氣機(jī)盤見圖3。典型的薄壁管類件有：TC11空氣導(dǎo)管、TC4前軸頸、TC6作動(dòng)筒見圖4。典型的大型鍛件有TA19鈦合金機(jī)匣、TC4鈦合金行星架、TC17整體葉盤見圖5。
可以看出等溫鍛件外形表面光潔、尺寸符合鍛件圖要求。空心的薄壁鍛件，鍛件的金屬流線分布更合理，有利于受力要求，并能節(jié)約大量的金屬原材料。
4.2 金相組織
鍛件分別經(jīng)熱處理后檢查，高低倍組織符合相應(yīng)技術(shù)條件要求。
4.3 力學(xué)性能
鍛件經(jīng)熱處理后，在規(guī)定的鍛件部位切取試樣，按規(guī)定的測(cè)試方法試驗(yàn)，各鍛件的力學(xué)性能符合相關(guān)的技術(shù)條件要求。TC11等溫鍛件力學(xué)性能見表1、TC4等溫鍛件力學(xué)性能見表2、TC17等溫鍛件力學(xué)性能見表3、TC6等溫鍛件力學(xué)性能見表4。
數(shù)據(jù)表明，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果滿足了各種鍛件規(guī) 定的指標(biāo)要求。鍛件的各組機(jī)械性能數(shù)據(jù)相當(dāng)接 近，表明鍛件的質(zhì)量?jī)?yōu)良。
5、結(jié)論
形精確的航空用鈦合金精密鍛件，鍛件的金屬流采用等溫鍛造新工藝可以生產(chǎn)表面光潔，外線分布更合理，有利于受力要求。與普通鍛造的鍛件相比，等溫鍛件的材料用量可減少30%~40%，提高了金屬的收得率，減少了加工工時(shí)，降低了零件成本。鈦合金等溫鍛件的組織均勻，性能穩(wěn)定，滿足了航空精鍛件的要求。
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