摘要：在钛及钛合金的热加工过程中，自由锻造成为主要加工手段之一，但钛变形抗力大，锻造温度范围小，锻造过程中容易产生裂纹、折叠等，使损耗率增大，甚至因组织、性能不合而报废。制定正确的工艺路线，采用合理的变形方式，较好地控制送进量、压下量、变形程度，变形温度，变形速度等重要参数，可以大大减少和避免上述问题，从而提高材料的利用率。

　　1. 前言

　　钛合金是目前使用的材料中比强度最高的材料之一,具有抗腐蚀能力强、强度高、密度低、中温性能稳定等一系列优良特性，在航空航天工业、生物医药、石油工业以及原子能等高技术领域有着广泛应用。在钛及钛合金的热加工过程中，自由锻造成为主要加工手段之一。文章以钛及钛合金棒材为讨论对象，自由锻造可加工成品棒材，也可加工中间工序的坯料。作为中间坯料，则是为后续加工如锻造、轧制提供一定形状、一定尺寸、一定组织和性能的材料。对于成品，不但要严格控制材料的组织、性能，同时，尺寸、表面质量均应满足要求，其中任一项不合格均不能交货。例如，一支Φ152+3-0×2000mm定尺的棒材，仅仅因一处裂纹修磨超差2mm而不能交货，虽然可改锻作为它用，但影响了交货期。在实际生产过程中，这样的例子并不少见。因此，如何采取正确的工艺路线，合理的锻造方式以保证材料的组织性能和表面质量，尤其防止锻件因组织而性能不达标或者表面出现较深的裂纹、折叠等造成尺寸超差，成为工程技术人员研究的课题之一，这也是文章讨论分析的主要目的。

　　2. 自由锻造的设备及主要方式

　　在目前的实际生产中，自由锻造常用的加热炉有煤炉，天然气炉，电炉等。铸锭开坯常用前两种加热炉。因为电炉加热温度易控制，精确度较高(一般±10℃)，且污染程度小，成品前的加热一般都要用电炉。锻造设备有锻锤、水压机、快锻机等。自由锻造钛及钛合金棒材的基本方式为拔长、镦粗，或者采用拔长、镦粗相结合的方式。当然，对于小规格的如Φ12、Φ20等的棒材要采用轧制，对此文章不作讨论。

　　2.1 拔长

　　金属的塑性变形遵循体积不变规则和最小阻力规则。拔长时坯料长度变长，横截面积变小，其过程大体分为拔方、倒棱、滚圆三步。拔长时，送进量不能太大，一般应小于坯料宽度，这时，金属沿坯料的纵向流动大于横向流动，反之，则金属沿坯料的横向流动大于纵向流动，降低了拔长效率。同时，单边压下量应等于或小于送进量，否则会产生折叠。而且锻锤上下砧的边缘应倒成圆角，否则也会产生折叠。在倒棱时，锻锤的击打力应轻些，以免坯料中心及端头出现裂纹，而且倒棱应及时，否则由于棱角温度降低较快，易在棱角产生裂纹。锻件开始锻造时，由于出炉周转造成温降，此时应轻锤快打，等温度上升后，应重锤慢打，在锻制后期由于温降较大，又要轻锤快打，否则锻件表面易开裂，甚至产生内裂纹。

　　在实际生产中，也可通过改变应力状态来改变材料的可锻性。如用平砧拔长时，可将下砧改用V型砧，由于坯料侧面压应力的作用，减小了毛坯心部的拉应力，可避免裂纹的产生。西部超导材料有限公司在其1600T快锻机下砧采用V型砧锻制不同规格的成品及半成品棒材，材料的成材率得到有效提高。

　　2.2 镦粗

　　镦粗时坯料高度变小，横截面积变大。当变形量较大时，较之拔长更能击碎坯料中心部位的树枝晶、偏析等缺陷，达到改善组织的目的。镦粗时，锻件轴向受压应力，但与轴线成45度角方向有最大切应力，故沿此方向易产生斜裂。有时候，由于拉应力还会产生纵向开裂。当镦粗比H0/D0(即坯料高度与直径的比值)=3时，若锤击力不足，坯料两端会产生双鼓形，此时应先滚圆，若继续压下，就会产生夹层。有时，为使端面平齐，锤头下压的同时，坯料还要在水平方向适当旋转。当H0/D0>3时，会产生纵向弯曲，应先校直后再镦粗。一般情况下，在镦粗过程中，应H0/D0<3，在2―2.2范围内为最好。

　　3. 自由锻造对组织、性能的影响

　　在实际生产过程中，棒材直径由小到大规格不等，小到10mm左右，大则达到300mm甚至更大。不同规格的材料决定了不同的加工工艺路线。对于直径较大而且性能标准较高的材料来说，若由铸锭单一拔长至所需直径的棒材，则材料的变形极不均匀，且不充分，导致铸态组织不能够充分破碎，组织不均匀，晶粒粗大，材料的性能不达标。因此在加工大规格棒材时，为了使材料变形充分，组织均匀，晶粒细化，以提高材料的综合性能，常常采取拔长、镦粗相结合，反复进行，而且常常换向镦拔。

　　变形温度、变形速度及变形程度是锻造过程中非常重要的参数，对材料的组织性能起着决定性作用。变形温度包括两方面，既要保证适当的加热温度，即保证在某一相区加热和锻造，以保证锻后组织，同时对终锻温度也要严格控制，终锻温度过低，容易造成表面锻裂，甚至形成内裂纹以至探伤不合而报废;终锻温度过高，由于静态再结晶的缘故会引起组织粗大，导致性能降低。如对于TC4钛合金成品棒材，成品前的一火至两火锻造必须在α+β两相区加热、锻造，锻后组织如图a，等轴α，条状α分布在转变β基体上，称为三态组织，此种组织决定了材料的强度、塑性等综合性能较好。 当用小锻锤锻造小锻件时，由于变形速度过高引起的温升就值得注意，若在锻造过程中温度升高或者加热时离发热体过近导致局部温度超过α+β/β相变点，则会使组织变坏，如图b，α平直，β晶粒粗大，且有晶界α存在，称为过热组织，此种组织使材料的性能大大下降。变形速度同样重要，如用水压机锻造时变形速度很慢，锻造过程中会发生动态在结晶，对提高加工塑性有利。而用锻锤锻造时变形速度较快，在高的变形速度下，动态再结晶往往来不及进行，会导致变形抗力增大。合适的变形速度既不使锻件温升过高以免引起组织恶化，也不至于使其温度降低很多，这就要求合理的控制锻锤击打的次数和轻重。

　　变形量的大小对锻件的组织和性能也有十分重要的影响。铸锭开坯时，必须加大变形量，一般为70%-80%，目的是破碎和改善铸造组织(树枝晶、柱状晶、夹杂物、偏析、气孔、疏松等)。成品锻造时，变形量不能太小，一般不小于50%，否则得不到细晶组织，也不能太大，否则会使锻件表面质量变坏。当然，若最后一火变形量不够时，可适当降低温度，也可得到较好的组织。

　　工艺决定组织，组织决定性能。实际生产中，必须综合考虑各种因素，以保证经过一定变形量的锻材(或锻件)能具有所需要的组织与性能。

　　4. 总结

　　1) 自由锻造过程中，较好的控制锻造比、压下量，送进量、始锻、终锻温度及锤的击打频次和轻重，可有效防止裂纹、折叠的发生;

　　2) 在要求的相区，用合适的变形速率在规定的变形范围内可得到具有一定量的等轴初生α加转变的β组织，综合性能好。