TC18钛合金棒材的锻造模具预热及工艺研究

TC18钛合金名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，是一种高强、高韧钛合金。合金突出的优点是在退火状态下即具有很高的强度水平（1080MPa），采用强化热处理后强度可达到1300MPa。并且淬透性极佳，截面淬透厚度可达250mm，由于截面厚度不受淬透性限制，特别适合制造飞机大型承力构件，这也是TC18钛合金最突出的优点，其能采用普通低成本模锻（在模锻锤上进行）、热模锻和等温模锻等多种工艺生产出接近最终形状的锻件。该合金在伊尔-76等飞机上获得了大量应用。

为使锻造顺利进行，并减少锻造过程中金属的温降，尤其是减少坯料表面激冷，锻造钛合金的模具需要预热。否则，金属的温降和表面激冷将使金属不能很好地填充模具型槽及有可能导致很多裂纹。用于钛合金锻造的模具预热系统通常是可拆式的，但有时也采用装在压力机上的加热装置。可拆式模具加热系统通常是燃气加热器，它可以在模块装配到锻造设备之前将模具缓慢加热到所需温度区间。固演在压力机上的加热装置通常采用感应加热或电阻加热。有一些钛合金常规锻造工艺中，特别是在液压机上锻造时，模具温度在锻造中将不断升高，若没有合适的冷却，模具可能发生损坏。所以在锻造过程中锻模常用湿蒸气、空气或偶尔用水冷却。

科研人员通过对TC18钛合金铸锭经β区开坯，然后采用3种不同锻造工艺得到Ф400mm钛棒，并对所得棒材进行相同热处理后，对获得的显微组织、力学性能等结果进行对比分析研究，从而获得TC18钛合金大规格棒材理想的锻造工艺。试验采用三次真空自耗电弧炉熔炼的Ф804mm、锭重为4000 kg铸锭。（α＋β）/β相转变温度为860～870℃。对该铸锭在β区加热，采用水压机开坯锻造，再采用不同锻造工艺，经过多火次在单相区或α＋β区加热锻造，最终锻造成为Ф400mm棒材。对所得钛棒进行相同热处理后取样进行组织、性能检测。详细工艺方案如下：工艺一：开坯＋高低高＋30%两相区变形；工艺二：开坯＋高低高＋70%～85%两相区变形；工艺三：开坯＋高低高、水淬＋70%～85%两相区变形。研究结果表明：（1）采用工艺三（开坯＋高低高、水淬＋70%～85%两相区变形锻造工艺）所得Ф400mm钛棒材显微组织与其他两种工艺方案相比较，显微组织均匀性和细化程度均优于其他方案。（2）采用工艺三（开坯＋高低高、水淬＋70%～85%两相区变形锻造工艺）所得Ф400mm棒材由于细晶强化机制影响，在保证塑性指标的情况下，获得的强度指标最高。又由于工艺三所得晶粒细小均匀，裂纹扩展所经过途径增长，使该工艺所得断裂韧性指标明显增加，综合性能最好。