鈦合金具有密度低、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、無磁及生物相容性好等優(yōu)異的綜合性能，在當(dāng)代航空航天、兵器裝備、化工石油、醫(yī)療、核電等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，其中大部分以棒材、鍛件及軋制型材等變形鈦合金使用。鍛造變形是確保鈦合金材料獲得理想組織與性能的重要手段，但在鈦合金鍛造尤其是鑄錠到棒坯的生產(chǎn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)各種形式的開裂，不僅加大生產(chǎn)制造成本，而且降低生產(chǎn)效率和成材率，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。鑒于此，本文就公司多年鈦合金鍛造過程中發(fā)生的開裂現(xiàn)象進(jìn)行分析、總結(jié)，并提出預(yù)防和解決開裂的措施，以確保鈦合金鍛造生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1.1 端面開裂 

端面開裂是鈦合金鍛造過程中坯料端面發(fā)生的一種開裂，一般裂紋比較大，較為常見。端面開裂影響較大，通常會(huì)導(dǎo)致鍛造無法按工藝?yán)^續(xù)進(jìn)行。端面易開裂主要原因：①鑄錠頭部縮孔或尾部冷隔未徹底清除干凈；②鐓粗過程中，坯料端面與錘砧接觸熱 量被吸收，拔長(zhǎng)過程中，坯料端面鼓出降溫快；③端面位置受到不同方向擠壓，變形不均勻，或者拔長(zhǎng)時(shí)變形速度過快；④某些坯料變形抗力大，流動(dòng)性差，端面心部凹陷。

1.2 折疊開裂

折疊開裂主要有三種情況：一是原材料鈦合金鑄錠高徑比≥2.5 或是鑄錠中間取樣， 殘留取樣槽，鐓粗折疊；二是鍛造過程坯料中間部位發(fā)生開裂，打磨后成深坑，再次鐓粗折疊；三是其他輔助工序產(chǎn)生的尖角凸起和凹坑沒有按規(guī)定打磨排傷。

1.3 撕裂 

撕裂是指鈦合金坯料拔長(zhǎng)變形時(shí)，將坯料局部撕開的一種橫向開裂。鍛造撕裂會(huì)增加打磨量，降低材料成材率，而成形過程中撕裂較深，可能導(dǎo)致坯料無法滿足產(chǎn)品機(jī)加尺寸要求而報(bào)廢。產(chǎn)生撕裂主要原因是單道次壓下量過大（單邊大于 50mm）或壓下速率過快。

1.4 內(nèi)裂

內(nèi)裂一般是指鍛造過程中鈦合金坯料內(nèi)部產(chǎn)生的單點(diǎn)、連續(xù)或間斷連續(xù)的一種開裂， 通常較難發(fā)現(xiàn)，需通過低倍檢查或超聲探傷才能發(fā)現(xiàn)。該類裂紋破壞了金屬連續(xù)性，只能報(bào)廢處理。內(nèi)裂產(chǎn)生原因可以概括為兩類：一是某些鈦合金材料因自身含有鎢、鉬和鈮等難熔金屬元素，局部存在較為嚴(yán)重的偏析、夾雜或疏松、冷隔等冶金缺陷，在鍛造變形過程中轉(zhuǎn)化為裂紋源；二是對(duì)于某些小規(guī)格（準(zhǔn)90mm 或Ф90 mm 以下）鈦合金材料，拔長(zhǎng)過程降溫快，倒棱溫度偏低或需要掉頭鍛造，坯料局部存在溫度梯度，容易產(chǎn)生內(nèi)裂。

1.5 縱向開裂 

縱向開裂是指鈦合金坯料鍛造時(shí)沿流線方向發(fā)生的較長(zhǎng)開裂，多發(fā)生在倒棱位置，當(dāng)前或下一火次都有可能發(fā)生。產(chǎn)生的主要原因是坯料棱角處降溫快，與周圍存在溫差。此外，某些對(duì)溫度比較敏感的高溫鈦合金鍛造后水冷，倒棱部位因應(yīng)力也會(huì)發(fā)生開裂。TC19、Ti60 等合金鍛造水冷發(fā)生過多次縱向開裂，裂紋較深、較長(zhǎng)，打磨量較大，修整火次較多，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。

1.6 脆性開裂 

某些難變形高溫鈦合金材料本身塑性差，過程控制不當(dāng)，容易引起嚴(yán)重脆性開裂，裂紋較深且難以清除。低于工藝要求的終鍛溫度鍛造，坯料在較大壓力作用下易發(fā)生脆性開裂。還有部分高溫鈦合金材料未采取 200～300℃低溫入爐或是分段加熱工藝不合理，升溫過快，由于鈦合金導(dǎo)熱能力差，導(dǎo)致加熱過程中坯料端部和中間、表面和心部存在較大的溫度梯度，出爐后鍛造，發(fā)生嚴(yán)重開裂。圖 5（a）所示為某高溫鈦合金試驗(yàn)料開裂，險(xiǎn)些斷為兩節(jié)，經(jīng)分析與加熱過程升溫過快有關(guān)。圖 5（b）所示為某 Ti3Al 鑄錠鍛造過程發(fā)生的脆性開裂，經(jīng)分析是由于冷卻操作不當(dāng)造成的。由于設(shè)備故障停鍛空冷，操作機(jī)夾持鑄錠部位包裹的保溫棉未及時(shí)清除干凈，鑄錠冷卻不均勻，且該材料對(duì)溫度比較敏感，再加熱鍛造時(shí)，在鑄錠包裹的保溫棉邊界處開裂。

1.7 表面通身開裂 

鑄錠冶金質(zhì)量差，表面缺陷未清除徹底，或是加熱工藝不合理導(dǎo)致鍛造過程中坯料表面發(fā)生開裂。一般面積比較大 ，危害嚴(yán)重 。圖 6 為來料加工 TC4-LC 鈦合金鑄錠第一火拔長(zhǎng)時(shí)， 靠近頭部位置側(cè)面發(fā)生的嚴(yán)重開裂(圖中方框處)，經(jīng)分析是該爐號(hào)鑄錠冶煉質(zhì)量較差、鑄錠表面冷隔和皮下氣孔未清除干凈導(dǎo)致的。公司某鈦合金試驗(yàn)料鑄錠第一火鍛造后通身開裂嚴(yán)重，經(jīng)分析該試驗(yàn)料相變點(diǎn) 1020℃，而開坯溫度僅 1050℃，加熱溫度偏低，鑄態(tài)組織塑性差，導(dǎo)致開裂嚴(yán)重，后升溫至 1150℃重新開坯，開裂明顯減少。

2.1 危害嚴(yán)重 

鈦合金開裂危害嚴(yán)重，不僅增加工人打磨勞動(dòng)強(qiáng)度，降低生產(chǎn)效率，還會(huì)降低產(chǎn)品成材率。部分嚴(yán)重開裂因打磨較深，需要增加火次修整，增加生產(chǎn)制造成本，對(duì)于批產(chǎn)產(chǎn)品因違反已固化工藝規(guī)范，容易造成產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)。更為嚴(yán)重的鍛造開裂，由于無法滿足產(chǎn)品交付尺寸或重量要求，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。

2.2 先天性 

對(duì)于 Ti3Al、Ti2AlNb、IMI 834 以及一些新成分的難變形高溫鈦合金，由于自身結(jié)構(gòu)和組織因素，變形能力較差，本身比較容易開裂。某些鈦合金鑄錠冶金質(zhì)量較差，存在偏析、夾雜、皮下氣孔或冷隔等冶金缺陷，在后續(xù)鍛造過程中容易發(fā)生多火次開裂且較難消除。 

2.3 難修磨 

鈦合金開裂具有難修磨特點(diǎn)：①產(chǎn)生裂紋，必須清除干凈，需控制打磨寬深比≥10，打磨量較大；②部分塑性差鈦合金，由于打磨導(dǎo)致坯料局部溫升，存在溫度梯度，冷卻后因應(yīng)力作用，裂紋會(huì)繼續(xù)延伸， 即邊打磨邊開裂；③某些小規(guī)格鈦合金棒材或鍛件，因重量尺寸小，打磨不易固定；④某些較長(zhǎng)棒材、鍛件端頭開裂，需豎起打磨，難以操作且存在安全隱患；⑤某些異形件因形狀尺寸不規(guī)則，內(nèi)部裂紋打磨無處下手等。

2.4 難檢驗(yàn) 

鈦合金開裂具有難檢驗(yàn)特點(diǎn)：①裂紋需 100% 檢驗(yàn)，檢驗(yàn)工作量大；②裂紋變小后，容易被打磨粉塵遮掩，檢驗(yàn)人員無法用肉眼判定是否清除徹底；③ 某些異形件形狀不規(guī)則，裂紋較難檢驗(yàn)；④內(nèi)裂發(fā)生在坯料內(nèi)部或表皮下面，肉眼不可見，一般都是成品探傷或低倍檢驗(yàn)時(shí)才能發(fā)現(xiàn)，為時(shí)已晚；⑤易開裂或成形前坯料進(jìn)行著色滲透檢驗(yàn)，增加檢驗(yàn)人員工作難度。

根據(jù)上述七類鈦合金開裂的形式、原因及特點(diǎn)，并結(jié)合開裂實(shí)例，制定針對(duì)性預(yù)防措施。同時(shí)，需注重提高員工操作水平和默契度，確保關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)完好，制定并嚴(yán)格落實(shí)適宜的打磨、檢驗(yàn)規(guī)范，控制好關(guān)鍵點(diǎn)和重要細(xì)節(jié)等。

3.1 端面開裂預(yù)防 

一是運(yùn)用超聲探傷等檢測(cè)手段務(wù)必確保鑄錠頭部縮孔或尾部冷隔徹底清除干凈；二是鍛造前，錘砧充分預(yù)熱至規(guī)定溫度（≥300 ℃），并且鐓粗時(shí)坯料上下端面蓋一層隔熱保溫棉，減少錘砧吸熱，鐓粗蓋棉已經(jīng)寫入公司鈦合金鍛造工藝規(guī)范，實(shí)踐證明對(duì)于減少坯料端面開裂，效果顯著；三是坯料拔長(zhǎng)過程，禁止出現(xiàn)變形速度過快、變形不均勻等操作；四是對(duì)于某些變形抗力大、流動(dòng)性差的坯料，鐓粗時(shí)采用圓弧鐓粗板，拔長(zhǎng)時(shí)從中間往兩端趕料，以防端面心部凹陷。 

3.2 折疊開裂預(yù)防 

一是控制原材料鈦合金鑄錠或中間過程坯料高徑比≤2.5，較合適的高徑比范圍 1.8～2.3；二是鑄錠中間部位殘留取樣槽及坯料折疊開裂部位機(jī)加或打磨處理時(shí)，務(wù)必圓滑過渡，寬深比≥10 為宜；三是務(wù)必確保鋸切、機(jī)加等輔助工序產(chǎn)生的尖角凸起和凹坑（比如機(jī)加定位孔等）按內(nèi)控要求打磨處理掉，類似圖 7 所示的坯料臺(tái)階、定位孔等必須打磨清除干凈，方可繼續(xù)鍛造。

3.3 撕裂預(yù)防 

一是快鍛機(jī)鍛造時(shí)單道次單邊壓下量控制 20～ 30mm 范圍內(nèi)， 壓下速率不要過快 （以 5～10mm/s 為宜）；二是確保錘砧邊緣弧度≥R40mm，發(fā)生變形及時(shí)維護(hù)處理，并確保錘砧提前預(yù)熱至 300～400 ℃；三是針對(duì)臺(tái)階軸類棒材或臺(tái)階鍛件，臺(tái)階處鍛造時(shí)務(wù)必使用磕棍輕壓，再分多錘緩慢壓下，單錘變形量更要嚴(yán)格控制在 30 mm 以內(nèi)，出現(xiàn)撕裂時(shí)，分錘修整或及時(shí)停鍛打磨。

3.4 內(nèi)裂預(yù)防 

一是對(duì)于含鎢、 鉬和鈮等難熔金屬元素的鈦合金材料，應(yīng)從源頭入手，加強(qiáng)鑄錠熔煉工藝研究，提升熔煉技術(shù)水平，減少或消除偏析、夾雜、疏松或冷隔等冶金缺陷的產(chǎn)生；二是針對(duì)小規(guī)格鈦合金坯料，拔長(zhǎng)過程務(wù)必及時(shí)倒棱， 并盡量避免坯料夾持端掉頭鍛造，條件允許時(shí)應(yīng)及時(shí)返爐再鍛。 

3.5 縱向開裂預(yù)防

一是鈦合金坯料拔長(zhǎng)過程中及時(shí)倒棱，禁止出現(xiàn)尖棱、黑棱；二是某些對(duì)于溫度比較敏感的高溫鈦合金鍛造后進(jìn)行空冷或蓋保溫棉緩冷，盡量不采用風(fēng)冷、水冷、油冷等快速冷卻的方式。 

3.6 脆性開裂預(yù)防 

對(duì)于難變形高溫鈦合金材料， 應(yīng)采用 “包棉鍛造”：即坯料加熱至規(guī)定保溫時(shí)間，將坯料取出，包裹一層保溫棉（厚度約 10mm，均勻撒一層玻璃絲防護(hù)劑）， 返爐繼續(xù)加熱 （時(shí)間根據(jù)坯料尺寸和包棉快慢），出爐鍛造，過程及時(shí)增蓋保溫棉，盡量減少坯料溫度損失， 確保始終在工藝規(guī)定的終鍛溫度以上鍛造，實(shí)踐證明該操作可以顯著減少開裂。另外，該類鈦合金加熱宜采取 200～300℃低溫入爐，分多段加熱，緩慢升溫（50～100℃/h），以確保坯料受熱均勻， 減少不同部位溫度梯度。最后，鍛造過程禁止掉料， 避免與工裝產(chǎn)生劇烈碰撞；冷卻過程緩慢、均勻；裂紋打磨完畢進(jìn)行著色滲透檢驗(yàn)等。 

3.7 表面開裂預(yù)防 

一是對(duì)鑄錠冶金質(zhì)量較差導(dǎo)致的表面開裂，應(yīng)加強(qiáng)熔煉工藝研究，提升熔煉水平，鍛造前需徹底清除鑄錠冷隔、皮下氣孔等冶金缺陷。二是制定加熱、鍛造工藝時(shí)，應(yīng)深刻總結(jié)某試驗(yàn)料加熱溫度偏低導(dǎo)致嚴(yán)重開裂的教訓(xùn)，綜合考慮多方面因素，確保工藝最優(yōu)。

（1） 鈦合金鍛造開裂包括端頭開裂、折疊開裂、撕裂、內(nèi)裂、縱向開裂、脆性開裂等，形式多樣，原因可控；并具有危害嚴(yán)重、先天性、遺傳性、難修磨、難檢驗(yàn)等特點(diǎn)。 

（2） 減少并避免鈦合金鍛造開裂，應(yīng)以預(yù)防為主，制定合理可行的預(yù)防措施。同時(shí)，應(yīng)確保鍛造、打磨、檢驗(yàn)等重要過程受控，措施關(guān)鍵控制點(diǎn)嚴(yán)格落實(shí)到位。