近年來，鈦合金因其高的比強度、優(yōu)異的耐腐蝕性、良好的生物相容性等優(yōu)點，迅速發(fā)展成為具有強大生命力的新型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料， 被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事工業(yè)、石油化工以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域[1-3]。從工業(yè)價值和資源壽命的發(fā)展前景來看， 它僅次于鐵、鋁而被譽為正在崛起的“第三金屬”[4]。由于鈦合金冷變形困難，所以，在使用鈦及鈦合金的半成品或成品時， 往往需要把鈦錠先經(jīng)過熱加工方法變形至各種坯料和鍛件， 其中鍛壓加工就是最普遍采用的一種手段。另外， 鈦合金的熱處理制度對其組織不起決定作用。因此，鍛造工藝不僅可以使鍛件在外形和尺寸上接近成品， 對于改善鈦臺金組織以及提高其性能也有著重要的作用[5]。
在鈦合金的熱加工中，加熱溫度至關(guān)重要。溫度過高，組織容易粗化；溫度過低，則合金的變形抗力大，且易產(chǎn)生裂紋等缺陷，故鈦合金的鍛造溫度范圍較窄[6]。鈦合金的鍛造按其β 轉(zhuǎn)變溫度可以分為：α+β 鍛造和β 鍛造。近年來又出現(xiàn)了近β 鍛造、等溫鍛造等新工藝。
1 鈦合金鍛造工藝
1.1 α+β 鍛造
α+β 鍛造即常規(guī)鍛造，是在相變點以下30～50℃加熱、變形（見圖1），常規(guī)鍛造一般得到的是等軸組織(α 等+β 轉(zhuǎn))。其鈦合金鍛件具有高的塑性和室溫強度，但是高溫性能和斷裂韌性不好[7]，如圖2為TC11 鈦合金經(jīng)過常規(guī)鍛造后的高倍組織圖。常規(guī)鍛造由于研究較深入， 操作簡單易行， 且成本較低，因此應(yīng)用廣泛。
在（α+β）區(qū)變形過程中同時發(fā)生β 晶粒和α 片形狀的變化，β 晶粒被壓扁， 沿金屬流動方向拉長、破碎，晶界附近與晶內(nèi)α 相間的差別逐漸消失。當(dāng)變形程度超過60%～70%后， 己沒有任何可見的片狀組織痕跡了。在一定溫度和變形程度下發(fā)生再結(jié)晶，且α 相的再結(jié)晶先于β 相的再結(jié)晶，再結(jié)晶后的α 晶粒，呈扁球形狀，沒有再結(jié)晶的α 晶粒形狀為盤狀、桿狀或纖維狀。
侯會喜[8]研究了TC6 鈦合金在(α+β)兩相區(qū)鍛造時， 變形溫度的高低對鍛件初生α 相含量的影響。變形溫度越低，初生α 相的含量就越多。由于鍛件的室溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能與初生α 相的含量密切相關(guān)，因此，為了確保(α+β)兩相合金具有最好的綜合性能，在進(jìn)行TC6 合金鍛造時，必須嚴(yán)格控制變形溫度， 使等軸初生相顆粒的總含量在15%～45%。
1.2 β 鍛造
世紀(jì)50 年代后期，Groan 等人提出相變點以上β 鍛造理論，β 鍛造是指鈦合金完全在β 相的較高溫度下進(jìn)行的鍛造（圖3）。β 鍛造得到的是網(wǎng)籃組織， 如圖4。TC11 鈦合金和IMI679 合金β 鍛造的組織，為典型的網(wǎng)籃組織。與常規(guī)鍛造相比，經(jīng)β 鍛造后，提高了材料的抗蠕變能力、斷裂韌性和抗沖擊韌性， 但是明顯降低了塑性和熱穩(wěn)定性，導(dǎo)致“β 脆性”和“組織遺傳性”。由于鍛造在β 相較高的溫度下進(jìn)行，所以β 鍛造的最大優(yōu)點是變形抗力小，鍛件精密度高，生產(chǎn)效率和模鍛設(shè)備壽命都能得到提高。
β 鍛造得到的大量網(wǎng)籃組織交織的條狀a 不僅增加了相界面，提高了合金強度與抗蠕變能力，而且裂紋擴(kuò)展將隨著α 片和α 集束的位向不斷改變方向，導(dǎo)致裂紋路徑曲折，分枝多，因而其斷裂韌性較高，符合現(xiàn)代高損傷容限長壽命鈦合金的設(shè)計理念。于衛(wèi)敏等[9]研究了Bt25 鈦合金不同鍛造工藝對組織和性能的影響。隨著加熱溫度的提高，鍛件的室溫和高溫強度增加不明顯；但是塑性，特別是斷面收縮率明顯降低， 尤其是β 鍛造獲得的鍛件其室溫和高溫下的斷面收縮率只有兩相區(qū)鍛造的1／3。從表1的不同鍛造工藝的損傷容限性能的對比可知，β 鍛造的斷裂韌度、裂紋擴(kuò)展率、缺口沖擊韌度則大大優(yōu)于兩相區(qū)鍛造的鍛件。
1.3 近β 鍛造
近β 鍛造[10]是由周義剛于80 年代提出的，其原理是將坯料置于相變點以下10～15℃加熱（圖5）、鍛造、鍛后水冷，隨后，進(jìn)行高溫韌化和低溫強化處理。相變點以下10～15℃鍛造會產(chǎn)生大約20%的等軸組織。快速水冷可利用形變熱處理的作用，增加結(jié)晶核心、儲存變形能和變形產(chǎn)生的晶體缺陷， 獲得短、細(xì)、亂的β 轉(zhuǎn)變組織。熱處理時，加熱溫度接近相變點可有效調(diào)節(jié)材料組織中的等軸α 相和β 轉(zhuǎn)變組織的相對含量。由此鑄就了約含20%等軸、50%～60%條狀初生α 構(gòu)成的網(wǎng)籃和轉(zhuǎn)變β 基體組成的三態(tài)組織。其中20%左右的等軸α 晶粒足以起到變形協(xié)調(diào)作用，而研究表明，等軸組織超過20%不會對合金的性能有明顯的提高；50%～60%網(wǎng)籃交織的條狀α， 降低了滑移的平均自由程使滑移帶間距減小， 位錯線分布均勻， 沒有局部嚴(yán)重位錯塞積現(xiàn)象，從而推遲了空洞的形核和發(fā)展，顯示出不低于等軸組織的水平。
但是由于近β 鍛造是在相變點以下10～15℃進(jìn)行鍛造， 所以控制加熱鍛造溫度就成了最大的技術(shù)難點。由于材料化學(xué)成分的不均勻．加熱爐爐溫的不均勻性和鍛造過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)， 都會影響加熱鍛造溫度。
周義剛[11]等對TC11 合金進(jìn)行了近β 鍛造的研究。TC11 合金的相變點為10～15℃，近β 鍛造在相變點以下10～15℃，即在990～995℃進(jìn)行。鍛后進(jìn)行快速水冷， 鍛件采用950℃/1 h AC+ 950℃/1.5 h FC+530℃/6 h AC 處理, 獲得約含20%等軸α相，50～60%條狀α 構(gòu)成的網(wǎng)藍(lán)和β 轉(zhuǎn)變基體組成的三態(tài)組織。TC11 鈦合金近β 鍛造后典型的三態(tài)組織如圖6 所示。
1.4 等溫鍛造
等溫鍛造是一種先進(jìn)的加工工藝， 可以使鈦合金等難變形材料在相對恒溫的變形溫度下， 以極低的變形速率，一次成形得到形狀復(fù)雜的精密鍛件。采用該工藝成形的鍛件僅需少量的機械加工即可裝配使用，材料利用率高，且由于工藝可控性好，變形均勻，鍛件的組織性能更加穩(wěn)定和均勻，批量生產(chǎn)時，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益[12]。與常規(guī)鍛造相比，等溫鍛造鈦合金有以下優(yōu)點：①等溫鍛造可實現(xiàn)精密鍛造，鍛造載荷較小，模具磨損小。②容易控制加工參數(shù)，可獲得均勻一致的微觀組織，較少出現(xiàn)粗大晶粒，能夠獲得20%～30%球狀a 相，故其力學(xué)性能與常規(guī)鍛造相當(dāng)或優(yōu)于常規(guī)鍛造的產(chǎn)品。③等溫鍛造工藝還可減小或消除模具激冷和材料應(yīng)變硬化的影響，顯著降低變形抗力，提高坯料的成形性能。因此，等溫鍛造工藝已成為當(dāng)前國內(nèi)外鈦合金鍛件生產(chǎn)工藝的重要發(fā)展方向[13-14]。
目前發(fā)達(dá)國家等溫鍛造硬件都已相當(dāng)成熟，如溫控器、常應(yīng)變率控制器和計算機反饋系統(tǒng)等。我國對等溫鍛造的研究起步比較晚，20 世紀(jì)70 年代末期首先由北京航材院對TC9 鈦合金的整體渦輪盤進(jìn)行了等溫鍛造實驗。經(jīng)過幾十年的發(fā)展， 等溫鍛造逐漸在我國的航空航天工業(yè)上得到應(yīng)用。于衛(wèi)敏等人采用等溫鍛造工藝，在3000 t 液壓機上，利用兩相區(qū)鍛造方法，兩次鍛造，成功試制出BT25 鈦合金精密鍛件第四、第五級高壓壓氣機盤，鍛件的各項性能指標(biāo)全部滿足技術(shù)條件的要求，且鍛件的組織和性能穩(wěn)定。寶鋼集團(tuán)上海五鋼有限公司龐克昌等人運用等溫鍛造技術(shù)生產(chǎn)出表面光潔、外形精確的TC11鈦合金收斂段、擴(kuò)張段，TC4 鈦合金翼芯、氣瓶等航天精密優(yōu)質(zhì)鍛件；中國南方航空發(fā)動機械公司等溫鍛造課題組采用等溫鍛造技術(shù)成功鍛造出了壓氣機1～2級盤，支撐架、前軸承座、風(fēng)扇整流器內(nèi)環(huán)、指針和搖臂等合格的鍛件；貴航集團(tuán)安大鍛造公司成功生產(chǎn)出組織性能均勻、變形抗力小、工藝可控性好、成形性好、鍛件的質(zhì)量穩(wěn)定性好的高溫合金鍛件[15]。
2 鈦合金鍛件的應(yīng)用
2．1 航空航天方面
鈦合金鍛件已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航空、航天制造業(yè)中。近β 型高強高韌鈦合金Ti1023 已應(yīng)用于波音777 飛機的起落架部件中， 使得波音777 飛機上的鈦用量幾乎翻了一番， 每架飛機減重近270 kg。A380 已經(jīng)在探討使用Ti1023 合金大型鍛件作為主起落架的傳動裝置。若能實用，這將是長達(dá)7m 的最大的鈦合金鍛件。俄羅斯也將BT22 鈦合金鍛造構(gòu)件應(yīng)用在了Su-27、IL-76、IL-86、IL-96，安-124 和圖-204 等主干線客機和重型運輸機的機體和起落架的大型承力構(gòu)件和部件中[16]。在飛機發(fā)動機中，鈦合金鍛件也是不可或缺的材料， 主要用于使用溫度在853K 以下的風(fēng)扇和壓縮機零件。典型的使用部位有風(fēng)扇葉片、外殼、盤件，壓氣機葉片、盤件、短軸、外殼等。我國研究人員經(jīng)過先采用β 鍛造得到一個網(wǎng)籃（條狀）組織的葉盤預(yù)制坯件，再通過控制變形量，使葉盤預(yù)制坯件外緣（葉片部位）局部大變形以球化條狀α 獲得等軸組織， 得到了葉片為等軸組織，輪盤為網(wǎng)籃組織的發(fā)動機整體盤件，如圖7 所示。在航天領(lǐng)域， 鈦合金鍛件被用于火箭及衛(wèi)星推進(jìn)發(fā)動機的燃料箱、姿控發(fā)動機外殼、液體燃料渦輪泵的葉片和吸人泵的入口段。通常使用的衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)成品油箱的壁厚不到1mm， 由25mm 厚的半球形殼體鍛件加工而成。
2．2 其他方面
使用鈦合金鍛件作為火力發(fā)電的蒸汽輪機葉片， 可增加蒸汽輪機的葉片長度， 從而提高發(fā)電效率，減小轉(zhuǎn)子的負(fù)荷。早在1991 年就已經(jīng)把1m 長的Ti-6Al-4v 合金葉片應(yīng)用在了高速旋轉(zhuǎn)的汽輪機末段。在體育器材方面，鈦合金鍛件可用于高爾夫球桿上，由于β 型鈦合金鍛件的強度高，從而可以采用板厚低于3mm 的鍛件充當(dāng)擊球面， 使得彈性擊球面通過較長的沖擊作用時間來儲存或釋放能量以緩和沖擊， 從而球員不需要用力揮棒便可將球擊得很遠(yuǎn)。鈦合金高爾夫球桿擊球面鍛件如圖8 所示。此外，鈦合金鍛件在海洋和近海領(lǐng)域、汽車工業(yè)、建筑業(yè)和醫(yī)療器械業(yè)中都有較廣泛的應(yīng)用。
3 結(jié)束語
隨著鈦合金越來越多的應(yīng)用于各個領(lǐng)域， 鈦合金鍛造工藝作為鈦合金重要的加工手段， 也將在鈦合金的生產(chǎn)中變得越來越重要。由于我國的鈦合金加工起步較晚，跟國外發(fā)達(dá)國家還有不少的差距。目前，國內(nèi)的鈦合金鍛造還是主要以常規(guī)鍛造為主。由但真正的應(yīng)用還十分有限； 由于成本太高以及等溫模具的壽命太短等問題， 等溫鍛造僅僅應(yīng)用在航空航天等關(guān)鍵領(lǐng)域。
不過隨著對近β 鍛造等新型鈦合金鍛造工藝的研究，并且正在加以應(yīng)用。CAD／CAE／CAM 一體化、人工智能技術(shù)和有限元技術(shù)為鈦合金的等溫模鍛注入了新的發(fā)展活力，不僅可以降低成本，而且使成形復(fù)雜形狀的精密鍛件成為可能。熱模鍛造作為另一種近凈成形手段， 有著與等溫鍛造鈦合金相似的優(yōu)勢， 而成本要明顯低于后者， 因此具備很大的發(fā)展?jié)摿ΑｋS著鈦合金鍛造工藝難題的解決，鈦合金鍛件必將有越來越多的應(yīng)用。于溫控等技術(shù)方面的原因， 近β 鍛造雖然有研究，
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