钛合金质料在挤压工艺条件下可获得理想的微观组织和力学性能。。。。。。。近年来钛合金挤压型材在航空航天领域的用量日益增多，，，，，，，其主要配景有：以新一代大型飞机为代表的先进航空航天器为了减轻重量、提高经济性，，，，，，，大宗接纳碳纤维复合质料蒙皮壁板，，，，，，，如波音787大型客机复合质料用量占结构质料总重量近50%，，，，，，，钛与碳纤维复合质料在强度、刚度和热特征等方面匹配优异，，，，，，，能获得很好的减重效果；；；；；同时，，，，，，，由于两者的电位靠近，，，，，，，不易爆发电偶侵蚀，，，，，，，而铝合金与复合质料容易爆发电偶侵蚀征象，，，，，，，从而影响机体结构寿命。。。。。。。因此，，，，，，，与复合质料相毗连的金属承力骨架大宗接纳钛合金型材构件，，，，，，，如图1所示。。。。。。。

针对飞机钛合金型材骨架结构零件，，，，，，，古板制造要领接纳铸造毛坯+数控加工+增量热压弯+热校形的重大制造工艺流程，，，，，，，该工艺流程数控加工量很大，，，，，，，质料使用率极低（仅3.5%~10%），，，，，，，据统计单架飞机铺张的钛合金质料价值达数百万美元以上，，，，，，，因此质料及数控加工本钱很高；；；；；并且由于工艺历程重大，，，，，，，制造历程中非匀称变形导致零件剩余应力大，，，，，，，需制造专用重大工装对零件举行热校形，，，，，，，导致工装本钱极高。。。。。。。接纳钛合金挤压型材为坯料，，，，，，，团结线性摩擦焊及热拉弯等先进工艺手艺，，，，，，，可在实现减重和获得优异结构刚度的条件下大大提高质料使用率、镌汰制造工序，，，，，，，从而降低制造本钱。。。。。。。综上所述，，，，，，，钛合金挤压型材在航空航天领域将具有很是辽阔的应用远景。。。。。。。

图1 大型客机钛合金的应用及生长趋势

（a）波音公司客机钛合金用量 （b）舱门骨架结构中的钛合金型材

美国ATI公司对航空领域使用的钛合金挤压型材举行统计剖析，，，，，，，发明现在航空领域所用钛挤压型材的截面面积漫衍情形如图2所示，，，，，，，可以看出，，，，，，，大部分为中小截面积的挤压型材。。。。。。。

图2 航空用钛合金挤压型材截面漫衍情形

然而，，，，，，，由于钛在室温条件下为密排六方晶体结构，，，，，，，强度高、变形难题，，，，，，，因此钛合金型材的挤压工艺必需在高温条件下举行。。。。。。。与铝合金等其它有色金属的挤压相比，，，，，，，钛合金的挤压更为难题，，，，，，，主要缘故原由有：

（1）钛是一种高活性金属，，，，，，，其在挤压历程中若是温度、挤压速率、润滑条件或模具结构不对理，，，，，，，则极易引起钛与模具的粘结，，，，，，，从而导致型材外貌泛起沟槽等缺陷；；；；；

（2）由于钛的导热性差，，，，，，，热挤压时坯料表层与中心易爆发较大温差，，，，，，，促使金属流动不匀称性加剧，，，，，，，表层易爆发较大的附加拉应力，，，，，，，在制品外貌易形成裂纹，，，，，，，严重时可能爆发中心缩孔；；；；；

（3）薄壁钛合金型材挤压后容易泛起截面畸变和扭曲等缺陷，，，，，，，后续校直难题；；；；；

（4）挤压钛合金时热效应显著，，，，，，，不对适的挤压工艺对组织和性能的控制有倒运影响。。。。。。。

图3 钛合金挤压型材的缺陷

（a）扭曲 （b）外貌沟槽

外洋航空制造大国在钛合金型材的研发中要求科研职员首先要解决的问题就是开发钛合金型材热挤压工艺，，，，，，，为迅速生长的航空手艺提供种种各样的型材；；；；；同时希望挤压的型材尽可能地靠近制品零件，，，，，，，只管镌汰机械加工量，，，，，，，特殊是发念头隔框使用的钛合金薄壁型材、翼翅型材、空心型材、大型型材和壁板等。。。。。。。现在，，，，，，，美国和俄罗斯接纳挤压法生产的钛合金型材已经在飞机和舰艇上普遍应用，，，，，，，并形成了较为完整的挤压钛合金型材生产工艺标准系统和质量控制标准系统。。。。。。。国际市场上供应钛挤压型材的公司主要有美国RTI国际金属公司、ATI公司以及俄罗斯VSMPO-AVISMA公司等。。。。。。。

近年来，，，，，，，海内的宝钛公司针对航空航天先进装备制造中对钛合金型材的迫切需求，，，，，，，开展了钛合金型材的挤压手艺研究，，，，，，，突破了多项要害手艺，，，，，，，实现了小批量生产，，，，，，，但在质量和生产稳固性等方面与美国和俄罗斯等国相比仍保存一些差别。。。。。。。本文通过对海内外现在果真揭晓的钛合金型材挤压工艺研究和产品开发手艺现状举行总结和剖析，，，，，，，为增进我国钛合金型材细密挤压手艺的生长提供启示。。。。。。。

1、挤压工艺及参数优化

钛合金型材的挤压及其制品的全流程制造工艺包括二次真空电弧重熔、挤压锭坯的制备、型材的挤压、型材的热成型或机加工以及后续热处置惩罚和喷涂等工序，，，，，，，如图4所示。。。。。。。

图4 钛合金型材挤压及其制品全工艺流程示意图

挤压历程不但与质料的性能关系亲近，，，，，，，并且挤压变形形式、温度、挤压比、挤压速率、润滑条件以及模具结构等众多工艺条件对挤压历程的影响重大，，，，，，，各因素对制品的质量影响关系重大，，，，，，，如图5所示。。。。。。。确定挤压工艺时要求在坚持模具有知足寿命的条件下制订准确的参数和流程，，，，，，，即要求预热温度、挤压比、挤压速率及润滑方法等多方面的配合。。。。。。。

古板设计钛合金型材挤压工艺的方法为凭证履历公式及设计职员的事情履历，，，，，，，接纳逐步试错的要领来抵达尺寸和组织性能等各方面的要求，，，，，，，这个历程需要很长的时间，，，，，，，且需消耗大宗的原质料。。。。。。。据统计，，，，，，，开展一次全方位的试验所需钛合金凌驾400kg。。。。。。。随着有限元仿真手艺的生长，，，，，，，越来越多的科研职员对钛合金挤压工艺举行了有限元数值模拟研究，，，，，，，以剖析挤压历程中各工艺参数的影响纪律、优化工艺参数、缩短工艺设计时间，，，，，，，部分学者还对挤压历程的微观组织举行了模拟，，，，，，，并将模拟获得的应力应变场、温度场与显微组织及显微硬度漫衍实验效果举行比照，，，，，，，获得了较为富厚的试验数据。。。。。。。魏慧慧等、Li L等及娄燕通过有限元剖析研究发明，，，，，，，坯料的温升随挤压速率、摩擦因子、挤压比以及模具预热温度的增大而增大，，，，，，，最高可达160℃以上。。。。。。。

Mirahmadi S J等综合研究各工艺参数后发明影响温度和挤压力最大的因素是挤压速率，，，，，，，其次是模具和坯料的预热温度；；；；；模具角度对挤压力的影响较小，，，，，，，但对温度的影响较大。。。。。。。Bergamini R等使用直径Φ100mm、长度500mm的Ti-64圆柱坯料开展了U形和T形两种截面型材的挤压试验，，，，，，，试验接纳差别的坯料预热温度及温升速率，，，，，，，试验效果如表1所示。。。。。。。研究发明，，，，，，，差别条件下挤压的型材具有相近的微观组织，，，，，，，可是部分条件下泛起了开裂征象，，，，，，，开裂的主要缘故原由是U形截面条件下挤压比更大，，，，，，，因此，，，，，，，质料变形速率更大，，，，，，，型材外貌会有更多的变形热和更严重的温度集中，，，，，，，从而导致表层质料和芯部质料的温度和变形状态纷歧致。。。。。。。为了阻止在现实生产中泛起类似的缺陷，，，，，，，应该将该质料挤压时的最高温度控制在稍高于β相转变温度。。。。。。。

图5 钛合金型材挤压主要工艺参数及其对制品缺陷形式的影响

表1 差别截面钛合金型材挤压效果

另外，，，，，，，钛合金型材挤压后的扭曲或弯曲是无法完全阻止的问题，，，，，，，特殊是在薄壁非对称截面钛合金型材中尤为严重，，，，，，，扭曲或弯曲的爆发通常是模具结构、润滑条件和挤压条件等多因素作用的效果，，，，，，，其中与模具出口处的圆角巨细和出口角度关系最大。。。。。。。Damodaran D等基于DEFORM-2D建设了包括感应加热、坯料转移、玻璃润滑和挤压多阶段的有限元仿真模子，，，，，，，对钛合金型材挤压工艺中工艺参数和模具结构对金属流动和扭曲的影响举行了评估，，，，，，，如图6所示。。。。。。。

通过有限元盘算及剖析发明，，，，，，，模具结构对型材精度的影响很大。。。。。。。对模具结构举行优化，，，，，，，如将一侧的模具角度由90°修改为75°，，，，，，，可改变出口处型材的流动偏向，，，，，，，从而使挤出后型材尺寸更靠近于理想要求。。。。。。。最后在2000t压力机上举行了试验验证，，，，，，，证实晰优化计划的可行性。。。。。。。

在挤压工艺的系统优化及理论研究方面，，，，，，，Shin T等以钛合金反向挤压为例，，，，，，，建设了其热力耦合的有限元仿真模子，，，，，，，通过对挤压历程的周全仿真剖析和比照，，，，，，，建设了基于修正的Cockroft-Latham断裂准则工艺设计参数敏感评估要领，，，，，，，可优化工艺设计历程，，，，，，，镌汰模具和质料损失。。。。。。。

2、润滑方法及润滑质料

润滑问题是钛合金热挤压手艺的一个难点，，，，，，，也是海内外研究的热门。。。。。。。古板的润滑方法有润滑脂、金属包覆等。。。。。。。可是，，，，，，，在钛合金型材的挤压条件下，，，，，，，玻璃润滑剂是一种更为理想的润滑剂。。。。。。。玻璃润滑剂在高温具有一定的粘度和较好的绝热效果，，，，，，，挤压时可以尽可能地使接触外貌的干摩擦转变为界线摩擦，，，，，，，从而提高制品的外貌质量，，，，，，，延伸工模具的使用寿命，，，，，，，并且由于降低了挤压工模具对金属链坯的冷却作用，，，，，，，镌汰了工模具对金属的摩擦阻力，，，，，，，可使金属流动的不匀称性镌汰，，，，，，，从而提高挤压制品的性能，，，，，，，但要求玻璃润滑剂具有合适的高温粘度并随温度转变的波动较小。。。。。。。

图6 钛合金挤压型材模具结构设计优化

（a）型材截面形状 （b）挤压历程示意图 （c）挤压历程详细信息

玻璃润滑包括锭坯预先涂覆防氧化玻璃浆料、锭坯外貌滚涂玻璃粉和挤压时在挤压模子锭坯之间使用玻璃垫等要领。。。。。。。3种形式的质料在挤压工艺中的使用要领如图7所示。。。。。。。使用历程中的主要工艺参数或条件包括涂覆层厚度、玻璃垫厚度、玻璃粉与添加剂及水的配比等。。。。。。。

图7 钛合金型材热挤压工艺历程示意图

现有的州玻璃润滑剂最初并非针对钛合金型材挤压而研制，，，，，，，与钛合金型材挤压工艺较难匹配，，，，，，，如外涂粉用玻璃的粘度过小，，，，，，，与待挤压锭坯外貌接触时吸热过多，，，，，，，导致锭坯外貌与内部温差过大从而易引发挤压时金属紊流；；；；；玻璃垫用玻璃的粘度过大，，，，，，，与待挤压坯料接触时不可迅速熔融，，，，，，，易导致坚硬的玻璃颗粒随金属进入模腔嵌入金属外貌，，，，，，，形成压坑和严重划痕，，，，，，，导致外貌质量不高。。。。。。。

挤压工艺不但与挤压比等工艺参数有亲近关系，，，，，，，润滑条件也影响挤压制品质量。。。。。。。近年来，，，，，，，北京天力创玻璃科技开发有限公司团结北京有色金属研究总院和宝钛集团有限公司等单位开发了适用于900~1200℃的钛合金型材热挤压专用玻璃润滑剂，，，，，，，包括涂覆锭坯的防氧化玻璃涂料（Txc-15-2）、挤压前滚涂于锭坯外貌的外涂粉（TW1150-2）和挤压时装置于锭坯和模具之间的玻璃垫（TD1150-55）。。。。。。。

其中，，，，，，，防氧化玻璃涂料是一种浆料，，，，，，，钛合金锭坯举行车削或喷砂整理外貌后加热至50~200℃，，，，，，，将该浆料涂覆于锭坯外貌，，，，，，，干燥后即可形成一层粉料薄壳，，，，，，，然后将坯料移至加热炉中加热。。。。。。。外涂粉是一种玻璃细粉，，，，，，，主要因素见表2，，，，，，，在挤压前将其匀称铺设在平台上，，，，，，，夹持保温的钛合金锭坯在铺设有外涂粉的事情平面上转动1至2周，，，，，，，使锭坯外貌匀称沾有外涂粉，，，，，，，可避免坯料外貌温降，，，，，，，并在后续挤压时隔离坯料与挤压筒，，，，，，，起到润滑作用。。。。。。。玻璃垫原是玻璃颗粒，，，，，，，主要因素见表2，，，，，，，凭证锭坯和挤压模具的尺寸，，，，，，，将其与粘接剂（水玻璃）放入玻璃垫制作模具中压实，，，，，，，获得与型材挤压模具端面尺寸匹配的玻璃垫，，，，，，，然后将玻璃垫穿过挤压筒，，，，，，，安排于挤压模具之前，，，，，，，确保玻璃垫与模具端面贴合，，，，，，，玻璃垫在挤压历程中可隔离坯料与模具的直接接触，，，，，，，起到润滑和保；；；；つ＞叩淖饔。。。。。。。使用上述润滑方法获得的钛合金型材挤压外貌质量如图8所示。。。。。。。

表2 钛合金型材挤压专用玻璃润滑质料因素（%，，，，，，，质量分数）

图8 专用玻璃润滑条件下的钛合金挤压型材外貌质量

在怎样使用玻璃垫及挤压模具设计方面，，，，，，，陈由红等对挤压模具中的挤压模芯的结构举行了优化设计，，，，，，，即在挤压模芯与坯料接触的前端面上，，，，，，，加工一内凹的型腔，，，，，，，用于安排玻璃润滑垫，，，，，，，通过对型腔的侧壁与挤压模芯前端面之间的夹角α的设计优化，，，，，，，使玻璃润滑垫在挤压历程更好地起到润滑作用，，，，，，，如图9所示。。。。。。。

图9 钛合金型材挤压模芯设计

1.挤压杆2.挤压垫3.坯料4.挤压筒5.玻璃润滑垫6.挤压模芯

3、组织与性能

钛合金型材挤压历程中的动态再结晶行为直接影响挤压后所获得的显微组织状态，，，，，，，整体要求型材在挤压后能获得匀称的魏氏组织，，，，，，，且晶粒获得细化，，，，，，，从而包管优异的强度和塑性。。。。。。。外洋钛挤压型材在组织及力学性能（包括强度、伸长率、断裂韧性等）方面的控制要领已较成熟，，，，，，，制品在纵向和横向的力学性能方面也很靠近，，，，，，，如图10所示。。。。。。。

在微观组织方面，，，，，，，基本保存了β相区热加工组织，，，，，，，形成匀称的魏氏组织，，，，，，，大部分为等轴晶，，，，，，，且具有相近的纵横比，，，，，，，如图11所示。。。。。。。

图10 外洋钛挤压型材力学性能

海内经由多年的研究，，，，，，，在挤压润滑、模具设计及矫直等要害手艺上有所突破，，，，，，，但受限于组织和性能稳固性等因素的制约，，，，，，，现在市场上仍缺少系列货架产品供应，，，，，，，海内对试验阶段获得的钛合金型材及管材的微观组织和性能及其影响因素尚处于探索研究阶段，，，，，，，尚未形成相关国家或行业标准。。。。。。。

现在主要研究的影响因素包括挤压温度、挤压比及挤压后的热处置惩罚工艺等。。。。。。。针对Ti-6Al-4V（TC4）合金，，，，，，，在β相变点以上60~200℃挤压后，，，，，，，钛合金型材的显微组织为魏氏组织；；；；；当挤压比λ数值抵达一定水平时，，，，，，，继续提高挤压比难以促使晶粒尺寸的进一步细化；；；；；挤压后的双重热处置惩罚有利于提高型材的屈服强度，，，，，，，但在750℃以下、加热总时间3h之内，，，，，，，热处置惩罚温度、保温时间及热处置惩罚次数对钛合金型材的显微组织险些无影响。。。。。。。整体上而言，，，，，，，现在研究的TC4挤压型材在抗拉强度、屈服强度和伸长率等方面体现优异，，，，，，，能够知足航天长桁用型材的要求。。。。。。。在β相变点以下挤压TC4管材时，，，，，，，显微组织也可获得细化，，，，，，，并爆发动态再结晶。。。。。。。管材横向外壁晶粒细小，，，，，，，内壁晶粒稍大；；；；；纵向头部、中部和尾部的组织基本一致，，，，，，，所得管材具有较高的力学性能且一致性较好。。。。。。。

图11 外洋钛合金挤压型材金相组织（Ti-6Al-4V ELI）

（a）横向 （b）纵向

TA15在相变点以上70~120℃、挤压比为76.1~84.6条件下挤压后可获得性能稳固的型材制品，，，，，，，制品内有较大的β晶粒，，，，，，，转变组织中的α相呈细条状形貌特征。。。。。。。TA15管材在差别温度条件下挤压后的高温力学性能差别显着。。。。。。。接纳β相区挤压的TA15合金管材片层状组织的高温力学性能较两相区双态组织高。。。。。。。Gr.38钛合金管材热挤压时也爆发了动态恢复和再结晶，，，，，，，随着挤压温度、挤压比或挤压速率的提高，，，，，，，α相的含量降低，，，，，，，初生α相再结晶更充分，，，，，，，从扭曲拉长的形态逐步转变为球状，，，，，，，同时合金的强度略微下降，，，，，，，塑性略微上升。。。。。。。

4、结论与展望

受限于海内钛合金型材细密挤压手艺的生长，，，，，，，现在钛曲率构件在新型飞机上的应用无法大幅提高。。。。。。。因此，，，，，，，为了包管我国自主航空航天航行器（包括军机、大型民用飞机、大型火箭及新一代高性能航行器等）的钛合金型材供应，，，，，，，提升上述装备的性能，，，，，，，团结海内外最新挤压研究效果，，，，，，，作者以为必需从以下几方面进一步生长钛合金型材的细密挤压手艺。。。。。。。

（1）增强有限元数值模拟的应用。。。。。。。钛合金型材制造企业应与高校团结，，，，，，，突破有限元仿真盘算中的要害手艺，，，，，，，对挤压历程举行越发准确高效的有限元仿真，，，，，，，提前展望型材截面扭曲或畸变、尺寸精度、开裂甚至质料微观组织演变等纪律，，，，，，，团结质料塑性成形理论，，，，，，，优化挤压工艺参数，，，，，，，提高型材质量和稳固性，，，，，，，从而缩短工艺设计周期，，，，，，，降低制造本钱。。。。。。。

（2）越发系统深入地研究润滑剂及其性能。。。。。。。研究适合于差别挤压条件下的润滑剂，，，，，，，是提高钛挤压型材产品竞争力的要害。。。。。。。玻璃润滑剂开发企业应与高校；；；；蜓芯克仍銮客沤，，，，，，，研究差别种类的高性能润滑剂及其性能，，，，，，，研制系列产品。。。。。。。建设思量润滑剂性能的钛合金型材细密挤压有限元仿真模子，，，，，，，对挤压历程和产品质量举行越发深入和系统的研究。。。。。。。

（3）整合钛合金型材应用的上下游开发大截面钛合金型材应用新领域。。。。。。。团结钛挤压型材的应用需求，，，，，，，整合钛合金型材的挤压、焊接和热成形等工艺历程，，，，，，，从提高质料使用率、镌汰制造工序等方面入手，，，，，，，生长钛合金型材及带筋钛合金型材热拉弯蠕变复合成形工艺手艺，，，，，，，实现钛合金曲率构件的绿色低本钱制造，，，，，，，提高钛合金在航空等领域的应用水平。。。。。。。

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