鈦材熱擠壓成形技術發展和應用現狀

熱擠壓工藝是利用擠壓機上擠壓桿傳遞的高壓，對封閉在擠壓筒中的壞料進行擠壓成形為與模具形狀相同的制品的一種先進塑性加工方法（常見金屬熱擠壓過程如圖1所示）。其具有提高金屬的變形能力、制品綜合質量高、產品范圍廣等優點。鈦及鈦合金屬是難變形金屬，又價格昂貴，因此熱擠壓工藝對生產大規格、厚壁或高要求鈦管、鈦棒、鈦型材（以下簡稱鈦擠壓材）而言是最有發展前途的生產方法。

圖1  鋼材熱擠壓過程簡圖

一、鈦材熱擠壓成形技術的發展

鈦是一種高活性金屬，不僅在空氣中加熱極易污染，而且在一定的溫度、壓力和表面狀態下具有和模具粘結的特性。鈦的導熱性差，熱擠壓時坯料表層與中心易產生較大溫差，促使金屬流動不均勻性加劇，這樣表面層就產生較大的附加拉應力，在制品表面易形成裂紋。嚴重時，在擠壓棒材及管材上可能產生大的中心擠壓縮孔。同時，擠壓鈦及鈦合金時熱效應顯著，不合適的擠壓工藝對擠壓品組織和性能有副作用。鈦的彈性模量低，回彈嚴重，成型困難。因此鈦合金擠壓變形過程比鋁合金、銅合金等其它有色金屬擠壓變形過程更為復雜。鈦材熱擠壓工藝過程根據坯料是否包套有所區別，其主要工藝流程如圖2所示。鈦材熱擠壓技術發展至今，中外相關技術人員圍繞提高鈦擠壓材質量和成材率、降低生產成本在坯料制備、坯料加熱溫度、擠壓比、擠壓速度、潤滑及擠壓模具等方面做了大量研究探索工作。

圖2  鈦材熱擠壓工藝流程

（一）鈦擠壓坯錠的制備

鈦及鈦合金的擠壓坯傳統制造工藝一般是真空電弧熔煉鑄錠經鍛造或軋制成毛坯，然后經切削加工或熱壓力穿孔制成尺寸和表面質量符合要求的光坯。不經熱穿孔直接擠壓，荒管質量好，但成材率低。為提高鈦擠壓材的綜合成材率，研究冶煉直接擠壓的空心鑄錠工藝是未來擠壓鈦材實現規?；a一個發展方向。烏克蘭E.O.Paton電焊研究所已研究出通過電子束冷床熔煉大型空心錠。目前，寶鈦、寶鋼特鋼已引進等離子、電子束冷床爐，下一步應積極研究冶煉可直接擠壓的空心鑄錠工藝。

（二）鈦擠壓坯錠的加熱

鈦在空氣中加熱時易被氣體污染，所以擠壓坯錠加熱時必須設法保護金屬表面不受或少受氣體污染。擠壓坯錠的加熱按其保護方法可分為包套加熱、涂層加熱、鹽浴加熱、玻璃熔體加熱和常規加熱等。目前，一般用感應加熱。在制定加熱工藝時，為了便于在最小的壓力下實現快速擠壓，應在能保證產品具有良好力學性能下用盡可能高的溫度進行擠壓。例如：對于工業純鈦，即使擠壓溫度高達1038℃，對其力學性能也無明顯的影響目前，純鈦、α型及α＋β型鈦合金通常在低于合金的α＋β／β相變溫度20℃～100℃擠壓。β型鈦合金通常

采用高于相變溫度擠壓。

（三）鈦擠壓比的確定

擠壓加工中，變形程度一般用擠壓比（λ）表示。為了改善制品的組織和性能，很多文獻都認為，擠壓鈦及其合金時應該采用較大的擠壓比，其實，鈦的擠壓比相對較小，一般小于30。研究表明：TC4鈦合金在兩相區加熱，采用3～10的擠壓比，可得到綜合性能良好的產品；而用相同溫度加熱，用28的擠壓比時，由于變形熱效應而使溫度升高到α＋β／β相變溫度以上，使產品出現網狀組織，材料綜合性能變差。除考慮金屬本身特點以外，還必須考慮設備能力和工模具的強度因素。同時，擠壓比還受鈦的潤滑方式影響。一般采用玻璃潤滑選用的擠壓比包套擠壓小。

（四）鈦擠壓速度的范圍

與擠壓溫度、擠壓比一樣，擠壓速度不僅影響擠壓件的性能和表面質量，還影響擠壓力。擠壓時可達到的實際擠壓軸速度根據鈦合金成分、擠壓溫度和擠壓比而變化。一般選用80～130毫米／秒中等速度擠壓。速度對擠壓的熱效應的影響可用來保持擠壓件的溫度恒定。據國外文獻報道，擠壓速度級根據擠壓件擠出的溫度變化進行校正，溫度用精密儀表記錄。通過溫度信息反饋，調節擠壓速度。此外，還可通過理論模擬－程序控制擠壓速度。通過計算機預先計算出溫升規律，根據不同的產品，選擇相應的程序進行等溫擠壓。

（五）鈦擠壓潤滑劑的選用

潤滑問題是國內外鈦及鈦合金熱擠壓技術的一個難點，也是一個研究熱點。目前，使用的潤滑劑主要有潤滑脂、玻璃潤滑劑和金屬包覆三種類型。

潤滑脂一般為加有稠化劑的礦物油。用潤滑脂潤滑劑方便、實用，可以擠出表面質量優良的鈦材，但往往擠壓制品的長度受到限制。擠壓型材的最大長度限于3～4.5米。長擠壓材末端易出現粘結缺陷。現在該方法多為小批量生產或與下面兩種方法連用。

玻璃潤滑擠壓是目前世界上最先進的潤滑工藝。自1941年發明至今已得到廣泛應用。與其它潤滑材料相比，玻璃潤滑劑具有導熱系數低，隔熱性能好，高溫附著性能好，耐壓能力高，化學性能穩定性好，與金屬不起反應，能防止金屬被氣體污染等優點。因此，它是最具有發展潛力的潤滑材料。目前，世界上普遍采用玻璃潤滑擠壓。我國雖然也很早開展玻璃潤滑劑的研究，但還未達到工業化應用水平。

鈦及鈦合金熱擠壓還可以采用金屬包覆潤滑。主要是在坯料外面包覆銅、軟鋼或其它金屬，也可噴涂銅。采用銅包覆擠壓，當金屬加熱溫度超過850℃時，在鈦與銅的界面上會生成一種Ti－Cu共晶組織，該組織為脆性物質，不僅起不到潤滑的作用，反而會破壞正常的擠壓。因此，該方法一般只限于純鈦擠壓。此外，金屬包覆擠壓工序復雜，成本高，酸洗過程環境污染嚴重。

（六）鈦擠壓工模具的使用

與擠壓其它金屬一樣，擠壓鈦管材時一般用平面模具。為提高模具的使用壽命和改善潤滑條件，模具一般預熱到300℃～400℃。正常情況下每副擠壓模的使用壽命在20次左右。模具材料和加工成本非常高，因此為降低鈦擠壓材的加工成本必須對模具材料和模具結構進行研究。對于型材擠壓，為提高薄壁型材尺寸精度和工模具耐磨性，俄羅斯輕合金研究院曾研究在擠壓模具工作表面用氣體火焰法和等離子法涂敷了不同金屬的碳化物和氧化物涂層，結果表明普通工具鋼上涂敷0.05～0.1毫米厚的鉬底層，再以等離子法涂敷二氧化鋯涂層的模具性能最佳，制出了斷面單元厚度為2毫米，公差為0.5毫米的高強鈦合金型材。采用帶陶瓷涂層的模具配合使用玻璃潤滑劑，成為了成批生產是薄壁型材的一個重要因素。

表  鈦及鈦合金棒材的擠壓參數

需要指出的是，鈦及鈦合金優質產品的擠壓，要求在保持工具有滿意壽命的條件下制定正確的生產工藝，即要求溫度、擠壓速度、擠壓比及潤滑方式的配合。上表列舉了典型鋼種擠壓棒材的參數。

二、鈦擠壓材的生產與應用

20世紀50年代，伴隨著鈦開始工業化生產，熱擠壓成形技術在鈦材生產中得以快速應用和發展。經過幾十年的發展，俄羅斯、美國、英國等國家用擠壓法除了可以生產鈦及鈦合金管、棒材以外，還可擠壓種類繁多的鈦及鈦合金型材。這些型材不僅是角材、丁字形材、槽形管材，還包括各種各樣的異型材、變斷面型材，甚至尺寸公差，表面質量達到可不進行機械加工的程度。

俄羅斯的鈦合金的試驗工作始于1953年，在上世紀60年代為迅速發展的航空技術提供各種各樣的薄壁型材、翼翅型材、空心型材、大型型材和壁板等。自此俄羅斯鈦擠壓型材技術處于世界先進水平。其生產的鈦合金牌號達十幾種，規格達兩千多種。例如：生產的OT4、OT4－1、BT20、BT14、BT15合金薄壁型材，其腹板厚度為1.5～5毫米，腹板厚度公差為0.5毫米。俄羅斯上薩爾達冶金聯合生產企業（VSMPO）擠壓管、棒和型材除國內使用外，也大量出口美國和歐洲飛機制造和供應廠家。除航空航天外，VSMPO公司生產的含Pd，Ru的合金Ti－6Al－4V合金管還用于了石油開采。

美國的大直徑鈦合金擠壓管生產居世界領先水平。美國將直徑(48～610)毫米×26毫米×2600毫米的Ti－6Al－4V－Ru合金管用做地熱、海上鉆井管道。美國RMI公司生產的直徑650毫米×(22～25)毫米×35000毫米超長Ti－3Al－2.5V－Ru合金管用于海底石油開采。此外，在挪威北海鉆井支撐平臺立管用的是直徑600毫米×25毫米×15000毫米的Ti－6Al－4V ELI合金管。國際上對鈦型管的研發比較遲緩，只有美國Titanium Sports Technology公司采用擠壓和拉伸法，生產出正方形、長方形、三角形、橢圓形、五角形、六角形和八角形等多種形狀的型管，成為世界上唯一一家生產鈦型管的公司。目前鈦型管的應用還不夠廣泛，用量不大，但在建筑、體育休閑及特殊工程等領域，存在較大的潛在市場。

我國鈦及鈦合金擠壓生產開始于20世紀60年代末。當時，寶鈦公司和長城鋼廠分別從德國引進了一臺3150噸可擠壓鈦合金的熱擠壓機。經過近40年發展，寶鈦公司可擠壓鈦及鈦合金的各種規格的管、棒材及簡單斷面的型材及復合材，牌號達幾十種。這些產品已廣泛應用于航空、航天、衛星以及能源、化工等國民經濟的各個部門。但是還應該看到，我國與先進國家相比，還存在較大差距，較復雜斷面的型材還不能生產。近幾年，隨著化工等民用領域對高質量鈦管需求劇增，西部鈦業、浙江五環等公司先后引進了主要用于擠壓鈦管的擠壓機。2009年10月，寶鋼特鋼從德國引進的世界先進水平的6000T擠壓機投產（如圖3），為我國生產大規格鈦管和型材提供了必需的裝備，標志著我國鈦材擠壓設備上了一個新臺階。

圖3  寶鋼6000T熱擠壓機

三、結束語

我國鈦熱擠壓技術發展緩慢，和國外存在較大差距。開發有競爭力的鈦擠壓材，提高我國鈦擠壓材整體水平，建議應首先從以下四個方面著手解決：

（一）利用冷床爐進行空心鑄錠管坯的研究。如前所述，按照目前的管坯制造方法，已不適應建設資源節約型社會的發展要求，為此要積極開展冷床爐冶煉空心管坯工藝研究，簡化工序，降低成本，提高市場競爭力，勢在必行。

（二）高溫潤滑劑的研究。潤滑劑對于熱擠壓成形產品質量和生產成本有著重要影響，因此，研究適合于不同材料的潤滑劑，以提高產品的綜合質量，減輕模具磨損是目前迫切需要解決的問題。

（三）模具材料和模具結構設計研究。熱擠壓時，模具承受高溫高壓和強摩擦復合作用，嚴重影響了模具的使用壽命、產品的質量和生產成本。因此，對模具材料和模具結構設計方法研究，也是今后需要解決的問題之一。

（四）積極開拓鈦擠壓材市場。鈦擠壓材將在飛機制造、海洋工程、體育休閑等行業有非常大的需求潛力。現在鈦擠壓材生產與設計應用單位結合并不緊密，大家應共同努力提高我國鈦擠壓材整體水平。