钛合金资料在挤压工艺前提下可获得梦想的微观组织和力学机能
。近年来钛合金挤压型材在航空航天领域的用量日益增多，其重要布景有：以新一代大型飞机为代表的先进航空航天器为了减轻沉量、提高经济性，大量选取碳纤维复合伙料蒙皮壁板，如波音787大型客机复合伙料用量占结构资料总沉量近50%，钛与碳纤维复合伙料在强度、刚度和热个性等方面匹配优良，能获得很好的减沉成效
；同时，由于两者的电位靠近，不易产生电偶侵蚀，而铝合金与复合伙料容易产生电偶侵蚀景象，从而影响机体结构寿命
。因而，与复合伙料相衔接的金属承力骨架大量选取钛合金型材构件，如图1所示
。

针对飞机钛合金型材骨架结构零件，传统造作步骤选取铸造毛坯+数控加工+增量热压弯+热校形的复杂造作工艺流程，该工艺流程数控加工量很大，资料利用率极低（仅3.5%~10%），据统计单架飞机浪费迪胙合金资料价值达数百万美元以上，因而资料及数控加工成本很高
；并且由于工艺过程复杂，造作过程中非均匀变形导致零件残存应力大，需造作专用复杂工装对零件进行热校形，导致工装成本极高
。选取钛合金挤压型材为坯料，结合线性摩擦焊及热拉弯等先进工艺技术，可在实现减沉和获得优良结构刚度的前提下大大提高资料利用率、削减造作工序，从而降低造作成本
。综上所述，钛合金挤压型材在航空航天领域将拥有极度辽阔的利用远景
。

图1 大型客机钛合金的利用及发展趋向

（a）波音公司客机钛合金用量 （b）舱门骨架结构中迪胙合金型材

美国ATI公司对航空领域使用迪胙合金挤压型材进行统计分析，发现目前航空领域所用钛挤压型材的截面面积散布情况如图2所示，能够看出，大部门为中幼截面积的挤压型材
。

图2 航空用钛合金挤压型材截面散布情况

然而，由于钛在室温前提下为密排六方晶体结构，强度高、变形难题，因而钛合金型材的挤压工艺必须在高温前提下进行
。与铝合金等其它有色金属的挤压相比，钛合金的挤压更作难题，重要原因有：

（1）钛是一种高活性金属，其在挤压过程中若是温度、挤压速度、光滑前提或模具结构不合理，则极易引起钛与模具的粘结，从而导致型材表表出现沟槽等缺点
；

（2）由于钛的导热性差，热挤压时坯料表层与中心易产生较大温差，促使金属流动不均匀性加剧，表层易产生较大的附加拉应力，在制品表表易形成裂纹，严沉时可能产生中心缩孔
；

（3）薄壁钛合金型材挤压后容易出现截面畸变和扭曲等缺点，后续校直难题
；

（4）挤压钛合金时热效应显著，不相宜的挤压工艺对组织和机能的节造有不利影响
。

图3 钛合金挤压型材的缺点

（a）扭曲 （b）表表沟槽

国表航空造作大国在钛合金型材的研发中要求科研人员首先要解决的问题就是开发钛合金型材热挤压工艺，为迅速发展的航空技术提供各类各样的型材
；同时但愿挤压的型材尽可能地靠近制品零件，尽量削减机械加工量，出格是发起机隔框使用迪胙合金薄壁型材、翼翅型材、空心型材、大型型材和壁板等
。目前，美国和俄罗斯选取挤压法出产迪胙合金型材已经在飞机和舰艇上宽泛利用，并形成了较为完整的挤压钛合金型材出产工艺尺度系统和质量节造尺度系统
。国际市场上供给钛挤压型材的公司重要有美国RTI国际金属公司、ATI公司以及俄罗斯VSMPO-AVISMA公司等
。

近年来，国内的宝钛公司针对航空航天先进设备造作中对钛合金型材的火急需要，发展了钛合金型材的挤压技术钻研，突破了多项关键技术，实现了幼批量出产，但在质量和出产不变性等方面与美国和俄罗斯等国相比仍存在一些差距
。本文通过对国内表目前公开颁发迪胙合金型材挤压工艺钻研和产品开发技术近况进行总结和分析，为推进我国钛合金型材精密挤压技术的发展提供启迪
。

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造作工艺蕴含二次真空电弧沉熔、挤压锭坯的造备、型材的挤压、型材的热成型或机加工以及后续热处置和喷涂等工序，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

挤压过程不仅与资料的机能关系亲昵，并且挤压变形大局、温度、挤压比、挤压速度、光滑前提以及模具结构等多多工艺前提对挤压过程的影响沉大，各成分对制品的质量影响关系复杂，如图5所示
。确定挤压工艺时要求在维持模拥有中意寿命的前提下造考订确的参数和流程，即要求预热温度、挤压比、挤压速度及光滑方式等多方面的共同
。

传统设计钛合金型材挤压工艺的方式为凭据经验公式及设计人员的工作经验，选取逐步试错的步骤来达到尺寸和组织机能等各方面的要求，这个过程必要很长的功夫，且需亏损大量的原资料
。据统计，发展一次全方位的试验所需钛合金超过400kg
。随着有限元仿真技术的发展，越来越多的科研人员对钛合金挤压工艺进行了有限元数值仿照钻研，以分析挤压过程中各工艺参数的影响法规、优化工艺参数、缩短工艺设计功夫，部门学者还对挤压过程的微观组织进行了仿照，并将仿照获得的应力应变场、温度场与显微组织及显微硬度散布尝试了局进行对比，获得了较为丰硕的试验数据
。魏慧慧等、Li L等及娄燕通过有限元分析钻研发现，坯料的温升随挤压速度、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等综合钻研各工艺参数后发现影响温度和挤压力最大的成分是挤压速度，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幼，但对温度的影响较大
。Bergamini R等使用直径Φ100mm、长度500mm的Ti-64圆柱坯料发展了U形和T形两种截面型材的挤压试验，试验选取分歧的坯料预热温度及温升速度，试验了局如表1所示
。钻研发现，分歧前提下挤压的型材拥有相近的微观组织，但是部门前提下出现了开裂景象，开裂的重要原因是U形截面前提下挤压比更大，因而，资料变形速度更大，型材表表会有更多的变形热和更严沉的温度集中，从而导致表层资料和芯部资料的温度和变状态态不一致
。为了预防在现实出产中出现类似的缺点，应该将该资料挤压时的最高温度节造在稍高于β相转变温度
。

图5 钛合金型材挤压重要工艺参数及其对制品缺点大局的影响

表1 分歧截面钛合金型材挤压了局

另表，钛合金型材挤压后的扭曲或弯曲是无法齐全预防的问题，出格是在薄壁非对称截面钛合金型材中尤为严沉，扭曲或弯曲的产生通常是模具结构、光滑前提和挤压前提等多成分作用的了局，其中与模具出口处的圆角大幼和出吵嘴度关系最大
。Damodaran D等基于DEFORM-2D成立了蕴含感应加热、坯料转移、玻璃光滑和挤压多阶段的有限元仿真模型，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进行了评估，如图6所示
。

通过有限元推算及分析发现，模具结构对型材精度的影响很大
。对模具结构进行优化，如将一侧的模具角杜咨90°批改为75°，可扭转出口处型材的流动方向，从而使挤出后型材尺寸更靠近于梦想要求
。最后在2000t压力机上进行了试验验证，证了然优化规划的可行性
。

在挤压工艺的系统优化及理论钻研方面，Shin T等以钛合金反向挤压为例，成立了其热力耦合的有限元仿真模型，通过对挤压过程的全面仿真分析和对比，成立了基于建改的Cockroft-Latham断裂准则工艺设计参数敏感评估步骤，可优化工艺设计过程，削减模具和资料损失
。

2、光滑方式及光滑资料

光滑问题是钛合金热挤压技术的一个难点，也是国内表钻研的热点
。传统的光滑方式有光滑脂、金属包覆等
。但是，在钛合金型材的挤压前提下，玻璃光滑剂是一种更为梦想的光滑剂
。玻璃光滑剂在高温拥有肯定的粘度和较好的绝热成效，挤压时能够尽可能地使接触表表的干摩擦转变为天堑摩擦，从而提高制品的表表质量，耽搁工模具的使用寿命，并且由于降低了挤压工模具对金属链坯的冷却作用，削减了工模具对金属的摩擦阻力，可使金属流动的不均匀性削减，从而提高挤压抑品的机能，但要求玻璃光滑剂拥有相宜的高温粘度并随温度变动的颠簸较幼
。

图6 钛合金挤压型材模具结构设计优化

（a）型材截面状态 （b）挤压过程示意图 （c）挤压过程具体信息

玻璃光滑蕴含锭坯预先涂覆防氧化玻璃浆料、锭坯表表滚涂玻璃粉和挤压时在挤压模型锭坯之间使用玻璃垫等步骤
。3种大局的资料在挤压工艺中的使用步骤如图7所示
。使用过程中的重要工艺参数或前提蕴含涂覆层厚度、玻璃垫厚度、玻璃粉与增长剂及水的配比等
。

图7 钛合金型材热挤压工艺过程示意图

现有的各类玻璃光滑剂最初并非针对钛合金型材挤压而研造，与钛合金型材挤压工艺较难匹配，如表涂粉用玻璃的粘度过幼，与待挤压锭坯表表接触时吸热过多，导致锭坯表表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能迅速熔融，易导致僵硬的玻璃颗粒随金属进入模腔嵌入金属表表，形成压坑和严沉划痕，导致表表质量不高
。

挤压工艺不仅与挤压比等工艺参数有亲昵关系，光滑前提也影响挤压抑品质量
。近年来，北京天力创玻璃科技开发有限公司结合北京有色金属钻研总院和宝钛集团有限公司等单元开发了合用于900~1200℃迪胙合金型材热挤压专用玻璃光滑剂，蕴含涂覆锭坯的防氧化玻璃涂料（Txc-15-2）、挤压前滚涂于锭坯表表的表涂粉（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，钛合金锭坯进行车削或喷砂算帐表表后加热至50~200℃，将该浆料涂覆于锭坯表表，干燥后即可形成一层粉料薄壳，而后将坯料移至加热炉中加热
。表涂粉是一种玻璃细粉，重要成分见表2，在挤压前将其均匀铺设在平台上，夹持保温迪胙合金锭坯在铺设有表涂粉的工作平面上滚动1至2周，使锭坯表表均匀沾有表涂粉，可预防坯料表表温降，并在后续挤压时隔离坯料与挤压筒，起到光滑作用
。玻璃垫原是玻璃颗粒，重要成分见表2，凭据锭坯和挤压模具的尺寸，将其与粘接剂（水玻璃）放入玻璃垫造作模具中压实，获得与型材挤压模具端面尺寸匹配的玻璃垫，而后将玻璃垫穿过挤压筒，搁置于挤压模具之前，确保玻璃垫与模具端面贴合，玻璃垫在挤压过程中可隔离坯料与模具的直接接触，起到光滑和
；つ＞叩淖饔
。使用上述光滑方式获得迪胙合金型材挤压表表质量如图8所示
。

表2 钛合金型材挤压专用玻璃光滑资料成分（%，质量分数）

图8 专用玻璃光滑前提下迪胙合金挤压型材表表质量

在若何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进行了优化设计，即在挤压模芯与坯料接触的前端面上，加工一内凹的型腔，用于搁置玻璃光滑垫，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，使玻璃光滑垫在挤压过程更好地起到光滑作用，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.玻璃光滑垫6.挤压模芯

3、组织与机能

钛合金型材挤压过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均匀的魏氏组织，且晶粒得到细化，从而保障优良的强度和塑性
。国表钛挤压型材在组织及力学机能（蕴含强度、伸长率、断裂韧性等）方面的节造步骤已较成熟，制品在纵向和横向的力学机能方面也很靠近，如图10所示
。

在微观组织方面，根基保留了β相区热加工组织，形成均匀的魏氏组织，大部门为等轴晶，且拥有相近的纵横比，如图11所示
。

图10 国表钛挤压型材力学机能

国内经过多年的钻研，在挤压光滑、模具设计及矫直等关键技术上有所突破，但受限于组织和机能不变性等成分的造约，目前市场上仍短缺系列货架产品供给，国内对试验阶段获得迪胙合金型材及管材的微观组织和机能及其影响成分尚处于索求钻研阶段，尚未形成有关国度或行业尺度
。

目前重要钻研的影响成分蕴含挤压温度、挤压比及挤压后的热处置工艺等
。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数值达到肯定水平时，持续提高挤压比难以促使晶粒尺寸的进一步细化
；挤压后的双沉热处置有利于提高型材的屈服强度，但在750℃以下、加热总功夫3h之内，热处置温度、保温功夫及热处置次数对钛合金型材的显微组织险些无影响
。整体上而言，目前钻研的TC4挤压型材在抗拉强度、屈服强度和伸长率等方面阐发优良，可能满足航天长桁用型材的要求
。在β相变点以下挤压TC4管材时，显微组织也可得到细化，并产活泼态再结晶
。管材横向表壁晶粒藐幼，内壁晶粒稍大
；纵向头部、中部和尾部的组织根基一致，所得管材拥有较高的力学机能且一致性较好
。

图11 国表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前提下挤压后可获得机能不变的型材制品，制品内有较大的β晶粒，转变组织中的α相呈细条状描摹特点
。TA15管材在分歧温度前提下挤压后的高温力学机能差距显著
。选取β相区挤压的TA15合金管材片层状组织的高温力学机能较两相区双态组织高
。Gr.38钛合金管材热挤压时也产生了动态复原和再结晶，随着挤压温度、挤压比或挤压速度的提高，α相的含量降低，初生α相再结晶更充分，从扭曲拉长的状态逐步转变为球状，同时合金的强度略微降落，塑性略微上升
。

4、结论与瞻望

受限于国内钛合金型材精密挤压技术的发展，目枪曲率构件在新型飞机上的利用无法大幅提高
。因而，为了保险我国自主航空航天飞行器（蕴含军机、大型民用飞机、大型火箭及新一代高机能飞行器等）迪胙合金型材供给，提升上述设备的机能，结合国内表最新挤压钻研成就，作者以为必须从以下几方面进一步发展钛合金型材的精密挤压技术
。

（1）加强有限元数值仿照的利用
。钛合金型材造作企业应与高校结合，突破有限元仿真推算中的关键技术，对挤压过程进行越发正确高效的有限元仿真，提前预测型材截面扭曲或畸变、尺寸精度、开裂甚至资料微观组织演变等法规，结合伙料塑性成形理论，优化挤压工艺参数，提高型材质量和不变性，从而缩短工艺设计周期，降低造作成本
。

（2）越发系统深刻地钻研光滑剂及其机能
。钻研适合于分歧挤压前提下的光滑剂，是提高钛挤压型材产品竞争力的关键
。玻璃光滑剂开发企业应与高
；蜃暄兴燃忧拷岷，钻研分歧种类的高机能光滑剂及其机能，研造系列产品
。成立思考光滑剂机能迪胙合金型材精密挤压有限元仿真模型，对挤压过程和产品质量进行越发深刻和系统的钻研
。

（3）整合钛合金型材利用的高低游开发大截面钛合金型材利用新领域
。结合钛挤压型材的利用需要，整合钛合金型材的挤压、焊接和热成形等工艺过程，从提高资料利用率、削减造作工序等方面动手，发展钛合金型材及带筋钛合金型材热拉弯蠕变复合成形工艺技术，实现钛合金曲率构件的绿色低成本造作，提高钛合金在航空等领域的利用水平
。