近年來，鈦合金因其高（gāo）的比強（qiáng）度、優異的耐腐蝕性、良好的生物（wù）相容性等優點，迅速發展成為具有強大生命力（lì）的新型關鍵結構材料， 被廣泛應用於航空航天、軍事工業、石油化工以及（jí）醫療衛生等領域[1-3]。從工業價值和資源壽命的發展前景來看， 它僅次（cì）於鐵、鋁（lǚ）而被譽（yù）為（wéi）正在崛起（qǐ）的“第三金屬”[4]。由於鈦合金冷變形困難，所以，在使用鈦及鈦合金的半（bàn）成品或成品時， 往往需要把鈦（tài）錠先經過熱加工方法變形至各種（zhǒng）坯料和鍛件， 其中鍛壓（yā）加（jiā）工就是最（zuì）普遍（biàn）采用的一種手段。另外， 鈦合金（jīn）的熱處（chù）理製度對其組（zǔ）織不起決定作用。因此，鍛造工藝不僅可（kě）以使鍛件在外形和尺寸上接近成品， 對於改（gǎi）善鈦（tài）台（tái）金組織以及提高其性能也有著重要的作用[5]。

      在鈦（tài）合金的熱加工中（zhōng），加熱（rè）溫（wēn）度至關重要。溫度過高，組（zǔ）織容易粗化；溫（wēn）度過低，則合金的變形抗力大，且易產生裂紋等缺陷，故鈦合金的（de）鍛造溫度範圍較窄[6]。鈦合金的鍛造按其β 轉變（biàn）溫度可以分為：α+β 鍛造和β 鍛造。近年來又出現了近β 鍛造、等溫鍛造等新工藝。

      1 鈦合金鍛（duàn）造工藝

      1.1 α+β 鍛造

      α+β 鍛造即常規鍛造（zào），是（shì）在相變點（diǎn）以下30～50℃加（jiā）熱、變形（見圖1），常規鍛造一般得到的（de）是等軸組（zǔ）織(α 等+β 轉)。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（rèn）性不好[7]，如（rú）圖2為TC11 鈦合金經過常規鍛造後的高倍組織圖。常（cháng）規（guī）鍛造由於研究較深入， 操作簡單易行， 且成本（běn）較低，因此應用廣泛（fàn）。

      在（α+β）區變形過程中同時發生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α 相間（jiān）的（de）差別逐漸消失。當變形程度超過60%～70%後， 己（jǐ）沒有任何可見的片狀組織痕跡了。在一定溫（wēn）度和變形程度（dù）下（xià）發生再結晶，且α 相的（de）再結晶先於β 相的再結晶，再結晶後的α 晶粒，呈扁球形狀，沒有再結晶（jīng）的α 晶粒形狀為盤狀、杆狀或纖（xiān）維（wéi）狀。

      侯會喜[8]研究了TC6 鈦合金在(α+β)兩相區鍛造時， 變形溫度的高低對鍛件初生α 相含量的影響。變形溫度（dù）越低，初生α 相的含量就越多。由於鍛件的室溫力學性（xìng）能和高溫力學性能與初生α 相的含量（liàng）密（mì）切相關，因此，為了確保(α+β)兩相合金（jīn）具有最好（hǎo）的綜合性（xìng）能，在進行TC6 合金鍛造時（shí），必須嚴（yán）格控製變形溫度， 使等軸初（chū）生相顆粒的總含量（liàng）在15%～45%。

      1.2 β 鍛造 

      世紀50 年代後期，Groan 等人提出相（xiàng）變點以上（shàng）β 鍛造理論，β 鍛（duàn）造是（shì）指鈦合金完全在β 相的較高溫（wēn）度下進行的鍛造（圖3）。β 鍛造得到的（de）是網籃組織， 如圖4。TC11 鈦合金和IMI679 合（hé）金（jīn）β 鍛造的組織，為典型的網籃組織。與常規鍛造（zào）相比，經β 鍛造後，提高了材料的抗蠕變能力、斷裂韌性和抗衝擊韌性， 但（dàn）是明顯（xiǎn）降低了塑性和熱（rè）穩定性，導致（zhì）“β 脆性”和“組織遺傳性”。由於鍛（duàn）造在β 相較高的溫度下進行，所以β 鍛造的最大優點是變形（xíng）抗力（lì）小，鍛件（jiàn）精密度高，生產效率和模鍛設備壽（shòu）命都能得到提高。

      β 鍛造得（dé）到的（de）大量網籃（lán）組（zǔ）織交織的條狀a 不僅增加了（le）相界麵，提（tí）高了合金強度與抗蠕變能力，而且裂紋擴展將隨著α 片和α 集束的位向不斷改（gǎi）變方向，導致裂（liè）紋路徑曲（qǔ）折，分枝多，因而其斷裂韌性較高，符（fú）合現代高損傷容限長壽命鈦（tài）合金的設計理（lǐ）念（niàn）。於衛敏等[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（dù）的提高，鍛件的室溫和高溫強度增加不明（míng）顯；但是塑性，特（tè）別是斷麵收（shōu）縮率明顯降低， 尤（yóu）其是β 鍛造獲得的鍛件其室溫和高（gāo）溫下（xià）的斷麵收縮率隻有兩相區鍛造（zào）的1／3。從表（biǎo）1的不同鍛造工藝的損傷（shāng）容限性能的對比可知，β 鍛造的斷裂韌度、裂紋擴展率、缺（quē）口衝擊韌度則大大優於兩相區（qū）鍛造的鍛件。

      1.3 近β 鍛造

      近β 鍛造[10]是由周義剛於（yú）80 年代提出的，其（qí）原理是將坯料置於相變（biàn）點以下10～15℃加（jiā）熱（圖5）、鍛造、鍛後水冷，隨後，進行高溫韌化和低溫（wēn）強化處理（lǐ）。相變點以下10～15℃鍛造會產生大約20%的等軸組織。快速水（shuǐ）冷可利用形變熱處（chù）理（lǐ）的作用，增加結晶核心、儲存變（biàn）形能和變形產生的晶體缺陷， 獲得短、細、亂的β 轉變組織。熱處理時，加熱溫度接近相變點可有效調節材料（liào）組織中的等（děng）軸α 相和（hé）β 轉變組織的相對含量。由此鑄就了約含20%等軸、50%～60%條狀初生α 構成的網籃和轉變β 基體組成的三態組織。其中20%左右的等軸α 晶粒足以起到變形協（xié）調作（zuò）用，而研究表明（míng），等軸組織超過20%不會對合金的性能有明顯的提高；50%～60%網籃（lán）交織的條狀α， 降低了滑移（yí）的平（píng）均自由程使滑移帶間距減小， 位錯線分布均勻， 沒有（yǒu）局部嚴重（chóng）位錯塞（sāi）積現象，從而推遲了（le）空洞的（de）形核和發展，顯示出不低（dī）於等軸組織（zhī）的水平。

      但是由（yóu）於近β 鍛造是在相變點（diǎn）以下10～15℃進行鍛造， 所以控製加熱鍛造溫度（dù）就成（chéng）了最大的技術難點。由於材料化學成分（fèn）的不均（jun1）勻．加熱爐（lú）爐溫的不均（jun1）勻性和鍛（duàn）造過程中產生的熱（rè）效應， 都會影（yǐng）響加熱鍛造溫度。

      周義（yì）剛[11]等對TC11 合金進行了近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（xià）10～15℃，即在990～995℃進行。鍛後進行快速水（shuǐ）冷， 鍛（duàn）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 構成的網藍和β 轉變（biàn）基體組成的三態組織。TC11 鈦合（hé）金近β 鍛造後典型（xíng）的三態組（zǔ）織如圖6 所示。

      1.4 等溫鍛造

      等（děng）溫鍛造是一（yī）種先（xiān）進的加工工藝， 可以使鈦合金等難變形材料在相對恒溫的變（biàn）形溫度下， 以極低的變形速率，一次（cì）成形得到形狀複雜的精密鍛件。采用該工藝成形的鍛件僅需少量的機械（xiè）加工即可裝配使用，材料利用率高，且由於工藝可控性好，變形均勻，鍛件（jiàn）的組織性能更加穩定和均勻，批量生產時，具有顯著的經濟效益[12]。與（yǔ）常規（guī）鍛造相比，等溫鍛造鈦合金有以下優點：①等溫鍛造可實現精密（mì）鍛造，鍛（duàn）造載荷較小，模具磨損（sǔn）小。②容易控（kòng）製加工參數，可獲（huò）得均勻（yún）一致的微觀組織，較少出現粗大晶粒，能夠獲得20%～30%球狀a 相（xiàng），故（gù）其力學性能與常規鍛造相當或優於常規鍛造的產品。③等溫鍛造工藝還可減小或消除模具激冷和材料應變硬（yìng）化的影響，顯著降低變（biàn）形抗力，提高（gāo）坯（pī）料的成形性能（néng）。因此，等溫鍛造工藝已成為當前國內外鈦合（hé）金鍛件（jiàn）生產（chǎn）工（gōng）藝的重要發展方向[13-14]。

      目前發達國家等溫（wēn）鍛造硬件都已相（xiàng）當成熟，如溫控器、常應變率（lǜ）控（kòng）製器和計算機反（fǎn）饋係統等。我國（guó）對等溫鍛造（zào）的研究起步比較晚，20 世紀70 年代（dài）末期（qī）首先由北京航材院對TC9 鈦合金的整體渦輪盤進行了等溫鍛造實驗。經過幾十年的發展， 等溫鍛造逐漸在我國的航（háng）空航天工業上得到應用。於衛敏等人采用等溫鍛造工藝，在3000 t 液壓機上，利用兩相區鍛造方法，兩次鍛造，成功試製出BT25 鈦合金精密鍛件（jiàn）第四、第五級高壓壓氣機盤，鍛件的各項性能指標全部滿足技術條件的要求，且鍛件的組織和性能穩定。寶鋼集團上海五鋼有限（xiàn）公司龐克昌等（děng）人運用等溫鍛（duàn）造技術生產（chǎn）出表麵光潔、外形精確（què）的TC11鈦合金收斂（liǎn）段、擴張段，TC4 鈦合金翼芯、氣瓶等航天精（jīng）密優質鍛件；中國南方航空發動機械公司等溫（wēn）鍛造課題組采用等溫鍛造技術成（chéng）功鍛造出了壓氣機1～2級盤，支撐架、前軸承座、風扇整流（liú）器內環、指（zhǐ）針（zhēn）和搖臂等合格的（de）鍛件；貴航集團安大鍛（duàn）造公司成功生產出組織性能均勻、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 航空航天方麵（miàn）

      鈦合金鍛（duàn）件已經廣泛（fàn）地應用於航空、航天製造業中。近β 型高強高韌鈦合金Ti1023 已應用（yòng）於（yú）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（jiǎn）重近270 kg。A380 已經在探討使用Ti1023 合金（jīn）大型鍛件作為主起落架的傳動裝置。若能實用，這將是長達7m 的最（zuì）大的鈦（tài）合金鍛件。俄羅斯也（yě）將BT22 鈦合金鍛（duàn）造構件應用（yòng）在了Su-27、IL-76、IL-86、IL-96，安-124 和圖-204 等主幹線客機和重型運（yùn）輸機的機體和起落架的大型承力構件和部件中[16]。在飛機發動機中，鈦合金（jīn）鍛件也是不可或缺的材料， 主要用於使用溫度在853K 以下的風扇（shàn）和壓縮機零件。典型的使用部位有風扇葉片、外殼、盤件，壓氣機葉片、盤件、短軸、外殼等。我國研究人員經過先采用β 鍛造得到一個網籃（lán）（條狀（zhuàng））組織的葉盤預製坯件，再通過控製變形（xíng）量（liàng），使（shǐ）葉盤預製（zhì）坯件外（wài）緣（葉片部位）局部大變形以球化條狀α 獲得等軸組（zǔ）織， 得到了葉片為等軸（zhóu）組織，輪盤為（wéi）網籃組織的發動機整體盤件，如圖7 所示。在航天領域， 鈦合金鍛件被用（yòng）於火箭及衛星推進發動機的燃料（liào）箱、姿控發動機外（wài）殼、液體燃料渦輪泵的葉片和吸人泵（bèng）的入口段。通常使用的衛星推進係統成品油箱的壁厚不到1mm， 由25mm 厚的半球（qiú）形殼體鍛件加工而成。

      2．2 其他方麵

      使用鈦合金鍛件作為火力（lì）發電（diàn）的蒸（zhēng）汽輪機葉片， 可增（zēng）加蒸汽輪機的葉片長度（dù）， 從而提高發電效率，減小轉子的負荷。早（zǎo）在1991 年就已經把1m 長（zhǎng）的Ti-6Al-4v 合金葉（yè）片應用（yòng）在了高速旋轉的（de）汽輪機末段。在體育（yù）器材（cái）方麵（miàn），鈦合金鍛件可用於高爾夫球杆上，由於β 型鈦合金鍛件的強度（dù）高，從而可以采用板厚低於3mm 的鍛件充當擊（jī）球麵， 使得彈性（xìng）擊球麵通過較長的衝擊作用（yòng）時間來儲存或釋放能量以緩和衝擊， 從而球員不需要用（yòng）力揮棒便可將球擊（jī）得很遠。鈦合金高爾夫球杆擊球麵鍛件如圖8 所示。此外，鈦合金鍛件在海洋（yáng）和近（jìn）海領域、汽車（chē）工業、建築業和醫療器械業中都有（yǒu）較廣泛（fàn）的應用。

      3 結束語

      隨著鈦（tài）合（hé）金越來越多的應用於各個領域， 鈦合金鍛造工藝作為（wéi）鈦合金重要（yào）的加工手段， 也將在鈦合金的生產中變得越來越重要。由於我國的鈦合金加工起步較晚，跟國（guó）外發（fā）達國家還（hái）有不少的差距。目前，國內的鈦合金鍛造還是（shì）主要以常規鍛造為主。由但真正的應用還十分有限； 由於成本太高以及等溫（wēn）模具的壽命太短等問題， 等溫鍛（duàn）造僅僅（jǐn）應用在航（háng）空航天等關鍵領域。

      不過隨著（zhe）對近β 鍛造等新型（xíng）鈦合（hé）金鍛造工藝的研究，並且正在加以應用。CAD／CAE／CAM 一（yī）體化（huà）、人工（gōng）智能技術和（hé）有限元技術為鈦合金的（de）等溫模鍛注入了新的發（fā）展活（huó）力，不僅可（kě）以降低（dī）成本，而且使（shǐ）成形複雜形狀的精密鍛（duàn）件（jiàn）成為可能。熱模鍛造作為另一種近淨成形手段， 有著與等溫鍛造鈦合金相似的優勢， 而成本要（yào）明顯低於後者（zhě）， 因此具備很大的發展潛力。隨著（zhe）鈦合金鍛造工藝難（nán）題的解決，鈦合金鍛件必將有（yǒu）越來越多的應用。於溫控等技（jì）術方麵的原因， 近β 鍛造雖然有研（yán）究，