TC11合金為(α+β）兩相鈦合金，由于其具有較好的綜合性能，在航空航天、艦船領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該合金在成形過(guò)程中對(duì)工藝參數(shù)很敏感、變形溫度范圍窄、變形抗力大，其變形行為和組織性能一直是研究熱點(diǎn)。
TC11高頸鈦法蘭具有底盤直徑大、頸部高的特點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，成形難度很大，需要較大能量的設(shè)備。因此，為最大限度地減少成型過(guò)程中的擠壓力以及在成形過(guò)程中各種缺陷及原材料損耗，需設(shè)計(jì)合理的成型模具；為提高產(chǎn)品的使用性能，需優(yōu)化成型工藝，并研究不成型工藝對(duì)其組織性能的影響規(guī)律。
1、模具設(shè)計(jì)據(jù)
TC11高頸法蘭底盤直徑大、頸部高、變形 抗力大的特性，為使變形坯料能夠順利成形，必須最大限度地減少毛坯在成型過(guò)程中的變形抗力。因此，采用反擠壓及局部墩擠方式成型法蘭毛坯。
1.1 封閉式成型模具設(shè)計(jì)
在成型TC11合金模鍛件時(shí)，為了減少原材料損耗，達(dá)到精鍛的目的，一般采用封閉式模具成型。為此設(shè)計(jì)了封閉式成型模具(見(jiàn)圖2(a))，并進(jìn)行成型試驗(yàn)。
封閉式模具成型效果很不理想，主要是由于TC11合金在擠壓成形過(guò)程中產(chǎn)生的變形抗力很大，為使變形坯料能夠順利充滿模腔，施加很大的成型壓力，成型模具和設(shè)備受到了嚴(yán)重的損耗。經(jīng)成型試驗(yàn)后成型下模完全開(kāi)裂報(bào)廢，油壓機(jī)底座也出現(xiàn)明顯的凹坑，并且由于對(duì)變形坯料施加了很大的成型壓力，TC11成型毛坯表面裂紋很多，甚至部分毛坯開(kāi)裂報(bào)廢。
1.2 開(kāi)放式成型模具設(shè)計(jì)
為了最大限度地降低成型壓力，提高壓機(jī)及模具的使用壽命，減少法蘭毛坯表面裂紋，設(shè)計(jì)了開(kāi)放式成型模具(見(jiàn)圖2(b))，并進(jìn)行成型試驗(yàn)。
開(kāi)放式成型模具在TC11毛坯成型過(guò)程中雖能顯著降低設(shè)備的成型壓力，但無(wú)法限制法蘭底盤毛坯的徑向流動(dòng)。由于法蘭毛坯底盤上、下端面接觸成型模具，熱量損失很快，坯料相鄰處溫度上的差異造成金屬流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生很大速度差異，從而形成底盤上、下端面機(jī)加工余量不足；而相鄰處金屬無(wú)約束徑向流動(dòng)過(guò)快，機(jī)加工余量很大，材料利用率低(圖2(b))。為保證毛坯的順利機(jī)加工，需增加自由鍛校型工序，從而降低生產(chǎn)效率。
1.3 口部開(kāi)放式成型模具設(shè)計(jì)
因?yàn)槊髟谧冃芜^(guò)程中產(chǎn)生軸向和徑向流動(dòng)，軸向流動(dòng)變形抗力較大，大部分坯料朝徑向流動(dòng)，因此，從限制坯料的徑向流動(dòng)及減小擠壓力角度考慮，重新設(shè)計(jì)了口部開(kāi)放式成型模具(見(jiàn)圖2(c))，并進(jìn)行了成型試驗(yàn)。
口部開(kāi)放式成型模具對(duì)比開(kāi)放式模具有個(gè)顯著的特點(diǎn)，即在下底板上固定1個(gè)控制毛坯徑向流動(dòng)的限流套(圖2(c))。加裝限流套后，可以精確地限制法蘭底盤毛坯的徑向流動(dòng)，最大限度地減少原材料損耗。對(duì)比開(kāi)放式模具成型的毛坯單件質(zhì)量可減少1.6kg，同時(shí)簡(jiǎn)化了自由鍛校型工序。法蘭口部采用開(kāi)放式模具設(shè)計(jì)后，該部分毛坯擠壓成型時(shí)無(wú)模具約束，同樣可以降低設(shè)備壓力，大大降低模具及設(shè)備損耗，提高法蘭毛坯的成型質(zhì)量。
2、成型工藝
2.1 成型對(duì)TC11合金變形抗力的影響
為保證TC11變形坯料能順利充滿模腔、減少坯料表面缺陷，在很大程度上取決于TC11變形抗力的降低，因此研究成型工藝參數(shù)對(duì)TC11鈦合金變形抗力的影響規(guī)律。
2.1.1成型速率對(duì)TC11合金變形抗力的影響
將d245mm/d138mm×80mm預(yù)制毛坯在2500t四柱油壓機(jī)上于970℃進(jìn)行等溫成型試驗(yàn)，壓機(jī)下行速率分別為3、7、10和15mm/s。在成型過(guò)程中，通過(guò)壓機(jī)的微機(jī)處理系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
從圖3可以看出：隨著壓機(jī)下行速率的增加，成形毛坯所需的設(shè)備壓力單調(diào)增加，而且隨著下行速率的增大，設(shè)備壓力的增幅也越來(lái)越大。這是由于金屬塑性變形本質(zhì)上就是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，隨著應(yīng)變速率的增加，變形時(shí)間縮短，單位時(shí)間內(nèi)塑性變形量增加，促使更多的位錯(cuò)同時(shí)發(fā)生，速度也增大，致使金屬內(nèi)部的畸變程度加劇，位錯(cuò)交滑移、擴(kuò)散和攀移更加困難，并出現(xiàn)位錯(cuò)塞積，使得繼續(xù)變形困難。同時(shí)，TC11合金來(lái)不及進(jìn)行回復(fù)和再結(jié)晶或進(jìn)行得不充分，這些都會(huì)造成TCl 1毛坯變形抗力的增加。
當(dāng)壓機(jī)下行速率為3mm/s時(shí)，個(gè)別的成形法蘭毛坯底部有一條直徑為240～250mm的環(huán)狀褶皺，環(huán)狀褶皺的直徑與預(yù)制毛坯的外徑尺寸相同。這是因?yàn)門C11合金隨著變形溫度的降低，塑性急劇的下降，預(yù)制毛坯在模腔內(nèi)成型時(shí)，端部外圓最先接觸到模腔，冷卻速度很快；由于變型速度過(guò)慢，使該處的金屬冷卻而不能徑向流動(dòng)，而溫度高的部分繼續(xù)徑向流動(dòng)；
由于坯料相鄰處溫度的差異造成坯料徑向流速的差異，從而形成環(huán)狀褶皺。因此，為了降低設(shè)備的成型壓力及減少環(huán)狀褶皺缺陷的產(chǎn)生，壓機(jī)最佳下行速率為7mm/s。
2.1.2成型溫度對(duì)TC11合金變形抗力的影響
TC11合金的擠壓溫度以β相變點(diǎn)為基準(zhǔn)，一般在低于口相變點(diǎn)30-100℃的溫度區(qū)域內(nèi)進(jìn)行擠壓。TC11合金相變點(diǎn)為998～1 010℃，因此，在加熱溫度為900、950、970℃，壓機(jī)下行速率為7mm/s時(shí)，測(cè)試不同擠壓溫度所需設(shè)備的成型壓力(圖4)?？梢钥闯觯弘S著成型溫度的升高，金屬流動(dòng)所需的設(shè)備壓力明顯降低。這是因?yàn)闇囟壬?，原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，原子間結(jié)合力減弱，從而導(dǎo)致流動(dòng)應(yīng)力降低。因此，為減小TC11合金的變形抗力，使金屬流動(dòng)順利充滿模腔，應(yīng)適當(dāng)提高TC11高頸法蘭毛坯成型溫度。
2.2 成型溫度對(duì)TC11合金組織性能的影響
在擠壓TC11高頸法蘭的過(guò)程中，成型溫度是影響法蘭顯微組織及力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。將d245mm/d138min×80 Im圓柱毛坯在不同的成型溫度及壓機(jī)下行速率為7mrn/s的條件下進(jìn)行成型試驗(yàn)。在經(jīng)過(guò)不同成型溫度成型的毛坯上截取金相試樣及力學(xué)試樣，用OLYMPUS GX71金相顯微鏡觀察其顯微組織，并對(duì)試樣進(jìn)行室溫拉伸及U型沖擊試驗(yàn)。
圖5(a)所示為成型溫度900。C時(shí)TC11合金的顯微組織?？梢钥闯觯河捎诔尚螠囟容^低，組織有大量初生片條狀α相及球狀僅相，α相周圍分布著少量晶間β相。隨著成型溫度的升高，片層狀組織結(jié)構(gòu)破碎和球化的程度提高，初生片條狀α組織減少；經(jīng)950及970℃成型的顯微組織均為等軸初生α+β轉(zhuǎn)組織，且都比較均勻(圖5(b)、(c)；經(jīng)970℃高溫成型的顯微組織中聲轉(zhuǎn)組織略有增加，初生α相含量略有減少，且α邯轉(zhuǎn)組織都有體積增大及球化趨勢(shì)；當(dāng)進(jìn)一步提高成型溫度到1020℃時(shí)(圖5(d))，因已處于∥相區(qū)，組織呈現(xiàn)典型的片狀魏氏組織，具有完整原始的盧晶界，∥晶粒非常粗大，晶內(nèi)針狀α相按一定位向排列。
組織形態(tài)的變化對(duì)應(yīng)著合金力學(xué)性能的變化。表1所列為TC11合金在不同成型溫度下的力學(xué)性能。由表1可以看出：在β相變點(diǎn)以下成型TC11高頸法蘭時(shí)，隨著成型溫度的升高及固溶強(qiáng)化效果的增強(qiáng)，TC11合金的強(qiáng)度明顯增加，由于。α相在高溫作用下的合并長(zhǎng)大，α相聚集球化為等軸晶，塑性并不降低。
當(dāng)成型溫度超過(guò)β相變點(diǎn)時(shí)，得到魏氏組織，即粗大的原始β晶界+針狀α相-該組織抗拉強(qiáng)度高但拉伸塑性及沖擊韌性極差。綜上所進(jìn)，在溫度為970℃，壓機(jī)下行速率為7mm/s下成型所得的組織的強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)具有較佳的配合。
3、結(jié)論
1）根據(jù)TC11高頸鈦法蘭加工圖紙確定丁法蘭成型?？h。采用口部開(kāi)放式成型模具，反擠壓坯料時(shí)，可有效降低設(shè)備成型壓力，減少原材料損耗。
2）成型TC11高頸法蘭時(shí)，成型工藝隨著成型速率的降低及加熱溫度的升高，可有效降低TC11合金的變形抗力。
3）TC11高頸法蘭可采用970℃，壓機(jī)下行速率為7mm/s韻成型工藝，成型后的最微組織為等軸初生α+β轉(zhuǎn)組織，其有較好的綜臺(tái)力學(xué)性能。
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