钛材热挤压成形技术的研究与发展

第 20卷专辑 1 中国有色金属学报 2010年 10月 Vol.20 Special 1 The Chinese Journal of Nonferrous Metals Oct. 2010 文章编号：1004-0609(2010)S1-s0897-05 钛材热挤压成形技术的研究与发展 贾如雷 1, 2，计 波 2，吕维洁 1，王宗宝 2 (1. 上海交通大学 材料科学与工程学院，上海 200030； 2. 宝钢股份有限公司 特钢事业部，上海 200940) 摘 要：概述国内外钛材热挤压成形技术发展现状。在介绍钛材热挤压成形技术特点的基础上，介绍钛材热挤压 工艺的特点、发展与研究新思路，进一步探讨我国钛材热挤压成形技术的关键问题。 关键词：钛材；热挤压；钛型材；钛棒；钛管 中图分类号：TF 804.3 文献标志码：A Research and development of hot extrusion technology for titanium products JIA Ru-lei1, 2, JI Bo2, LÜ Wei-jie1, WANG Zong-bao2 (1. School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 20030, China; 2. Special Steel Business Unit, Baosteel Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 200940, China) Abstract: The development of hot extrusion technology of titanium and titanium alloys in home and abroad was briefly reviewed. On the basis of the characteristics of hot extrusion technology of titanium and titanium alloys, the characteristics, development and new idea of hot extrusion of titanium products were introduced in detail. And some key problems on further development of hot extrusion technology of titanium products in our country were pointed out. Key words: titanium products; hot extrusion; extruded shapes; extruded bars; extruded tubular billets 热挤压工艺是利用挤压机上挤压杆传递的高压， 对封闭在挤压筒中的坯料进行挤压成形使之成为与模 具形状相同制品的一种先进的塑性加工方法。常见金 属热挤压过程如图 1所示。其具有提高金属的变形能 力和制品综合质量等优点[1]。钛及钛合金属难变形金 属，因此热挤压工艺对生产大规格、厚壁或高要求钛 管、钛棒、钛型材(钛挤压材)而言是最有发展前景的 生产方法。 钛挤压材已广泛应用于航空、航天、海洋工程和 石油化工等领域。近年来，随着我国国民经济的快速 发展，钛挤压材的需求越来越多，但要求也更高。目 前，我国已有宝钛 3 150 t、宝钢 6 000 t等用来挤钛的 挤压机，可生产钛管、棒及简单断面型材及复合材。 但钛热挤压技术发展缓慢，较复杂的断面型材还不能 生产，与国外相比存在较大差距[2]，因此，有必要了 解目前国内外钛材热挤压技术、工艺研究和发展情况， 图 1 钢管热挤压过程 Fig.1 Hot extrusion process of steel tube 通信作者：贾如雷；电话：021-26032709；E-mail: jiarulei@baosteel.com 中国有色金属学报 2010年 10月s898 图 2 钛材热挤压工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 Fig.2 Technological process of hot extrusion for titanium alloys 为进一步发展我国钛材热挤压成形技术提供启示。 1 钛热挤压工艺、技术研究与发展 钛是一种高活性金属，在一定的温度、压力和 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面状态下具有和模具粘结的特性。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，这样表面层就产生较大的附加拉应 力，在钛挤压材表面易形成裂纹。严重时，在挤压棒 材及管材上可能产生较大的中心挤压缩孔。同时，挤 压钛及钛合金时热效应显著，不合适的挤压工艺对挤 压品组织和性能有副作用。钛的弹性模量低，回弹严 重，成形困难。因此钛合金挤压变形过程比铝合金和 铜合金等其他有色金属挤压变形过程更为复杂。钛材 热挤压过程根据坯料是否包套有所区别，其主要工艺 流程如图 2所示。针对钛挤压材工业化生产，中外相 关技术研究人员在钛坯料制备、坯料加热、挤压比、 挤压速度、润滑等方面做了大量研究实践工作。 1.1 钛挤压坯料的制备 钛及钛合金的挤压坯传统制造工艺一般是真空电 弧熔炼铸锭经锻造或轧制成毛坯，然后经切削加工或 热压力穿孔制成尺寸和表面质量符合要求的光坯。挤 压管材时，直径小于 50 mm的孔用切削加工法。不经 热穿孔直接挤压，荒管质量好，但成材率低。如果采 用穿孔毛坯，其高度应不大于孔径的 7倍。由图 2可 知，钛挤压流程较长，成材率低。为此，国内外先后 研究可直接挤压的空心铸锭坯。乌克兰 Paton电焊研 究所已研究出通过电子束冷床熔炼大型空心锭[3]。我 国直接挤压管材纯钛铸锭工艺也申请了专利[4]。目前， 宝钢、宝钛已引进等离子、电子束冷床炉，为研究冶 炼可直接挤压的空心铸锭工艺打下设备基础。 1.2 钛挤压坯料的加热 一般地，为了便于在最小的压力下能实现快速挤 压，应在能保证产品具有良好力学性能下用尽可能在 较高的温度进行挤压。例如：对于工业纯钛，即使挤 压温度高达 1 038℃，对其力学性能也无明显的影响 [5]。然而，提高温度时，金属的流动不均匀性增加， 这是大多数合金的热挤压特征。同时，对于钛合金而 言，例如 TC4在α+β/β相变温度以上挤压时，所得产 品组织为大片层状组织，并保留有清晰完整的原始β 晶界，断面收缩率明显降低。而在两相区(920~950℃) 挤压，所得组织为初生α+β转变组织，具有良好的综 合性能[6]。因此，降低钛合金的挤压温度不仅可改善 产品的组织和性能，并能保证金属更均匀流动，同时， 使其工具寿命增加，钛挤压材，特别是型材表面质量 提高。所以，纯钛、α型及α+β型钛合金通常在低于合 金的α+β/β相变温度 20~100℃挤压。β型钛合金通常采 用高于相变温度挤压，但对该类合金还应考虑到其热 敏感性，温度太高，β晶粒急剧长大，将使塑性降低。 在确定钛挤压温度时，还应考虑钛及钛合金的挤压变 形功转变为热能使产品温度升高的所谓热效应。娄燕 [7]研究了 TC4挤压温升最高达 160℃。 钛及钛合金坯料在弱氧化气氛中加热时不仅改善 挤压件的表面质量，还可以显著提高工具寿命。因此， 对于工业化生产的钛合金一般采用先在氧化性气氛的 火焰炉及电炉中加热，再用中频或工频感应炉均热。 1.3 钛挤压比的确定 挤压加工中，变形程度一般用挤压比(λ)表示。为 了改善制品的组织和性能，挤压钛及钛合金时很多研 究者都认为应该采用较大的挤压比，其实，钛的挤压 比与铜、铝等有色金属、钢等黑色金属相比，都相对 较小，一般小于 30。研究表明：TC4钛合金在两相区 加热，采用 3~10的挤压比，可得到综合性能良好的 产品；而在相同温度加热，采用挤压比为 28时，由于 变形热效应而使温度升高到α+β/β相变温度以上，使产 品出现网状组织，材料综合性能变差[8]。除考虑金属 第 20卷专辑 1 贾如雷，等：钛材热挤压成形技术的研究与发展 s899 本身特点以外，选择挤压比时还必须考虑设备能力和 工模具的强度因素。同时，挤压比还受钛的润滑方式 的影响。一般采用玻璃润滑选用的挤压比包套挤压的 小。 1.4 钛挤压速度的选择 如上所述，钛及钛合金导热性差、变形热效应大， 当采用过高速度挤压时，将使钛挤压材表面质量和性 能变坏，因此，钛的挤压一般选用 80~130 mm/s中等 速度挤压。挤压速度对挤压热效应的影响可用来保持 钛及其他材料挤压产品温度的恒定。由此产生了一项 新的挤压技术——等温挤压。据国外文献报道[5]，挤 压速度级根据挤压件挤出的温度变化进行校正，温度 采用精密仪表记录。通过温度信息反馈，调节挤压速 度。此外，还可通过理论模拟程序控制挤压速度。通 过计算机预先计算出温升规律，根据不同的产品，选 择相应的程序进行等温挤压。 1.5 钛挤压润滑剂 钛在 980℃和 1 030℃的温度下易与铁基或镍基 模具材料形成易熔共晶体，因而钛挤压时无润滑或润 滑不好，不但会使模具产生强烈的磨损，还易使钛挤 压材表面形成较深的划痕和擦伤。因此，钛合金必须 采用润滑挤压。润滑问题是国内外钛及钛合金热挤压 技术的一个难点，也是一个研究热点。目前，钛挤压 时使用的润滑剂主要有润滑脂、玻璃润滑剂和金属包 覆 3种类型。 润滑脂一般为加有稠化剂的矿物油。用润滑脂润 滑剂方便，实用，可以挤出表面质量优良的钛材，但 往往挤压制品的长度受到限制。挤压型材的最大长度 限于 3~4.5 m[9]。长挤压材末端易出现粘结缺陷。现在 该方法多为小批量生产或与下面两种方法连用。 玻璃润滑挤压是目前世界上最先进的润滑工 艺[10]，自 1941年发明至今已得到广泛应用。与其他 润滑材料相比，玻璃润滑剂具有导热系数低，隔热性 能好，高温附着性能好，耐压能力高，化学性能稳定 性好，与金属不起反应，能防止金属被气体污染等优 点。因此，它是最具发展潜力的润滑材料。目前，世 界上普遍采用玻璃润滑挤压。我国虽然也很早开展玻 璃润滑剂的研究，但该类润滑剂还未达到钛材挤压工 业化应用水平[11]。目前，我国普遍采用的是包套润滑 挤压。 金属包覆润滑主要是在钛坯料外面包覆铜、软钢 或其它金属，也可喷涂铜等。目前，应用最广泛的是 铜包套挤压。采用铜包覆挤压，当金属加热温度超过 850℃时，在钛与铜的界面上会生成一种 Ti-Cu共晶 组织，该组织为脆性物质，不仅起不到润滑的作用， 反而会破坏正常的挤压。因此，该方法一般只限于纯 钛挤压。金属包覆挤压工序复杂，成本高，酸洗过程 环境污染严重。文献[12]报道了包覆铜皮及其残液回 收工艺。该方法在国内有一定的应用。另外，也有研 究电解回收铜包套工艺[13]。 钛及钛合金优质产品的挤压，要求在保持工具有 较满意寿命的条件下制定正确的生产工艺，即要求温 度、挤压速度、挤压比及润滑方式的的配合。表 1所 列为典型钢种挤压棒材的 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 。 表 1 钛及钛合金棒材的挤压参数 Table 1 Extrusion parameters for bar products of titanium and titanium alloys 合金 牌号 加热温度/ ℃ 挤压比 润滑方式 挤压速度/ (mm·s−1) TA1 700−800 4−30 紫铜包套 25−150 TC4 900−1 000 5−15 玻璃润滑 90−120 TA7 950−1 200 5−15 玻璃润滑 90−120 2 钛材热挤压工艺的新思路 与传统的成形工艺相比，现代先进加工技术对坯 料以及材料流动控制等方面要求更高，所以采用基于 经验的试错设计方法已经不能满足实际需要。有限元 模拟是优化设计减少模具和金属损失的一个有效方 法[14]。自从 LEE 和 KOBAYASHI 将有限元法(FEM) 引入塑性加工领域以来，该技术被广泛地应用于分析 材料变形过程中参数的变化。基于有限元法的塑性成 形数值模拟技术是当前国际上极具发展潜力的成形技 术前沿研究课题之一。 目前，很少有用有限元法分析钛合金热挤压加工 的报道。LI等[15]采用有限元软件分析计算了Ti-6Al-4V 合金棒材挤压成形过程，并将分析结果与实验结果进 行了比较。其两者的误差小于 10%，说明有限元模拟 分析可以应用于指导实际生产工艺。DAMODARAN 和 SHIVPUI[16]通过有限元模拟技术对钛合金热挤压 材进行复杂结构钛型材尺寸偏差的预测和控制。研究 中国有色金属学报 2010年 10月s900 涉及了所有与热挤压相关的因素，比如感应加热、坯 料转移、玻璃润滑剂、金属流动和模具等。根据 FEM 研究结果对挤压模具进行了改进，最后通过在 2000T 液压机挤压 Ti-6Al-4V型材进行了验证。何铁宁和李 海峰[17]利用刚黏性有限元法，对钛合金深孔薄壁梭心 套壳零件挤压成形过程进行了三维热力耦合数值模拟 分析，获得了钛合金挤压成形时载荷与时间(或行程) 的关系以及工件上的应力、应变、应变率和温度的分 布信息，所得结果对产品加工工艺的制定和模具设计 都具有指导意义。 3 我国发展钛材热挤压技术的关键 问题 目前，我国钛热挤压技术与美俄等国还有很大的 差距。综合以上分析，我国进一步发展钛材热挤压技 术的几个关键问题： 1) 钛挤压管坯制造工艺。目前我国生产钛挤压材 基本采用不经扩孔直接挤压的方式，成材率低，成本 高。因此，要积极开展冷床炉冶炼空心管坯的工艺研 究，降低生产成本，提高市场竞争力，势在必行。 2) 钛及钛合金用玻璃润滑剂研制。润滑剂对于热 挤压成形产品质量和生产成本有着重要影响，研究适 合于不同钛合金的润滑剂是目前迫切需要解决的问 题，也是提高钛挤压材产品竞争力的关键。解决这一 问题，除积极消化吸收国外技术外，玻璃润滑剂开发 企业与钛挤压材生产企业应加强联合研究不同种类的 润滑剂。 3) 加强有限元数值模拟在钛热挤压中的应用。利 用有限元模拟技术是生产钛型材的捷径。目前，国内 基于钛热挤压的有限元数值模拟基础研究工作还不 够，企业对有限元技术的应用也很少。因此，企业与 相关研究单位应加强合作进行钛热挤压模拟技术的研 究。 4 结语 21世纪的金属加工业在世界经济中仍占支柱地 位，热挤压技术是先进金属加工技术的一个重要分支。 发展钛热挤压成形技术解决我国钛材热挤压技术中的 关键问题，对于解决我国大飞机用钛管、型材及提升 我国高端钛挤压材产品的市场竞争力有着重要的意 义。 REFERENCES [1] 谢建新, 刘静安. 金属挤压理论与技术[M]. 北京: 冶金工业 出版社, 2004: 8. XIE Jian-xin, LIU Jing-an. Theory and medal extrusion technology[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2004: 8. [2] 冯玉珩 . 钛及钛合金管材生产 [J]. 钛工业进展 , 1994(2): 55−59. FENG Yu-hang. Tube production of titanium and titanium alloy[J]. Titanium Industry Progress, 1994(2): 55−59. [3] 曲银化, 刘茵琪, 张俊旭. 乌克兰电子束冷床熔炼钛及钛合 金技术的发展现状[J]. 稀有金属材料与工程, 2008, 37(增刊 3): 111−114. QU Yin-hua, LIU Yin-qi, ZHANG Jun-xu. The development of electron beam cold hearth melting in Ukraine[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2008, 37(Suppl.3): 111−114. [4] 常荣波. 钛及钛合金管坯专用中空钛锭的熔铸工艺 : 中国 200810017893.5[P]. 2008−08−27. CHANG Rong-bo. Melting hollow titanium ingot technology specially used in tubular billets of titanium and titanium alloy: CN 200810017893.5[P]. 2008−08−27. [5] 陈石卿, 焦明山. 钛合金的模锻与挤压[M]. 北京: 国防工业 出版社, 1982: 148−150. CHEN Shi-qing, JIAO Ming-shan. Die forging and extrusion of titanium[M]. Beijing: National Defence Industrial Press, 1982: 148−150. [6] 李青云, 王道隆, 刘雅庭. 稀有金属材料加工手册[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1984: 612−613. LI Qing-yun, WANG Dao-long, LIU Ya-ting. Rare metal materials processing handbook[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1984: 612−613. [7] 娄 燕 . 钛合金热挤压的有限元模拟 [J]. 热加工工艺 , 2003(1): 39−41. LOU Yan. A study on hot extrusion of Ti-6Al-4V using simulation and experiment[J]. Hot Working Technology, 2003(1): 39−41. [8] 冯玉珩. 钛及钛合金的挤压[J]. 钛工业进展, 1995(1): 13−16. FENG Yu-hang. Extrusion of titanium and titanium alloy[J]. Titanium Industry Progress, 1995(1): 13−16. [9] 刘雅庭. 特殊形状钛合金型材挤压[J]. 稀有金属材料与工程, 1995, 24(6): 75−80. LIU Ya-ting. The new processing technologies of the metal matrix composite[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 1995, 24(6): 75−80. [10] 黄金昌，赵克德. 关于钛挤压的玻璃润滑问题[J]. 稀有金属材 料与工程, 1977(5): 26−28. 第 20卷专辑 1 贾如雷，等：钛材热挤压成形技术的研究与发展 s901 HUANG Jin-chang, ZHAO Ke-de. The problems about glass lubricant of titanium and titanium alloy[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 1977(5): 26−28. [11] 宝鸡有色金属研究所. 钛及钛合金玻璃润滑挤压的阶段总结 [J]. 稀有金属材料与工程, 1979(2): 44−47. The Baoji Institute of Nonferrous Metals. The brief sum of glass lubricant extrusion of titanium and titanium alloy[J]. Raremetal Materials and Engineering, 1979(2): 44−47. [12] 杨建军, 吕培成. 包覆挤压钛及钛合金除铜皮酸洗及其残液 回收工艺研究[J]. 钛工业进展, 1999(5): 18−21. YANG Jian-jun, LÜ Pei-cheng. Removing Cu layer lading by pickling in extruding titanium and titanium alloy and recycling its raffinate technology[J]. Titanium Industry Progress, 1999(5): 18−21. [13] 曹峻清, 王国兴. 钛管坯铜包套电解回收工艺研究[J]. 稀有 金属材料与工程, 1991(2): 31−37. CAO Jun-qing, WANG Guo-xing. Recycling Cu layer in extruding titanium and titanium alloy by electrolysis[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 1991(2): 31−37. [14] SHIN T J. Process optimal design in non-isothermal backward extrusion of a titanium alloy by the finite element method[J]. Comput Method Appl Mech Engrg, 2005, 194: 3838−3869. [15] LI L X, RAO K P, LOU Y, PENG D S. A study on hot extrusion of Ti-6Al-4V using simulations and experiments[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2002, 44: 2415−2425. [16] DAMODARAN D, SHIVPURI R. Prediction and control of part distortion during the hot extrusion of titanium alloys[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 150: 70−75 [17] 何铁宁, 李海峰. 钛合金挤压三维热力耦合值模拟技术研究 [M]. 锻压技术, 2006(5): 63−67. HE Tie-ning, LI Hai-feng. 3D thermo-mechanical couple numerical simulation of the titanium alloy extrusion process[M]. Forging Technology, 2006(5): 63−67. (编辑 陈爱华)