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温度梯度对TiAl旋压圆筒质量的影响 |
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作者：韩冬 陈辉 |
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摘要：对TiAl圆筒旋压加工过程中出现的密集型裂纹进行了工艺性分析和研究，得知，TiAl材料内部的温度梯度过大是导致产生裂纹的主要原因。在采取了相应工艺措施后，密集型裂纹得以消除，得到质量颇佳的产品。
主题词：钛铝合金；强力旋压；圆环；工艺因素
1引言
钛合金具有独特的加工工艺特性。它与通常的低碳钢、中碳调质钢不同，没有明显的物理屈服极限，在静载下具有伪弹性、冷蠕变、吸收有害气体严重、记忆效应等特性。另外，在不同的温度下，钛合金具有完全不同的物理特性。
近些年来，随着科技水平的不断进步，钛合金被广泛应用于各个领域。由于钛合金具有较好的工艺性能和耐蚀性，可制造航天飞行器防蚀储罐、化学反应器等。
在利用热轧钛环进行强力旋压制造大型铜箔生产设备生箔机中关键零部件阴极辊过程中，由于钛筒阴极辊的加工质量直接影响铜箔生产质量，因而要求钛筒具有很高的加工精度和致密均匀的组织结构，不允许表面有裂纹产生。然而，在旋压过程中，多次出现热旋压产生的表面密集型裂纹，严重影响了产品的质量。为了消除这一质量缺陷，我们进行了工艺分析和研究，认为钛合金在受热变形过程中，温度梯度与表面密集型裂纹的产生有着很大影响。
2TiAl的性能特性以及旋压圆筒工艺参数的选取
本研究所用的TiAl合金主要含Al、Cr、Mo、Sn、Mn、V等元素，其杂质含量为C＜0．03％，N＜0．01％，H＜0．015％，O＜0．05％、Fe＜0．03％，Si＜0．03％。在M状态下，其抗拉强度为343～490MPa，延伸率30％～40％。熔点（1 668±4）℃，比热577．78J／(kg . K)，热导率17．16W／（m . K），泊松比0．41。
TiAl在M状态下主要组织为等轴α相，并有孪晶结构，塑性及强度指标较好。温度（T）及变形速度（ε）对钛及其合金的塑性有很大影响，旋压过程中，变形速度对其变形影响不大，随着温度的升高，钛合金的塑性呈抛物线变化，300～400℃范围内，影响程度不大，当温度升至450℃以上，塑性指标急剧增大。同时随着温度的升高，其强度指标快速下降。因此钛合金在高温下具有很好的旋压性能。
钛是一种高活性金属，其活性可随温度的升高而增强。常温下它很稳定，但在500～560℃时吸氮，500℃时钛表面易被氧化，随着温度的升高，氧化膜失去了保护作用；常温下，钛吸氢速度很小，其吸氢量＜0．02％，在250℃以上吸氢速度加快。500～600℃时达到最大值，钛对气体的吸附增大了钛材料的杂质含量，而且分布不均，这就大大地降低了材料的塑性指标，增大了材料的变形抗力，尤其是过多的吸氢会导致氢脆，形成钛表面金属硬而脆的脆化层污染，这种脆化层可使旋压钛圆筒表面产生脆裂。
为了提高钛材料塑性，降低强度指标，避免有害气体对钛材料的吸附污染，我们将毛坯的旋压温度设置为400～450℃。
TiAl合金圆筒旋压工艺路线为：
毛坯在炉中预热到450℃，保温2～3h；同时用电炉和乙炔火焰枪加热模胎，当模胎表面加热到250～270℃时，坯料出炉并装上模胎进行旋压。
3温度梯度对TiAl圆筒旋压的影响
在450℃下进行钛圆筒热旋压，钛合金处于最佳旋压工艺状态；但在旋压过程中圆筒内外表面都出现大范围密集型小裂纹，直接影响着圆筒旋压质量，为此进行了分析和改进,见表1。表1改进前后TiAl旋压圆筒质量状况
 经过多次的试验研究和分析表明，产生钛圆筒旋压裂纹的根源是材料变形时内部本身的温度梯度过大造成的。
在装料、旋压过程中，钛坯表面的热量通过辐射、空气对流、模胎传导而不断散失，尤其是传导散失热量很大，由于TiAl合金导热性很差，热导率为17．16W／（m . K）；而与之相接触的钢质模胎是良导体，热导率83．73W／（m . K），是钛合金的4．8倍。因此高温下TiAl表面的热量很快会流向钢模胎，使钛合金表面温度降低；而钛合金内部温度几乎保持不变。这样在钛合金的表面和内部形成了很大的温度差，由于温度差的存在，使得TiAl的表面和内部具有相差很大的塑性和强度。旋压变形时，TiAl材料内部由于有很好的塑性和较低的强度，很容易流动，而表面材料由于温度较低，变形不完全，金属流动受阻，旋压时材料表面会产生很大的拉应力，使其表层沿45℃方向产生裂纹（图1）。
图1旋压钛筒裂纹状况
Fig.1Cracks situation of the spun cylinder
4采取的工艺措施和实施效果
由于钛合金圆筒表面产生密集型裂纹的主要原因是由钛材料的温度梯度所致，因而要消除裂纹就得有效地减小TiAl的温度梯度。
4.1控制TiAl散热时间以降低材料散热量
通过快速加热，快速旋压的办法，把原来的5道次旋压改为4道次旋压，旋轮进给量由40mm／min提高到75～80mm／min，提高了旋压加工效率，有效地缩短了钛材散失热量的时间，降低了加工过程的温度梯度。另外，在旋压时，采用一种新型加热燃料FLAMEX代替乙炔焰加热，加热效率提高4～5倍，有效地补充了钛材表面散失的热量。
4.2利用局部加热的办法补充散失热量
TiAl圆筒旋压过程，裂纹产生的位置一般在圆筒两个端头方向。因为端头是模胎同钢质部件连接的部位，而其它部件不能加热，钛筒的热量首先从这里散失。为此，加热TiAl圆筒应以此处为重点，不断的加热补充热量，保证端头部位温度梯度与中间保持一致。
4.3涂刷耐高温润滑材料
在模胎和钛筒中间均匀涂刷耐高温的润滑材料——胶体二硫化钼，该材料不但可以有效减少钛材料热散失，还可以增加钛材料变形流动性，旋压变形时钛材料不致于产生应力裂纹。
通过一系列工艺措施的实施，有效地减小了钛合金材料在旋压变形时的温度梯度，消除了裂纹产生的根源，旋压出了无裂纹、表面质量很好的钛合金圆筒，见表1中序号6～10。
5结论
实践证明，TiAl圆筒在400～450℃温度下进行旋压成形工艺是可行的，但必须严格控制温度梯度，以消除旋压时钛合金圆筒表面裂纹，而TiAl圆筒表面裂纹产生的根本原因就是TiAl圆筒旋压时，内部温度梯度过大，导致受力变形不均所致。
文章编号：1006-2793（1999）01-0072-03
致谢本论文受到7414厂李增辉，王北平等同志的大力帮助，在此致谢。
获奖情况：本课题获航天科技进步三等奖。
作者简介：韩东，男，岁，工程师，从事固体发动机金属壳体旋压工艺。
作者单位：中国航天工业总公司四院七四一四厂,西安,710025
参考文献
［1］顾海澄，高护生.TA2、TC1和TC4静载下强度特性及断裂机制.钛科学与工程,1987,267～273(end)
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(6/12/2005) |
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