钛合金锻造开裂的7大类型及原因如何预防?

   2024-01-12 IP属地 陕西12840

  钛合金具有密度低、强度高、耐高温、耐腐蚀、无磁及生物相容性好等优异的综合性能,在当代航空航天、兵器装备、化工石油、医疗、核电等领域的应用越来越广泛,其中大部分以棒材、锻件及轧制型材等变形合金使用。锻造变形是确保钛合金材料获得理想组织与性能的重要手段,但在钛合金锻造尤其是铸锭到棒坯的生产过程中,经常出现各种形式的开裂,不仅加大生产制造成本,而且降低生产效率和成材率,严重时导致产品报废。鉴于此,本文就多年钛合金锻造过程中发生的开裂现象进行分析、总结,并提出预防和解决开裂的措施,以确保钛合金锻造生产效率和产品质量。

  1、钛合金锻造开裂分类及原因

  1.1、端面开裂

  端面开裂是钛合金锻造过程中坯料端面发生的一种开裂,一般裂纹比较大,较为常见。端面开裂影响较大,通常会导致锻造无法按工艺继续进行。端面易开裂主要原因:①铸锭头部缩孔或尾部冷隔未彻底清除干净;②镦粗过程中,坯料端面与锤砧接触热量被吸收,拔长过程中,坯料端面鼓出降温快;③端面位置受到不同方向挤压,变形不均匀,或者拔长时变形速度过快;④某些坯料变形抗力大,流动性差,端面心部凹陷。

  1.2、折叠开裂

  折叠开裂主要有三种情况:一是原材料钛合金铸锭高径比≥2.5或是铸锭中间取样,残留取样槽,镦粗折叠;二是锻造过程坯料中间部位发生开裂,打磨后成深坑,再次镦粗折叠;三是其他辅助工序产生的尖角凸起和凹坑没有按规定打磨排伤。图1(a)为某TB6钛合金坯料中间部位因打磨深坑导致的折叠。图1(b)为某TC4-LC钛合金棒坯分料时锯斜,翻转180°继续锯切,锯切面中间残留尖锐棱角未打磨,再拔长时发生比较严重的折叠。

  1.3、撕裂

  撕裂是指钛合金坯料拔长变形时,将坯料局部撕开的一种横向开裂。锻造撕裂会增加打磨量,降低材料成材率,而成形过程中撕裂较深,可能导致坯料无法满足产品机加尺寸要求而报废。产生撕裂主要原因是单道次压下量过大(单边大于50mm)或压下速率过快,图2(a)为某TB6钛合金板坯撕裂。其次,锤砧因长时间使用发生变形导致其边缘弧度不够圆滑,或是锤砧预热温度不够,常规变形量压下也会导致坯料撕裂。此外,某些台阶轴类棒材或带台阶锻件,因为错台局部尺寸差别较大,拔长锻造时较易发生撕裂,图2(b)为某TC4-DT钛合金锻件台阶处撕裂。

图1 钛合金锻造折叠

图2 钛合金锻造撕裂

  1.4、内裂

  内裂一般是指锻造过程中钛合金坯料内部产生的单点、连续或间断连续的一种开裂,通常较难发现,需通过低倍检查或超声探伤才能发现。该类裂纹破坏了金属连续性,只能报废处理。内裂产生原因可以概括为两类:一是某些钛合金材料因自身含有等难熔金属元素,局部存在较为严重的偏析、夹杂或疏松、冷隔等冶金缺陷,在锻造变形过程中转化为裂纹源;二是对于某些小规格(准90mm或Ф90 mm以下)钛合金材料,拔长过程降温快,倒棱温度偏低或需要掉头锻造,坯料局部存在温度梯度,容易产生内裂。图3为某TA15钛合金准Ф85mm成品棒材探伤时发现的靠近心部位置的内裂形貌,经分析属第二种情况。

图3 钛合金锻造内裂

  1.5、纵向开裂

  纵向开裂是指钛合金坯料锻造时沿流线方向发生的较长开裂,多发生在倒棱位置,当前或下一火次都有可能发生。产生的主要原因是坯料棱角处降温快,与周围存在温差。此外,某些对温度比较敏感的高温钛合金锻造后水冷,倒棱部位因应力也会发生开裂。TC19、Ti60等合金锻造水冷发生过多次纵向开裂,裂纹较深、较长,打磨量较大,修整火次较多,严重影响生产效率。图4(a)为某TB6钛合金坯料在镦粗过程中棱角部位发生的纵向开裂,图4(b)为IMI 834钛合金棒材在滚圆过程中发生的纵向开裂。

图4 两种钛合金锻造的纵向开裂

  1.6、脆性开裂

  某些难变形高温钛合金材料本身塑性差,过程控制不当,容易引起严重脆性开裂,裂纹较深且难以清除。低于工艺要求的终锻温度锻造,坯料在较大压力作用下易发生脆性开裂。还有部分高温钛合金材料未采取200~300℃低温入炉或是分段加热工艺不合理,升温过快,由于钛合金导热能力差,导致加热过程中坯料端部和中间、表面和心部存在较大的温度梯度,出炉后锻造,发生严重开裂。图5(a)所示为某高温钛合金试验料开裂,险些断为两节,经分析与加热过程升温过快有关。图5(b)所示为某Ti3Al铸锭锻造过程发生的脆性开裂,经分析是由于冷却操作不当造成的。由于设备故障停锻空冷,操作机夹持铸锭部位包裹的保温棉未及时清除干净,铸锭冷却不均匀,且该材料对温度比较敏感,再加热锻造时,在铸锭包裹的保温棉边界处开裂。

图5 钛合金锻造的脆性开裂

  1.7、表面通身开裂

  铸锭冶金质量差,表面缺陷未清除彻底,或是加热工艺不合理导致锻造过程中坯料表面发生开裂。一般面积比较大,危害严重。图6为来料加工TC4-LC钛合金铸锭第一火拔长时,靠近头部位置侧面发生的严重开裂(图中方框处),经分析是该炉号铸锭冶炼质量较差、铸锭表面冷隔和皮下气孔未清除干净导致的。公司某钛合金试验料铸锭第一火锻造后通身开裂严重,经分析该试验料相变点1020℃,而开坯温度仅1050℃,加热温度偏低,铸态组织塑性差,导致开裂严重,后升温至1150℃重新开坯,开裂明显减少。

图6 TC4-LC钛合金锻造表面开裂

  2、钛合金锻造开裂特点

  2.1危害严重

  钛合金开裂危害严重,不仅增加工人打磨劳动强度,降低生产效率,还会降低产品成材率。部分严重开裂因打磨较深,需要增加火次修整,增加生产制造成本,对于批产产品因违反已固化工艺规范,容易造成产品质量波动。更为严重的锻造开裂,由于无法满足产品交付尺寸或重量要求,导致产品报废。

  2.2、先天性

  对于Ti3Al、Ti2AlNb、IMI 834以及一些新成分的难变形高温钛合金,由于自身结构和组织因素,变形能力较差,本身比较容易开裂。某些钛合金铸锭冶金质量较差,存在偏析、夹杂、皮下气孔或冷隔等冶金缺陷,在后续锻造过程中容易发生多火次开裂且较难消除。

  2.3、难修磨

  钛合金开裂具有难修磨特点:①产生裂纹,必须清除干净,需控制打磨宽深比≥10,打磨量较大;②部分塑性差钛合金,由于打磨导致坯料局部温升,存在温度梯度,冷却后因应力作用,裂纹会继续延伸,即边打磨边开裂;③某些小规格钛合金棒材或锻件,因重量尺寸小,打磨不易固定;④某些较长棒材、锻件端头开裂,需竖起打磨,难以操作且存在安全隐患;⑤某些异形件因形状尺寸不规则,内部裂纹打磨无处下手等。

  2.4、难检验

  钛合金开裂具有难检验特点:①裂纹需100%检验,检验工作量大;②裂纹变小后,容易被打磨粉尘遮掩,检验人员无法用肉眼判定是否清除彻底;③某些异形件形状不规则,裂纹较难检验;④内裂发生在坯料内部或表皮下面,肉眼不可见,一般都是成品探伤或低倍检验时才能发现,为时已晚;⑤易开裂或成形前坯料进行着色渗透检验,增加检验人员工作难度。

  3、钛合金锻造开裂预防及解决

  根据上述七类钛合金开裂的形式、原因及特点,并结合开裂实例,制定针对性预防措施。同时,需注重提高员工操作水平和默契度,确保关键设备运行状态完好,制定并严格落实适宜的打磨、检验规范,控制好关键点和重要细节等。

  3.1、端面开裂预防

  一是运用超声探伤等检测手段务必确保铸锭头部缩孔或尾部冷隔彻底清除干净;二是锻造前,锤砧充分预热至规定温度(≥300℃),并且镦粗时坯料上下端面盖一层隔热保温棉,减少锤砧吸热,镦粗盖棉已经写入公司钛合金锻造工艺规范,实践证明对于减少坯料端面开裂,效果显著;三是坯料拔长过程,禁止出现变形速度过快、变形不均匀等操作;四是对于某些变形抗力大、流动性差的坯料,镦粗时采用圆弧镦粗板,拔长时从中间往两端赶料,以防端面心部凹陷。

  3.2、折叠开裂预防

  一是控制原材料钛合金铸锭或中间过程坯料高径比≤2.5,较合适的高径比范围1.8~2.3;二是铸锭中间部位残留取样槽及坯料折叠开裂部位机加或打磨处理时,务必圆滑过渡,宽深比≥10为宜;三是务必确保锯切、机加等辅助工序产生的尖角凸起和凹坑(比如机加定位孔等)按内控要求打磨处理掉,类似图7所示的坯料台阶、定位孔等必须打磨清除干净,方可继续锻造。

图7 钛合金坯料需排除的尖棱尖角

  3.3、撕裂预防

  一是快锻机锻造时单道次单边压下量控制20~30mm范围内,压下速率不要过快(以5~10mm/s为宜);二是确保锤砧边缘弧度≥R40mm,发生变形及时维护处理,并确保锤砧提前预热至300~400℃;三是针对台阶轴类棒材或台阶锻件,台阶处锻造时务必使用磕棍轻压,再分多锤缓慢压下,单锤变形量更要严格控制在30 mm以内,出现撕裂时,分锤修整或及时停锻打磨。

  3.4、内裂预防

  一是对于含钨、钼和铌等难熔金属元素的钛合金材料,应从源头入手,加强铸锭熔炼工艺研究,提升熔炼技术水平,减少或消除偏析、夹杂、疏松或冷隔等冶金缺陷的产生;二是针对小规格钛合金坯料,拔长过程务必及时倒棱,并尽量避免坯料夹持端掉头锻造,条件允许时应及时返炉再锻。

  3.5、纵向开裂预防

  一是钛合金坯料拔长过程中及时倒棱,禁止出现尖棱、黑棱;二是某些对于温度比较敏感的高温钛合金锻造后进行空冷或盖保温棉缓冷,尽量不采用风冷、水冷、油冷等快速冷却的方式。

  3.6、脆性开裂预防

  对于难变形高温钛合金材料,应采用“包棉锻造”:即坯料加热至规定保温时间,将坯料取出,包裹一层保温棉(厚度约10mm,均匀撒一层玻璃丝防护剂),返炉继续加热(时间根据坯料尺寸和包棉快慢),出炉锻造,过程及时增盖保温棉,尽量减少坯料温度损失,确保始终在工艺规定的终锻温度以上锻造,实践证明该操作可以显著减少开裂。另外,该类钛合金加热宜采取200~300℃低温入炉,分多段加热,缓慢升温(50~100℃/h),以确保坯料受热均匀,减少不同部位温度梯度。最后,锻造过程禁止掉料,避免与工装产生剧烈碰撞;冷却过程缓慢、均匀;裂纹打磨完毕进行着色渗透检验等。

  3.7、表面开裂预防

  一是对铸锭冶金质量较差导致的表面开裂,应加强熔炼工艺研究,提升熔炼水平,锻造前需彻底清除铸锭冷隔、皮下气孔等冶金缺陷。二是制定加热、锻造工艺时,应深刻总结某试验料加热温度偏低导致严重开裂的教训,综合考虑多方面因素,确保工艺最优。

  4、结论

  (1)钛合金锻造开裂包括端头开裂、折叠开裂、撕裂、内裂、纵向开裂、脆性开裂等,形式多样,原因可控;并具有危害严重、先天性、遗传性、难修磨、难检验等特点。

  (2)减少并避免钛合金锻造开裂,应以预防为主,制定合理可行的预防措施。同时,应确保锻造、打磨、检验等重要过程受控,措施关键控制点严格落实到位。


 
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