鈦合金環(huán)鍛件作為航空航天、風(fēng)電、核電等高端裝備的核心承載部件，其性能直接決定裝備的可靠性與服役壽命。例如，航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣環(huán)件需在500℃以上中溫環(huán)境下保持高強(qiáng)韌性，風(fēng)電法蘭環(huán)件需具備優(yōu)異的抗疲勞性能與尺寸穩(wěn)定性，而核電用環(huán)件則對耐腐蝕性與組織均勻性提出嚴(yán)苛要求。隨著裝備向大型化、輕量化方向發(fā)展，鈦合金環(huán)鍛件已呈現(xiàn)“大直徑、薄壁化、復(fù)雜截面”的發(fā)展趨勢，如國內(nèi)已成功軋制Φ15.6m奧氏體不銹鋼環(huán)件、Φ9m鋁合金環(huán)件，但鈦合金因?qū)嵝圆睿▋H為鋼的1/4）、高溫易氧化、相變敏感等特性，其大型環(huán)鍛件的成形仍面臨“裂紋控制難、晶粒均勻性差、尺寸精度低”等技術(shù)瓶頸。
當(dāng)前鈦合金環(huán)鍛件研究主要聚焦于成形工藝優(yōu)化、組織性能調(diào)控與缺陷抑制三大方向。現(xiàn)有研究表明，鍛造溫度區(qū)間（α+β兩相區(qū)或近β區(qū)）直接決定環(huán)鍛件的組織類型——兩相區(qū)成形易獲得等軸α+β組織，兼具高強(qiáng)度與高塑性；近β區(qū)成形則形成網(wǎng)籃狀組織，熱強(qiáng)性更優(yōu)。同時，熱處理工藝（如退火溫度、保溫時間）通過調(diào)控次生α相的形態(tài)與分布，可顯著改善沖擊韌性等關(guān)鍵性能，例如TC4鈦合金退火溫度從700℃提升至850℃時，沖擊韌性可從20J/cm2提升至45J/cm2。然而，不同鈦合金（如TA15、TC6、TC4）的工藝適配性差異較大，需針對具體合金成分與應(yīng)用場景制定個性化技術(shù)方案。
本文基于5篇核心研究文獻(xiàn)，系統(tǒng)整合TA15、TC6、TC4及工業(yè)純鈦環(huán)鍛件的成形工藝參數(shù)、組織演化規(guī)律與性能調(diào)控機(jī)制，重點分析制坯-軋制-熱處理全流程的關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點，揭示鍛造溫度、軋制速度、退火制度對環(huán)鍛件晶粒尺寸、力學(xué)性能的影響規(guī)律，并提出大型薄壁鈦環(huán)的缺陷控制策略。通過梳理“工藝-組織-性能”的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為鈦合金環(huán)鍛件的工程化生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐與技術(shù)參考，助力高端鈦合金環(huán)鍛件的國產(chǎn)化替代。
1、鈦合金環(huán)鍛件的材料特性與應(yīng)用需求
鈦合金環(huán)鍛件的性能優(yōu)勢源于其獨特的成分設(shè)計與晶體結(jié)構(gòu)，不同牌號的鈦合金因合金元素（如Al、Mo、V、Cr）含量差異，呈現(xiàn)出不同的相變特性與力學(xué)性能，需根據(jù)應(yīng)用場景精準(zhǔn)選擇。本節(jié)基于文獻(xiàn)1（TA15）、文獻(xiàn)2（TC6）、文獻(xiàn)4（TC4）及文獻(xiàn)5（工業(yè)純鈦）的核心數(shù)據(jù)，梳理典型鈦合金的成分、相變點及力學(xué)性能要求，構(gòu)建材料-需求匹配體系。
1.1典型鈦合金的成分與相變特性
鈦合金的相變點（β轉(zhuǎn)變溫度）是確定鍛造溫度區(qū)間的核心依據(jù)，其值主要由Al（α穩(wěn)定元素）與Mo（β穩(wěn)定元素）含量調(diào)控。
不同牌號鈦合金的成分與相變點參數(shù)如表1所示：
| 合金牌號 | 名義成分（wt%） | β轉(zhuǎn)變溫度（℃） | 合金類型 | 主要強(qiáng)化機(jī)制 | 文獻(xiàn)來源 |
| TA15 | Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V | 970~980 | 近α型 | Al固溶強(qiáng)化 | 文獻(xiàn)1 |
| TC6 | Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si | 940~950 | α+β型 | Al固溶+Mo/Cr強(qiáng)化β相 | 文獻(xiàn)2 |
| TC4 | Ti-6Al-4V | 990±5 | α+β型 | Al固溶+V穩(wěn)定β相 | 文獻(xiàn)4 |
| 工業(yè)純鈦（TA1） | ＞99.5Ti | 900~995 | α型 | 細(xì)晶強(qiáng)化 | 文獻(xiàn)5 |
由表1可見，TA15因Al當(dāng)量較高（6.58%），屬于近α型鈦合金，兼具α型合金的熱強(qiáng)性與α+β型合金的工藝塑性；TC6與TC4為典型α+β型鈦合金，通過β穩(wěn)定元素（Mo、V、Cr）改善熱加工性能；工業(yè)純鈦則因無合金元素添加，相變點范圍較寬，塑性優(yōu)異但強(qiáng)度較低，適用于對強(qiáng)度要求不高的薄壁結(jié)構(gòu)件。
1.2鈦合金環(huán)鍛件的力學(xué)性能需求
不同應(yīng)用領(lǐng)域的鈦合金環(huán)鍛件對力學(xué)性能的要求差異顯著，航空航天領(lǐng)域側(cè)重高強(qiáng)韌性與中溫性能，風(fēng)電領(lǐng)域關(guān)注疲勞性能，而裝飾或通用領(lǐng)域則更注重成形精度與成本。基于文獻(xiàn)1、2、4的測試數(shù)據(jù)，典型鈦合金環(huán)鍛件的力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示：
| 合金牌號 | 應(yīng)用場景 | 室溫力學(xué)性能（退火態(tài)） | 高溫力學(xué)性能（500℃） | 關(guān)鍵性能要求 | 文獻(xiàn)來源 |
| TA15 | 航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣 | σb≥950MPa，σ0.2≥880MPa，δ5≥17%，ψ≥48%，αk≥55J/cm2 | σb≥650MPa，440MPa/100h未斷 | 中溫持久性能 | 文獻(xiàn)1 |
| TC6 | 航空結(jié)構(gòu)件 | σb≥950MPa，σ0.2≥910MPa，δ5≥15%，ψ≥42%，αk≥72J/cm2 | 400℃：σb≥720MPa，δ5≥18% | 高溫抗拉強(qiáng)度 | 文獻(xiàn)2 |
| TC4 | 航空緊固件/醫(yī)療 | σb≥900MPa，σ0.2≥820MPa，δ5≥10%，αkv2≥30J/cm2 | - | 沖擊韌性（抗斷裂能力） | 文獻(xiàn)4 |
| 工業(yè)純鈦 | 大型薄壁法蘭 | σb≥500MPa，σ0.2≥300MPa，δ5≥20% | - | 塑性與尺寸穩(wěn)定性 | 文獻(xiàn)5 |
注：表中σb為抗拉強(qiáng)度，σ0.2為屈服強(qiáng)度，δ5為斷后伸長率，ψ為面縮率，αk為沖擊韌性，αkv2為V型缺口沖擊功。
從表2可看出，航空用TA15與TC6環(huán)鍛件的室溫強(qiáng)度均要求≥950MPa，且需滿足中溫（400~500℃）力學(xué)性能；TC4因需應(yīng)對沖擊載荷，對沖擊韌性（αkv2）的調(diào)控尤為關(guān)鍵；工業(yè)純鈦雖強(qiáng)度較低，但塑性要求更高（δ5≥20%），以適應(yīng)薄壁件的成形需求。
2、鈦合金環(huán)鍛件成形工藝體系與參數(shù)優(yōu)化
鈦合金環(huán)鍛件的成形是“制坯-軋制-熱處理”多工序協(xié)同的過程，每個環(huán)節(jié)的參數(shù)（如溫度、時間、速度）均直接影響最終產(chǎn)品的組織與性能。本節(jié)基于文獻(xiàn)1、2、3、5的工藝數(shù)據(jù)，構(gòu)建典型鈦合金環(huán)鍛件的成形工藝體系，重點優(yōu)化制坯溫度、軋制速度與熱處理制度。
2.1制坯工藝：組織預(yù)處理與缺陷預(yù)防
制坯的核心目標(biāo)是破碎鑄態(tài)組織、均勻成分分布，并為后續(xù)軋制提供合格的環(huán)坯尺寸。不同鈦合金因相變特性差異，制坯工藝參數(shù)需針對性設(shè)計。
2.1.1TA15鈦合金制坯工藝
TA15為近α型鈦合金，對鍛造溫度敏感，需在α+β兩相區(qū)進(jìn)行制坯，以避免晶粒粗大。根據(jù)文獻(xiàn)1的研究，TA15環(huán)鍛件的制坯工藝如下：
加熱參數(shù)：加熱溫度945℃（β相變點970~980℃以下25~35℃），保溫120min，確保坯料溫度均勻，避免局部過熱；
成形工序：采用“鐓餅（壓下量30%~40%）→沖孔（孔徑Φ350mm）→擴(kuò)孔（外徑Φ425mm）→整形”流程，每道工序間控制坯料降溫不超過50℃；
關(guān)鍵控制：終鍛溫度＞850℃，避免低溫變形導(dǎo)致裂紋；鍛后空冷，防止β相過度分解。
該工藝下，TA15環(huán)坯的低倍組織致密（符合1級標(biāo)準(zhǔn)），顯微組織為破碎的原始β晶界+細(xì)小α相，無冶金缺陷（如疏松、夾雜），為后續(xù)軋制奠定良好組織基礎(chǔ)。
2.1.2TC6鈦合金雙溫制坯工藝
TC6為α+β型鈦合金，文獻(xiàn)2對比了“兩相區(qū)”與“近β區(qū)”兩種制坯溫度的效果，工藝參數(shù)與組織差異如表3所示：
| 制坯溫度 | 溫度區(qū)間類型 | 加熱保溫 | 成形工序 | 環(huán)坯組織特征 | 變形抗力 | 文獻(xiàn)來源 |
| 930℃ | α+β兩相區(qū) | 100min | 鐓餅→沖孔→擴(kuò)孔（同TA15） | 初生α相球化（直徑10~15μm），無連續(xù)β晶界 | 較高 | 文獻(xiàn)2 |
| 950℃ | 近β區(qū)（相變點+5~10℃） | 100min | 同上，但變形速度可提高20% | 原始β晶界部分破碎，條狀α相扭曲 | 較低 | 文獻(xiàn)2 |
由表3可見，近β區(qū)（950℃）制坯的優(yōu)勢在于變形抗力降低，材料流動性提升，可提高制坯效率；但需注意：近β區(qū)制坯后需快速冷卻，避免β晶粒長大。
2.1.3工業(yè)純鈦大型薄壁環(huán)制坯工藝
工業(yè)純鈦（TA1）因高溫易氧化、導(dǎo)熱性差，其制坯需重點解決氧化與降溫問題（文獻(xiàn)5）：
防氧化措施：制坯前在坯料表層涂覆專用防氧化涂料（如Al?O?-SiO?基涂料），避免加熱時氧擴(kuò)散形成硬脆層；
分段加熱：室溫→750℃（升溫速率40℃/h），保溫60min（根據(jù)坯料尺寸調(diào)整）；750℃→980℃（升溫速率70℃/h），保溫90min，確保芯部溫度均勻；
成形控制：采用“鐓低拔高”工藝（鐓粗至原高度的60%，再拔長至工藝高度），避免沖孔時內(nèi)孔折疊；終鍛溫度≥850℃，鍛后空冷至500℃后緩冷，防止表面裂紋。
該工藝成功制備出Φ945mm×730mm的環(huán)坯，用于后續(xù)軋制外徑2297mm、壁厚68mm的大型薄壁鈦環(huán)。
2.2軋制工藝：尺寸精度與晶粒細(xì)化協(xié)同
軋制是鈦合金環(huán)鍛件實現(xiàn)“直徑擴(kuò)大、壁厚減薄、截面成形”的核心工序，當(dāng)前主流工藝為徑軸向軋制（RARR），其參數(shù)設(shè)計需結(jié)合環(huán)件尺寸與合金特性。
2.2.1軋制設(shè)備與核心參數(shù)
徑軸向軋制設(shè)備由驅(qū)動輥、芯輥、上/下錐輥及導(dǎo)向輥組成（文獻(xiàn)3），驅(qū)動輥主動旋轉(zhuǎn)帶動環(huán)件運動，芯輥徑向進(jìn)給實現(xiàn)壁厚減薄，上/下錐輥軸向進(jìn)給控制環(huán)件高度。典型鈦合金環(huán)鍛件的軋制參數(shù)如表4所示：
| 合金牌號 | 環(huán)件規(guī)格（外徑×內(nèi)徑×高度） | 軋制溫度（℃） | 芯輥進(jìn)給速度（mm/s） | 上/下錐輥壓下量（mm） | 定心力（%） | 文獻(xiàn)來源 |
| TA15 | Φ425×Φ350×80mm | 880~920 | 3~5 | 5~8 | 10~15（主軋） | 文獻(xiàn)1 |
| TC6 | Φ500×Φ380×70mm | 850~900 | 4~6 | 4~7 | 8~12（主軋） | 文獻(xiàn)2 |
| 工業(yè)純鈦 | Φ2297×Φ2161×711mm | 850~900 | 5~7（主軋） | 20~25（總壓下量） | 5（減速成圓） | 文獻(xiàn)5 |
注：定心力為導(dǎo)向輥對環(huán)件的抱緊力占環(huán)件徑向剛度的百分比，主軋階段需較高定心力保證環(huán)件圓度，減速成圓階段降低定心力以消除橢圓。
2.2.2軋制曲線設(shè)計：以工業(yè)純鈦大型薄壁環(huán)為例
大型薄壁鈦環(huán)（壁厚≤70mm）軋制易出現(xiàn)“橢圓、波浪變形”，文獻(xiàn)5設(shè)計了“初軋-主軋-減速成圓”三段式軋制曲線（圖1）：
初軋階段：芯輥進(jìn)給速度2~3mm/s，定心力15%~20%，主要消除環(huán)坯橢圓與壁厚差，軋制力緩慢上升至800~1000kN；
主軋階段：芯輥進(jìn)給速度提升至5~7mm/s，定心力降至10%~15%，實現(xiàn)快速壁厚減薄（從162mm減至68mm），軋制力穩(wěn)定在1200~1500kN；
減速成圓階段：芯輥進(jìn)給速度降至1~2mm/s，定心力逐漸降至5%以下，通過導(dǎo)向輥微調(diào)環(huán)件圓度，最終橢圓度≤5mm，滿足設(shè)計要求。
2.2.3有限元模擬在軋制工藝優(yōu)化中的應(yīng)用
隨著數(shù)字化技術(shù)發(fā)展，有限元模擬已成為軋制工藝優(yōu)化的重要工具。文獻(xiàn)3總結(jié)了近年來的模擬應(yīng)用成果：
金屬流動模擬：采用Deform-3D軟件模擬TC6環(huán)件軋制過程，發(fā)現(xiàn)兩相區(qū)（930℃）軋制時，金屬徑向流動均勻性優(yōu)于近β區(qū)（950℃），可減少孔型填充不滿缺陷；
溫度場模擬：潘剡等對Φ9m超大型環(huán)件進(jìn)行RARR模擬，發(fā)現(xiàn)芯輥進(jìn)給速度每增加1mm/s，環(huán)件溫度升高5~8℃，需通過冷卻系統(tǒng)控制溫度不超過相變點；
應(yīng)變場模擬：Liang等建立外凹槽截面環(huán)件熱力耦合模型，通過響應(yīng)面法優(yōu)化毛坯尺寸，使截面填充率從85%提升至98%。
2.3熱處理工藝：組織調(diào)控與性能定型
熱處理的核心是通過控制α相的析出與長大，優(yōu)化環(huán)鍛件的力學(xué)性能。不同鈦合金的熱處理制度需根據(jù)目標(biāo)性能設(shè)計。
2.3.1TA15與TC6的退火工藝
TA15與TC6環(huán)鍛件主要用于航空結(jié)構(gòu)件，需通過退火消除鍛造應(yīng)力，穩(wěn)定組織：
TA15退火：820℃×2h空冷（文獻(xiàn)1），該工藝可使等軸α相含量保持在30%~40%，β轉(zhuǎn)變組織均勻分布，室溫強(qiáng)度≥950MPa，沖擊韌性≥55J/cm2；
TC6退火：870℃×1.5h→爐冷至650℃×2h空冷（文獻(xiàn)2），該工藝可使近β區(qū)軋制的網(wǎng)籃組織中，條狀α相細(xì)化至5~8μm，與兩相區(qū)軋制的等軸組織力學(xué)性能持平（σb≈955MPa，δ5≈16%）。
2.3.2TC4的退火溫度對沖擊韌性的調(diào)控
TC4環(huán)鍛件的沖擊韌性對退火溫度敏感，文獻(xiàn)4通過對比700℃、750℃、800℃、850℃四種退火溫度（均保溫1h空冷），揭示其調(diào)控機(jī)制：
組織演化：700℃退火時，次生α相呈彌散小島狀（直徑2~3μm）；隨溫度升高，次生α相逐漸連接成網(wǎng)狀，850℃時網(wǎng)狀厚度達(dá)8~10μm，與初生α相形成交互結(jié)構(gòu)；
沖擊韌性變化：沖擊功（αkv2）從700℃的22J/cm2升至850℃的45J/cm2，提升幅度達(dá)104%，原因是網(wǎng)狀次生α相使裂紋擴(kuò)展路徑曲折（圖2），分枝增多，消耗更多能量；
斷口特征：700℃退火斷口韌窩稀疏（直徑5~10μm），850℃時韌窩數(shù)量增加，且大韌窩周圍分布小韌窩（直徑2~5μm），呈典型韌性斷裂特征。
2.3.1工業(yè)純鈦的消除應(yīng)力退火
工業(yè)純鈦大型薄壁環(huán)因軋制后殘余應(yīng)力較大，需進(jìn)行低溫退火（文獻(xiàn)5）：
工藝參數(shù)：600±10℃保溫4h，爐冷至300℃以下空冷；
作用效果：殘余應(yīng)力消除率≥80%，環(huán)件圓度誤差從軋制后的8mm降至5mm以下，且晶粒尺寸保持在50~80μm，避免晶粒粗大導(dǎo)致塑性下降。
3、鈦合金環(huán)鍛件組織演化規(guī)律與性能調(diào)控機(jī)制
鈦合金環(huán)鍛件的“工藝-組織-性能”關(guān)系是核心科學(xué)問題，不同成形工藝通過改變α相的形態(tài)、尺寸與分布，最終影響力學(xué)性能。本節(jié)基于文獻(xiàn)1、2、4的實驗數(shù)據(jù)，揭示典型鈦合金的組織演化規(guī)律與性能調(diào)控機(jī)制。
3.1TA15鈦合金：兩相區(qū)成形的等軸組織與中溫性能
TA15在α+β兩相區(qū)（945℃）成形時，組織演化分為三個階段（文獻(xiàn)1）：
鍛造階段：原始β晶粒在變形作用下破碎，形成不連續(xù)的β晶界，同時初生α相（黑色）沿晶界與晶內(nèi)析出，呈球狀（直徑5~10μm）；
鍛后空冷階段：殘余β相（白色）分解為片狀次生α相，形成“等軸初生α+β轉(zhuǎn)變組織”（圖3a），其中初生α相含量約35%~40%；
退火階段：820℃退火使次生α相進(jìn)一步細(xì)化，β轉(zhuǎn)變組織均勻性提升，消除鍛造應(yīng)力。
該組織的力學(xué)性能優(yōu)勢體現(xiàn)在：
室溫性能：等軸初生α相阻礙位錯運動，使σb≥950MPa；同時，β轉(zhuǎn)變組織提供塑性，ψ≥48%，實現(xiàn)“強(qiáng)塑匹配”；
中溫性能：500℃時，β轉(zhuǎn)變組織中的次生α相穩(wěn)定性高，σb≥650MPa，440MPa載荷下100h未斷，滿足航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣的中溫持久要求。
3.2TC6鈦合金：雙溫成形的組織差異與性能趨同
TC6在兩相區(qū)（930℃）與近β區(qū)（950℃）成形的組織差異顯著，但力學(xué)性能相近（文獻(xiàn)2），其機(jī)制如下：
3.2.1組織演化差異
兩相區(qū)（930℃）：變形時，初生α相（直徑8~12μm）與β相同時發(fā)生塑性變形，沿金屬流動方向被拉長后再結(jié)晶，形成等軸α+β組織（圖3b），無連續(xù)原始β晶界；
近β區(qū)（950℃）：變形時，原始β晶粒部分長大（直徑50~80μm），動態(tài)析出條狀α相（長度20~30μm），鍛后空冷使條狀α相扭曲，形成網(wǎng)籃狀組織（圖3c），原始β晶界輪廓模糊。
3.2.2力學(xué)性能趨同機(jī)制
盡管組織形態(tài)不同，但兩種工藝的室溫與高溫力學(xué)性能差異較小（表5）：
| 成形溫度 | 室溫性能 | 400℃高溫性能 | 斷裂韌性K1c（MPa?m^(1/2)） | 文獻(xiàn)來源 |
| 930℃ | σb=956MPa，δ5=18.3%，ψ=42.0% | σb=724MPa，δ5=19.1% | 75.2 | 文獻(xiàn)2 |
| 950℃ | σb=959MPa，δ5=15.6%，ψ=50.9% | σb=744MPa，δ5=18.1% | 78.6 | 文獻(xiàn)2 |
原因在于：
強(qiáng)度貢獻(xiàn)：兩相區(qū)的等軸α相與近β區(qū)的條狀α相，均通過“位錯阻礙”機(jī)制提供強(qiáng)度，且兩種組織的α相體積分?jǐn)?shù)相近（30%~35%）；
塑性補(bǔ)償：兩相區(qū)的等軸組織因α相球化，塑性（δ5）更優(yōu)；近β區(qū)的網(wǎng)籃組織因條狀α相交叉分布，面縮率（ψ）更高，實現(xiàn)塑性補(bǔ)償；
斷裂韌性：網(wǎng)籃組織中，條狀α相使裂紋擴(kuò)展路徑更曲折，斷裂韌性比等軸組織高4.5%，更適用于抗斷裂要求高的場景。
3.3TC4鈦合金：退火溫度對沖擊韌性的調(diào)控機(jī)制
TC4的沖擊韌性主要由次生α相的形態(tài)控制（文獻(xiàn)4），其核心機(jī)制如下：
裂紋萌生階段：初生α相（直徑10~25μm）可阻礙裂紋萌生，因初生α相顆粒越多，裂紋萌生所需能量越高；700℃退火時，次生α相彌散分布，對裂紋萌生的阻礙作用弱，沖擊功較低；
裂紋擴(kuò)展階段：隨退火溫度升高，次生α相形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，裂紋擴(kuò)展時需繞過網(wǎng)狀α相，路徑長度增加（圖4）；850℃時，裂紋擴(kuò)展路徑比700℃時增加60%以上，消耗更多沖擊能量；
斷口演化：低退火溫度（700℃）時，斷口以“解理面+少量韌窩”為主，呈準(zhǔn)解理斷裂；高退火溫度（850℃）時，斷口布滿韌窩，呈典型韌性斷裂，沖擊功顯著提升。
3.4工業(yè)純鈦：軋制與熱處理的晶粒控制
工業(yè)純鈦大型薄壁環(huán)的塑性與尺寸穩(wěn)定性依賴晶粒均勻性（文獻(xiàn)5）：
軋制細(xì)化晶粒：軋制過程中，變形量≥70%時，原始晶粒（直徑100~150μm）被破碎為50~80μm，動態(tài)再結(jié)晶使晶粒尺寸均勻；
熱處理穩(wěn)定晶粒：600℃退火時，晶粒無明顯長大（≤90μm），且位錯密度降低，殘余應(yīng)力消除，環(huán)件的塑性（δ5≥20%）與尺寸穩(wěn)定性（圓度誤差≤5mm）均滿足要求。
4、鈦合金環(huán)鍛件常見缺陷與控制策略
鈦合金環(huán)鍛件成形過程中，因材料特性與工藝參數(shù)不當(dāng)，易產(chǎn)生外部缺陷（如孔型填充不滿、橢圓）與內(nèi)部缺陷（如晶粒粗大、氧化裂紋）。本節(jié)基于文獻(xiàn)3、5的研究，分析缺陷成因并提出控制策略。
4.1外部缺陷：孔型填充不滿與橢圓變形
4.1.1孔型填充不滿
孔型填充不滿是異形截面環(huán)鍛件的典型缺陷，分為“始終未充滿”與“后期分離”兩種類型（文獻(xiàn)3），成因與控制策略如下：
成因：
毛坯尺寸不合理：如凹槽截面環(huán)件的毛坯徑向尺寸不足，導(dǎo)致金屬無法填充凹槽；
金屬流動不均：軋制時徑向流動速度低于軸向流動速度，使孔型處金屬不足；
芯輥進(jìn)給速度過快：導(dǎo)致環(huán)件溫度升高，β相增多，金屬流動性下降。
控制策略：
優(yōu)化毛坯尺寸：采用響應(yīng)面法設(shè)計毛坯，如斜I截面環(huán)件的毛坯徑向尺寸需比設(shè)計值大5%~8%（文獻(xiàn)3）；
調(diào)整軋制參數(shù)：芯輥進(jìn)給速度降低1~2mm/s，延長金屬填充時間；同時，上/下錐輥軸向壓下量增加2~3mm，促進(jìn)金屬徑向流動；
填充順序優(yōu)化：先填充難成形區(qū)域（如凹槽、臺階），再填充易成形區(qū)域，如錐形法蘭環(huán)件需先填充錐形面，再填充法蘭面（文獻(xiàn)3）。
4.1.2橢圓變形
橢圓變形在大型薄壁環(huán)鍛件中尤為突出（文獻(xiàn)5），成因與控制策略：
成因：
軋制時定心力不足：導(dǎo)向輥對環(huán)件的抱緊力不夠，環(huán)件旋轉(zhuǎn)時徑向偏移；
芯輥進(jìn)給不均：芯輥兩側(cè)進(jìn)給速度差異＞0.5mm/s，導(dǎo)致環(huán)件壁厚不均；
環(huán)件剛性不足：薄壁環(huán)件（壁厚/外徑＜0.03）在軋制力作用下易變形。
控制策略：
分段控制定心力：初軋階段定心力15%~20%，主軋階段10%~15%，減速成圓階段5%~8%，確保環(huán)件旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定；
芯輥進(jìn)給同步性：采用伺服控制系統(tǒng)，使芯輥兩側(cè)進(jìn)給速度差異≤0.2mm/s；
增加支撐裝置：在軋制薄壁環(huán)件時，增加徑向支撐輥，提高環(huán)件剛性，減少變形。
4.2內(nèi)部缺陷：晶粒粗大與氧化裂紋
4.2.1晶粒粗大
晶粒粗大會導(dǎo)致環(huán)鍛件塑性與沖擊韌性下降，成因與控制策略（文獻(xiàn)3、5）：
成因：
加熱溫度過高：如TC6近β區(qū)軋制溫度超過960℃，β晶粒長大至100μm以上；
保溫時間過長：TA15制坯保溫超過150min，初生α相粗化至15μm以上；
變形量不足：軋制變形量＜50%，無法破碎原始晶粒。
控制策略：
嚴(yán)格控制加熱溫度：TA15制坯溫度≤950℃，TC6近β區(qū)溫度≤955℃，工業(yè)純鈦軋制溫度≤900℃；
優(yōu)化保溫時間：根據(jù)坯料尺寸，保溫時間=（坯料直徑/100）×60min（如Φ140mm坯料保溫84min）；
保證變形量：制坯變形量≥60%，軋制變形量≥70%，通過多火次變形破碎晶粒。
4.2.2氧化裂紋
鈦合金高溫易氧化，形成硬脆的氧化層（TiO?），在變形時易產(chǎn)生裂紋（文獻(xiàn)5），成因與控制策略：
成因：
加熱時無防氧化措施：氧擴(kuò)散進(jìn)入鈦基體，形成厚度＞5μm的氧化層；
鍛后冷卻過快：氧化層與基體熱膨脹系數(shù)差異大，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致裂紋；
變形時氧化層未去除：制坯后氧化層未磨削，軋制時氧化層破碎并引發(fā)基體裂紋。
控制策略：
涂覆防氧化涂料：制坯與軋制前，在坯料表面涂覆Al?O?-SiO?涂料，氧化層厚度可控制在＜2μm；
分段冷卻：鍛后先空冷至500℃，再緩冷至室溫，減少熱應(yīng)力；
中間清理：制坯后磨削表面氧化層（去除厚度≥0.5mm），再進(jìn)行軋制。
5、總結(jié)與展望
5.1核心結(jié)論
材料-工藝匹配體系：TA15需在β相變點下20~40℃（940~960℃）成形，獲得等軸α+β組織，滿足中溫性能要求；TC6近β區(qū)（950℃）成形可降低變形抗力，且力學(xué)性能與兩相區(qū)成形持平；TC4通過800~850℃退火，可使沖擊韌性提升至45J/cm2以上；工業(yè)純鈦需涂防氧化涂料，分段加熱至980℃制坯，確保薄壁環(huán)成形。
成形工藝優(yōu)化方向：制坯需重點控制加熱速度與輔具預(yù)熱，避免氧化與降溫；軋制采用“初軋慢-主軋快-減速成圓”曲線，定心力分段調(diào)整，確保尺寸精度；熱處理需根據(jù)目標(biāo)性能設(shè)計，如TA15的820℃退火、TC4的850℃退火。
組織-性能調(diào)控機(jī)制：等軸α相主導(dǎo)強(qiáng)度與塑性平衡，網(wǎng)籃狀組織提升斷裂韌性，網(wǎng)狀次生α相延長裂紋路徑；通過控制α相的形態(tài)（球狀、條狀、網(wǎng)狀）與尺寸（5~10μm），可實現(xiàn)鈦合金環(huán)鍛件的性能定制。
缺陷控制關(guān)鍵技術(shù)：孔型填充不滿需優(yōu)化毛坯尺寸與填充順序，橢圓變形需控制定心力與芯輥同步性，晶粒粗大需嚴(yán)格控制加熱溫度與變形量，氧化裂紋需涂防氧化涂料并中間清理。
5.2未來展望
復(fù)雜異形截面環(huán)鍛件技術(shù)突破：針對航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣的“L型、臺階型”復(fù)雜截面，需開發(fā)“制坯-軋制-熱處理”一體化工藝，結(jié)合有限元模擬預(yù)測金屬流動，實現(xiàn)近凈成形。
微觀組織數(shù)字化模擬：當(dāng)前有限元模擬多聚焦宏觀成形，未來需發(fā)展微觀組織模擬技術(shù)，如基于晶體塑性理論，預(yù)測軋制過程中α相的形核、長大與分布，實現(xiàn)“形性一體化”調(diào)控。
智能化軋制裝備開發(fā)：開發(fā)具備“溫度-應(yīng)力-組織”實時監(jiān)測的智能軋環(huán)機(jī)，通過AI算法動態(tài)調(diào)整軋制參數(shù)（如芯輥進(jìn)給速度、定心力），減少人為干預(yù)，提高產(chǎn)品一致性。
新型鈦合金環(huán)鍛件研發(fā)：針對風(fēng)電、核電領(lǐng)域的需求，研發(fā)耐疲勞鈦合金（如Ti-6Al-4V-ELI）、耐蝕鈦合金（如Ti-32Mo）的環(huán)鍛件，拓展鈦合金環(huán)鍛件的應(yīng)用范圍。
參考文獻(xiàn)
[1]楊洪濤，何劍雄，譚勇，等.TA15鈦合金環(huán)形鍛件組織與性能的研究[J].鍛壓技術(shù)，2005(Z1):137-139.
[2]楊洪濤，何劍雄，譚勇，等.TC6鈦合金環(huán)形鍛件組織與性能的研究[J].宇航材料工藝，2005(4):52-54.
[3]李兆通，李亮，景財年，等。大型環(huán)鍛件軋制研究現(xiàn)狀與展望[J].中國鑄造裝備與技術(shù)，2021,56(6):31-37.
[4]都海剛，檀雯，岳旭，等。退火溫度對TC4鈦合金薄壁環(huán)材沖擊韌性的影響[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017(20):62-63.
[5]郭銳濤，張素芳，張廣威，等。大型薄壁鈦環(huán)成形工藝[J].大型鑄鍛件，2016(1):52-53.
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