鈦合金具有密度低、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、無(wú)磁及生物相容性好等優(yōu)異的綜合性能，在當(dāng)代航空航天、兵器裝備、化工石油、醫(yī)療、核電等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中大部分以棒材、鍛件及軋制型材等變形鈦合金使用。鍛造變形是確保鈦合金材料獲得理想組織與性能的重要手段，但在鈦合金鍛造尤其是鑄錠到棒坯的生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)各種形式的開(kāi)裂，不僅加大生產(chǎn)制造成本，而且降低生產(chǎn)效率和成材率，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。鑒于此，本文就多年鈦合金鍛造過(guò)程中發(fā)生的開(kāi)裂現(xiàn)象進(jìn)行分析、總結(jié)，并提出預(yù)防和解決開(kāi)裂的措施，以確保鈦合金鍛造生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

　　1、鈦合金鍛造開(kāi)裂分類(lèi)及原因

　　1.1、端面開(kāi)裂

　　端面開(kāi)裂是鈦合金鍛造過(guò)程中坯料端面發(fā)生的一種開(kāi)裂，一般裂紋比較大，較為常見(jiàn)。端面開(kāi)裂影響較大，通常會(huì)導(dǎo)致鍛造無(wú)法按工藝?yán)^續(xù)進(jìn)行。端面易開(kāi)裂主要原因：①鑄錠頭部縮孔或尾部冷隔未徹底清除干凈;②鐓粗過(guò)程中，坯料端面與錘砧接觸熱量被吸收，拔長(zhǎng)過(guò)程中，坯料端面鼓出降溫快;③端面位置受到不同方向擠壓，變形不均勻，或者拔長(zhǎng)時(shí)變形速度過(guò)快;④某些坯料變形抗力大，流動(dòng)性差，端面心部凹陷。

　　1.2、折疊開(kāi)裂

　　折疊開(kāi)裂主要有三種情況：一是原材料鈦合金鑄錠高徑比≥2.5或是鑄錠中間取樣，殘留取樣槽，鐓粗折疊;二是鍛造過(guò)程坯料中間部位發(fā)生開(kāi)裂，打磨后成深坑，再次鐓粗折疊;三是其他輔助工序產(chǎn)生的尖角凸起和凹坑沒(méi)有按規(guī)定打磨排傷。圖1(a)為某TB6鈦合金坯料中間部位因打磨深坑導(dǎo)致的折疊。圖1(b)為某TC4-LC鈦合金棒坯分料時(shí)鋸斜，翻轉(zhuǎn)180°繼續(xù)鋸切，鋸切面中間殘留尖銳棱角未打磨，再拔長(zhǎng)時(shí)發(fā)生比較嚴(yán)重的折疊。

　　1.3、撕裂

　　撕裂是指鈦合金坯料拔長(zhǎng)變形時(shí)，將坯料局部撕開(kāi)的一種橫向開(kāi)裂。鍛造撕裂會(huì)增加打磨量，降低材料成材率，而成形過(guò)程中撕裂較深，可能導(dǎo)致坯料無(wú)法滿足產(chǎn)品機(jī)加尺寸要求而報(bào)廢。產(chǎn)生撕裂主要原因是單道次壓下量過(guò)大(單邊大于50mm)或壓下速率過(guò)快，圖2(a)為某TB6鈦合金板坯撕裂。其次，錘砧因長(zhǎng)時(shí)間使用發(fā)生變形導(dǎo)致其邊緣弧度不夠圓滑，或是錘砧預(yù)熱溫度不夠，常規(guī)變形量壓下也會(huì)導(dǎo)致坯料撕裂。此外，某些臺(tái)階軸類(lèi)棒材或帶臺(tái)階鍛件，因?yàn)殄e(cuò)臺(tái)局部尺寸差別較大，拔長(zhǎng)鍛造時(shí)較易發(fā)生撕裂，圖2(b)為某TC4-DT鈦合金鍛件臺(tái)階處撕裂。

圖1 鈦合金鍛造折疊

圖2 鈦合金鍛造撕裂

　　1.4、內(nèi)裂

　　內(nèi)裂一般是指鍛造過(guò)程中鈦合金坯料內(nèi)部產(chǎn)生的單點(diǎn)、連續(xù)或間斷連續(xù)的一種開(kāi)裂，通常較難發(fā)現(xiàn)，需通過(guò)低倍檢查或超聲探傷才能發(fā)現(xiàn)。該類(lèi)裂紋破壞了金屬連續(xù)性，只能報(bào)廢處理。內(nèi)裂產(chǎn)生原因可以概括為兩類(lèi)：一是某些鈦合金材料因自身含有鎢、鉬和鈮等難熔金屬元素，局部存在較為嚴(yán)重的偏析、夾雜或疏松、冷隔等冶金缺陷，在鍛造變形過(guò)程中轉(zhuǎn)化為裂紋源;二是對(duì)于某些小規(guī)格(準(zhǔn)90mm或Ф90 mm以下)鈦合金材料，拔長(zhǎng)過(guò)程降溫快，倒棱溫度偏低或需要掉頭鍛造，坯料局部存在溫度梯度，容易產(chǎn)生內(nèi)裂。圖3為某TA15鈦合金準(zhǔn)Ф85mm成品棒材探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)的靠近心部位置的內(nèi)裂形貌，經(jīng)分析屬第二種情況。

圖3 鈦合金鍛造內(nèi)裂

　　1.5、縱向開(kāi)裂

　　縱向開(kāi)裂是指鈦合金坯料鍛造時(shí)沿流線方向發(fā)生的較長(zhǎng)開(kāi)裂，多發(fā)生在倒棱位置，當(dāng)前或下一火次都有可能發(fā)生。產(chǎn)生的主要原因是坯料棱角處降溫快，與周?chē)嬖跍夭?。此外，某些?duì)溫度比較敏感的高溫鈦合金鍛造后水冷，倒棱部位因應(yīng)力也會(huì)發(fā)生開(kāi)裂。TC19、Ti60等合金鍛造水冷發(fā)生過(guò)多次縱向開(kāi)裂，裂紋較深、較長(zhǎng)，打磨量較大，修整火次較多，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。圖4(a)為某TB6鈦合金坯料在鐓粗過(guò)程中棱角部位發(fā)生的縱向開(kāi)裂，圖4(b)為IMI 834鈦合金棒材在滾圓過(guò)程中發(fā)生的縱向開(kāi)裂。

圖4 兩種鈦合金鍛造的縱向開(kāi)裂

　　1.6、脆性開(kāi)裂

　　某些難變形高溫鈦合金材料本身塑性差，過(guò)程控制不當(dāng)，容易引起嚴(yán)重脆性開(kāi)裂，裂紋較深且難以清除。低于工藝要求的終鍛溫度鍛造，坯料在較大壓力作用下易發(fā)生脆性開(kāi)裂。還有部分高溫鈦合金材料未采取200～300℃低溫入爐或是分段加熱工藝不合理，升溫過(guò)快，由于鈦合金導(dǎo)熱能力差，導(dǎo)致加熱過(guò)程中坯料端部和中間、表面和心部存在較大的溫度梯度，出爐后鍛造，發(fā)生嚴(yán)重開(kāi)裂。圖5(a)所示為某高溫鈦合金試驗(yàn)料開(kāi)裂，險(xiǎn)些斷為兩節(jié)，經(jīng)分析與加熱過(guò)程升溫過(guò)快有關(guān)。圖5(b)所示為某Ti3Al鑄錠鍛造過(guò)程發(fā)生的脆性開(kāi)裂，經(jīng)分析是由于冷卻操作不當(dāng)造成的。由于設(shè)備故障停鍛空冷，操作機(jī)夾持鑄錠部位包裹的保溫棉未及時(shí)清除干凈，鑄錠冷卻不均勻，且該材料對(duì)溫度比較敏感，再加熱鍛造時(shí)，在鑄錠包裹的保溫棉邊界處開(kāi)裂。

圖5 鈦合金鍛造的脆性開(kāi)裂

　　1.7、表面通身開(kāi)裂

　　鑄錠冶金質(zhì)量差，表面缺陷未清除徹底，或是加熱工藝不合理導(dǎo)致鍛造過(guò)程中坯料表面發(fā)生開(kāi)裂。一般面積比較大，危害嚴(yán)重。圖6為來(lái)料加工TC4-LC鈦合金鑄錠第一火拔長(zhǎng)時(shí)，靠近頭部位置側(cè)面發(fā)生的嚴(yán)重開(kāi)裂(圖中方框處)，經(jīng)分析是該爐號(hào)鑄錠冶煉質(zhì)量較差、鑄錠表面冷隔和皮下氣孔未清除干凈導(dǎo)致的。公司某鈦合金試驗(yàn)料鑄錠第一火鍛造后通身開(kāi)裂嚴(yán)重，經(jīng)分析該試驗(yàn)料相變點(diǎn)1020℃，而開(kāi)坯溫度僅1050℃，加熱溫度偏低，鑄態(tài)組織塑性差，導(dǎo)致開(kāi)裂嚴(yán)重，后升溫至1150℃重新開(kāi)坯，開(kāi)裂明顯減少。

圖6 TC4-LC鈦合金鍛造表面開(kāi)裂

　　2、鈦合金鍛造開(kāi)裂特點(diǎn)

　　2.1危害嚴(yán)重

　　鈦合金開(kāi)裂危害嚴(yán)重，不僅增加工人打磨勞動(dòng)強(qiáng)度，降低生產(chǎn)效率，還會(huì)降低產(chǎn)品成材率。部分嚴(yán)重開(kāi)裂因打磨較深，需要增加火次修整，增加生產(chǎn)制造成本，對(duì)于批產(chǎn)產(chǎn)品因違反已固化工藝規(guī)范，容易造成產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)。更為嚴(yán)重的鍛造開(kāi)裂，由于無(wú)法滿足產(chǎn)品交付尺寸或重量要求，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。

　　2.2、先天性

　　對(duì)于Ti3Al、Ti2AlNb、IMI 834以及一些新成分的難變形高溫鈦合金，由于自身結(jié)構(gòu)和組織因素，變形能力較差，本身比較容易開(kāi)裂。某些鈦合金鑄錠冶金質(zhì)量較差，存在偏析、夾雜、皮下氣孔或冷隔等冶金缺陷，在后續(xù)鍛造過(guò)程中容易發(fā)生多火次開(kāi)裂且較難消除。

　　2.3、難修磨

　　鈦合金開(kāi)裂具有難修磨特點(diǎn)：①產(chǎn)生裂紋，必須清除干凈，需控制打磨寬深比≥10，打磨量較大;②部分塑性差鈦合金，由于打磨導(dǎo)致坯料局部溫升，存在溫度梯度，冷卻后因應(yīng)力作用，裂紋會(huì)繼續(xù)延伸，即邊打磨邊開(kāi)裂;③某些小規(guī)格鈦合金棒材或鍛件，因重量尺寸小，打磨不易固定;④某些較長(zhǎng)棒材、鍛件端頭開(kāi)裂，需豎起打磨，難以操作且存在安全隱患;⑤某些異形件因形狀尺寸不規(guī)則，內(nèi)部裂紋打磨無(wú)處下手等。

　　2.4、難檢驗(yàn)

　　鈦合金開(kāi)裂具有難檢驗(yàn)特點(diǎn)：①裂紋需100%檢驗(yàn)，檢驗(yàn)工作量大;②裂紋變小后，容易被打磨粉塵遮掩，檢驗(yàn)人員無(wú)法用肉眼判定是否清除徹底;③某些異形件形狀不規(guī)則，裂紋較難檢驗(yàn);④內(nèi)裂發(fā)生在坯料內(nèi)部或表皮下面，肉眼不可見(jiàn)，一般都是成品探傷或低倍檢驗(yàn)時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，為時(shí)已晚;⑤易開(kāi)裂或成形前坯料進(jìn)行著色滲透檢驗(yàn)，增加檢驗(yàn)人員工作難度。

　　3、鈦合金鍛造開(kāi)裂預(yù)防及解決

　　根據(jù)上述七類(lèi)鈦合金開(kāi)裂的形式、原因及特點(diǎn)，并結(jié)合開(kāi)裂實(shí)例，制定針對(duì)性預(yù)防措施。同時(shí)，需注重提高員工操作水平和默契度，確保關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)完好，制定并嚴(yán)格落實(shí)適宜的打磨、檢驗(yàn)規(guī)范，控制好關(guān)鍵點(diǎn)和重要細(xì)節(jié)等。

　　3.1、端面開(kāi)裂預(yù)防

　　一是運(yùn)用超聲探傷等檢測(cè)手段務(wù)必確保鑄錠頭部縮孔或尾部冷隔徹底清除干凈;二是鍛造前，錘砧充分預(yù)熱至規(guī)定溫度(≥300℃)，并且鐓粗時(shí)坯料上下端面蓋一層隔熱保溫棉，減少錘砧吸熱，鐓粗蓋棉已經(jīng)寫(xiě)入公司鈦合金鍛造工藝規(guī)范，實(shí)踐證明對(duì)于減少坯料端面開(kāi)裂，效果顯著;三是坯料拔長(zhǎng)過(guò)程，禁止出現(xiàn)變形速度過(guò)快、變形不均勻等操作;四是對(duì)于某些變形抗力大、流動(dòng)性差的坯料，鐓粗時(shí)采用圓弧鐓粗板，拔長(zhǎng)時(shí)從中間往兩端趕料，以防端面心部凹陷。

　　3.2、折疊開(kāi)裂預(yù)防

　　一是控制原材料鈦合金鑄錠或中間過(guò)程坯料高徑比≤2.5，較合適的高徑比范圍1.8～2.3;二是鑄錠中間部位殘留取樣槽及坯料折疊開(kāi)裂部位機(jī)加或打磨處理時(shí)，務(wù)必圓滑過(guò)渡，寬深比≥10為宜;三是務(wù)必確保鋸切、機(jī)加等輔助工序產(chǎn)生的尖角凸起和凹坑(比如機(jī)加定位孔等)按內(nèi)控要求打磨處理掉，類(lèi)似圖7所示的坯料臺(tái)階、定位孔等必須打磨清除干凈，方可繼續(xù)鍛造。

圖7 鈦合金坯料需排除的尖棱尖角

　　3.3、撕裂預(yù)防

　　一是快鍛機(jī)鍛造時(shí)單道次單邊壓下量控制20～30mm范圍內(nèi)，壓下速率不要過(guò)快(以5～10mm/s為宜);二是確保錘砧邊緣弧度≥R40mm，發(fā)生變形及時(shí)維護(hù)處理，并確保錘砧提前預(yù)熱至300～400℃;三是針對(duì)臺(tái)階軸類(lèi)棒材或臺(tái)階鍛件，臺(tái)階處鍛造時(shí)務(wù)必使用磕棍輕壓，再分多錘緩慢壓下，單錘變形量更要嚴(yán)格控制在30 mm以內(nèi)，出現(xiàn)撕裂時(shí)，分錘修整或及時(shí)停鍛打磨。

　　3.4、內(nèi)裂預(yù)防

　　一是對(duì)于含鎢、鉬和鈮等難熔金屬元素的鈦合金材料，應(yīng)從源頭入手，加強(qiáng)鑄錠熔煉工藝研究，提升熔煉技術(shù)水平，減少或消除偏析、夾雜、疏松或冷隔等冶金缺陷的產(chǎn)生;二是針對(duì)小規(guī)格鈦合金坯料，拔長(zhǎng)過(guò)程務(wù)必及時(shí)倒棱，并盡量避免坯料夾持端掉頭鍛造，條件允許時(shí)應(yīng)及時(shí)返爐再鍛。

　　3.5、縱向開(kāi)裂預(yù)防

　　一是鈦合金坯料拔長(zhǎng)過(guò)程中及時(shí)倒棱，禁止出現(xiàn)尖棱、黑棱;二是某些對(duì)于溫度比較敏感的高溫鈦合金鍛造后進(jìn)行空冷或蓋保溫棉緩冷，盡量不采用風(fēng)冷、水冷、油冷等快速冷卻的方式。

　　3.6、脆性開(kāi)裂預(yù)防

　　對(duì)于難變形高溫鈦合金材料，應(yīng)采用“包棉鍛造”：即坯料加熱至規(guī)定保溫時(shí)間，將坯料取出，包裹一層保溫棉(厚度約10mm，均勻撒一層玻璃絲防護(hù)劑)，返爐繼續(xù)加熱(時(shí)間根據(jù)坯料尺寸和包棉快慢)，出爐鍛造，過(guò)程及時(shí)增蓋保溫棉，盡量減少坯料溫度損失，確保始終在工藝規(guī)定的終鍛溫度以上鍛造，實(shí)踐證明該操作可以顯著減少開(kāi)裂。另外，該類(lèi)鈦合金加熱宜采取200～300℃低溫入爐，分多段加熱，緩慢升溫(50～100℃/h)，以確保坯料受熱均勻，減少不同部位溫度梯度。最后，鍛造過(guò)程禁止掉料，避免與工裝產(chǎn)生劇烈碰撞;冷卻過(guò)程緩慢、均勻;裂紋打磨完畢進(jìn)行著色滲透檢驗(yàn)等。

　　3.7、表面開(kāi)裂預(yù)防

　　一是對(duì)鑄錠冶金質(zhì)量較差導(dǎo)致的表面開(kāi)裂，應(yīng)加強(qiáng)熔煉工藝研究，提升熔煉水平，鍛造前需徹底清除鑄錠冷隔、皮下氣孔等冶金缺陷。二是制定加熱、鍛造工藝時(shí)，應(yīng)深刻總結(jié)某試驗(yàn)料加熱溫度偏低導(dǎo)致嚴(yán)重開(kāi)裂的教訓(xùn)，綜合考慮多方面因素，確保工藝最優(yōu)。

　　4、結(jié)論

　　(1)鈦合金鍛造開(kāi)裂包括端頭開(kāi)裂、折疊開(kāi)裂、撕裂、內(nèi)裂、縱向開(kāi)裂、脆性開(kāi)裂等，形式多樣，原因可控;并具有危害嚴(yán)重、先天性、遺傳性、難修磨、難檢驗(yàn)等特點(diǎn)。

　　(2)減少并避免鈦合金鍛造開(kāi)裂，應(yīng)以預(yù)防為主，制定合理可行的預(yù)防措施。同時(shí)，應(yīng)確保鍛造、打磨、檢驗(yàn)等重要過(guò)程受控，措施關(guān)鍵控制點(diǎn)嚴(yán)格落實(shí)到位。