近年來，鈦合金因其高的比強度、優異的耐腐蝕性、良好的生物相（xiàng）容性等優點，迅速發展成為具有強（qiáng）大生命（mìng）力的（de）新型關鍵結構材料， 被廣泛應用於航空（kōng）航天、軍事工業、石油化工以及醫（yī）療衛生等領域[1-3]。從（cóng）工業價值（zhí）和資源（yuán）壽命的（de）發（fā）展前景來看， 它（tā）僅次（cì）於鐵、鋁而被譽為正在崛起的“第三金屬”[4]。由於鈦合金冷（lěng）變形困難，所（suǒ）以，在使用鈦及（jí）鈦合（hé）金的半成品（pǐn）或（huò）成品時（shí）， 往往需要把鈦錠先經過（guò）熱加工方法變形至各種坯料和鍛件， 其中鍛（duàn）壓加工就是最普遍采用的一種手（shǒu）段。另外， 鈦合金的熱處理製度對其組織不起（qǐ）決定（dìng）作用。因此，鍛造工藝不僅可以使鍛件在外形（xíng）和尺寸上接近成品（pǐn）， 對於改善鈦台金組織以及提高其性能（néng）也有著重要的作用[5]。

      在鈦合（hé）金的熱加工中，加熱溫度至關重要（yào）。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（yì）產生裂（liè）紋等（děng）缺陷（xiàn），故鈦合金的鍛造溫度範圍較窄[6]。鈦合金的鍛造按其β 轉變溫度（dù）可以分為：α+β 鍛造和β 鍛造。近年來又出現了（le）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 鍛造即常規鍛造，是在相變點以下30～50℃加熱、變形（見圖1），常規鍛造一般得到的是等軸組織(α 等+β 轉)。其鈦合（hé）金鍛件具有高的塑性和室溫強度，但（dàn）是高溫性能和斷裂韌（rèn）性不好[7]，如圖2為TC11 鈦合金經過常規鍛造後的高倍組織（zhī）圖。常規鍛造（zào）由於研究較深入， 操作（zuò）簡單易行（háng）， 且成本較低，因此應用廣泛。

      在（α+β）區變形過程（chéng）中同時發生β 晶粒和（hé）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 相間的差別逐漸消失。當變形程度超過60%～70%後， 己沒有任何（hé）可見（jiàn）的片狀組織痕跡了（le）。在一（yī）定溫度和變形程度下發（fā）生再結晶，且α 相的再結晶（jīng）先於β 相的再結晶，再結晶後的α 晶粒，呈扁球形狀，沒有再結晶的α 晶粒形狀為盤狀、杆狀或纖維狀。

      侯會喜[8]研究了（le）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。變形溫度越低，初生α 相的含量（liàng）就越（yuè）多。由於鍛件的室溫力（lì）學性能和高溫力學性能與初生α 相的含量密切相關，因此，為了確保(α+β)兩相合金具有最好的綜合（hé）性能，在進行TC6 合金鍛造時，必（bì）須嚴格控製變形（xíng）溫度， 使等軸初生相顆粒的總含量在15%～45%。

      1.2 β 鍛造 

      世紀50 年代後（hòu）期，Groan 等人提出相變（biàn）點以（yǐ）上β 鍛造（zào）理論（lùn），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（shì）網籃組織， 如（rú）圖4。TC11 鈦合金和IMI679 合金β 鍛造的組織，為典型的網籃組織（zhī）。與（yǔ）常規鍛造相（xiàng）比，經β 鍛造後，提高了材料的抗蠕變能力、斷裂韌性（xìng）和抗衝擊韌性， 但是明顯降低（dī）了塑性和熱（rè）穩（wěn）定性，導致“β 脆性”和“組織遺傳性”。由（yóu）於鍛造（zào）在β 相較高的溫度下進行，所以β 鍛造的最大優點是變形抗力小，鍛件精密度高，生產效率和模鍛設備壽命（mìng）都能得到提高。

      β 鍛造得到（dào）的大量網籃組織交織的條狀a 不僅增加了相界（jiè）麵，提高了合金強度與抗蠕變能力，而且（qiě）裂紋擴展將隨著α 片（piàn）和α 集束的位向不斷改變方向，導致裂紋路徑曲折（shé），分枝多，因而其斷裂韌性較高，符合現代高損傷容限長壽命鈦合金（jīn）的設（shè）計理念。於衛敏（mǐn）等[9]研究了Bt25 鈦合金不（bú）同鍛造工藝對（duì）組織和性（xìng）能的影響。隨著加熱溫度的提高，鍛件的室溫和高溫強度增（zēng）加不明顯；但（dàn）是塑（sù）性，特別是斷麵（miàn）收縮率明顯降低， 尤（yóu）其是β 鍛造獲得的鍛件其室溫和高溫下的斷麵（miàn）收縮（suō）率隻有兩（liǎng）相區（qū）鍛造的1／3。從表1的不（bú）同鍛（duàn）造工（gōng）藝的損傷容限性能的對比可知，β 鍛造的斷裂韌度、裂紋擴展率、缺口衝擊韌度則大（dà）大優於兩相區鍛造的鍛件。

      1.3 近β 鍛造（zào）

      近β 鍛造[10]是由周義剛於80 年代提出的，其原理是將坯料置於相變點以下10～15℃加熱（圖5）、鍛造、鍛後水冷，隨後，進行高溫韌化和（hé）低溫強化處理。相變點以下10～15℃鍛造會產生大約20%的（de）等軸組織。快速水冷可利用形變（biàn）熱處理的作用，增（zēng）加結晶核心、儲存（cún）變形能和變形產生的晶體（tǐ）缺陷， 獲得短、細、亂的β 轉變組織。熱處理時，加熱（rè）溫度接近相變點可有效（xiào）調節材料組織中（zhōng）的等軸α 相（xiàng）和β 轉變組（zǔ）織（zhī）的相（xiàng）對含量。由此（cǐ）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（tǐ）組成的三態組織。其中20%左（zuǒ）右的等軸α 晶粒足以起（qǐ）到變形協（xié）調作用，而研究表明，等軸組織超過20%不（bú）會對（duì）合金（jīn）的性能有明顯的提高；50%～60%網籃（lán）交織的條狀α， 降低了（le）滑（huá）移的平均自由程使滑移（yí）帶（dài）間距減小， 位錯線分布（bù）均勻， 沒有局部嚴重位錯塞積現象，從而推（tuī）遲（chí）了空洞的形核和發展，顯示出不低於等軸組織的（de）水平。

      但是由於近β 鍛造是在相變點以（yǐ）下10～15℃進行（háng）鍛造， 所（suǒ）以控製加熱鍛造（zào）溫度（dù）就成了最大的技術難點。由於材料化學成分（fèn）的不均勻．加熱爐爐溫的（de）不（bú）均（jun1）勻（yún）性和（hé）鍛造過程（chéng）中產生的（de）熱效應， 都會影響加熱鍛（duàn）造溫（wēn）度。

      周義剛[11]等對TC11 合金進行了近β 鍛造的研（yán）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（zài）990～995℃進行（háng）。鍛後進行快速水冷， 鍛件采用950℃/1 h AC+ 950℃/1.5 h FC+530℃/6 h AC 處理, 獲得（dé）約含20%等軸α相，50～60%條狀α 構成（chéng）的網藍和β 轉變基體組成的三態（tài）組織。TC11 鈦合金近β 鍛造後典型的三態組織如圖6 所示。

      1.4 等溫鍛造

      等溫鍛造是一種先進的加工工藝， 可以（yǐ）使（shǐ）鈦合金等難變形材料在相對恒溫的（de）變形溫度下， 以極（jí）低的變（biàn）形速（sù）率，一次成形得到（dào）形狀複雜的精密（mì）鍛件。采用該工藝（yì）成形的鍛件僅需少（shǎo）量的機械加工即可裝配（pèi）使（shǐ）用，材料利用率高，且由於工藝（yì）可控性好，變形均勻，鍛（duàn）件的組織性能更加穩定和均勻，批量生產時，具有顯著的經（jīng）濟效益[12]。與常規鍛造相比，等溫鍛造鈦合金有以下優點：①等溫鍛造可實現精密鍛（duàn）造，鍛造載荷較小，模具磨損（sǔn）小。②容易控製加工參數，可獲得均（jun1）勻一致的（de）微觀（guān）組織，較少出現粗（cū）大晶粒，能夠獲（huò）得20%～30%球狀a 相，故其力（lì）學（xué）性（xìng）能與常規鍛造相當或優於常規鍛造的產（chǎn）品。③等溫鍛造工藝還可減小或消除模具激冷和材料應變硬化的影響，顯著降低變形抗力，提高坯（pī）料的成形性能。因此，等溫鍛造工（gōng）藝已成為當（dāng）前（qián）國內外鈦合金鍛件生產工藝的重要發展方（fāng）向[13-14]。

      目前發達國家等溫鍛造硬件都已相當（dāng）成熟，如溫控器、常（cháng）應變率控製器和（hé）計算機反饋係統等。我國對等溫（wēn）鍛造（zào）的研究起步比（bǐ）較（jiào）晚，20 世（shì）紀70 年代末期首先由北京航材院對TC9 鈦合金的整體渦輪（lún）盤進行（háng）了等溫鍛造實驗。經過幾十年的（de）發展， 等溫（wēn）鍛造逐漸在我國的航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（yè）壓機上，利（lì）用兩相區鍛造方法，兩（liǎng）次鍛造，成功試製出BT25 鈦合金精密鍛件第四、第五級高壓壓（yā）氣（qì）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公司龐克昌等人運用等溫鍛造技術生產出表麵光潔、外形精確的TC11鈦合金收斂段、擴張（zhāng）段，TC4 鈦合金翼（yì）芯、氣瓶等航（háng）天精密優質鍛件；中國南方航空發動機械公司等溫鍛造課（kè）題組采用等溫鍛造技術成功鍛造出（chū）了壓（yā）氣機1～2級盤，支撐架、前軸承座、風扇整流器內環、指針和搖臂等合格的鍛件；貴航集團安大鍛造公司成功生產出組織性能均勻、變（biàn）形抗力小、工藝可控性好、成形性好、鍛件的質量穩（wěn）定性好的高溫合金鍛件[15]。

      2 鈦合金（jīn）鍛件的（de）應用

      2．1 航空航（háng）天方麵

      鈦合金鍛（duàn）件已經廣泛地應用於航空、航天製造業中。近β 型高強高韌鈦合金Ti1023 已應用於波音777 飛機（jī）的起落架部件中， 使得波音777 飛機上（shàng）的鈦用量幾乎翻了一番（fān）， 每架飛機減重近270 kg。A380 已經在探（tàn）討使用Ti1023 合金大型鍛件作為主（zhǔ）起落架的傳動裝置（zhì）。若能實用（yòng），這將是（shì）長達7m 的最大的鈦合（hé）金鍛件。俄羅斯也將BT22 鈦合金鍛（duàn）造構件應用在了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]。在飛機發動機中，鈦合金鍛件也是不可或缺的材料， 主（zhǔ）要用（yòng）於使用溫度在853K 以下的風扇和壓縮機（jī）零件。典型的使用部位有風扇葉片（piàn）、外殼、盤件，壓氣（qì）機葉片、盤件、短軸（zhóu）、外殼等（děng）。我國研究人員經過先采用β 鍛造（zào）得到（dào）一個網（wǎng）籃（條狀（zhuàng））組織的葉盤預製坯件，再通過控製變形量，使（shǐ）葉盤預製坯件外緣（葉片部位）局（jú）部大變形以球化（huà）條狀（zhuàng）α 獲得（dé）等軸組織， 得到了葉片為（wéi）等軸組（zǔ）織，輪盤（pán）為網籃組織的發動機整體盤（pán）件，如圖7 所示。在航天領域， 鈦合金鍛件被用於火箭及衛星推進發動機（jī）的燃（rán）料箱、姿控發動機外殼、液體燃料渦輪泵的（de）葉片和吸人泵的入口段。通常使用的衛（wèi）星（xīng）推進係統成品油箱的壁（bì）厚不到1mm， 由25mm 厚（hòu）的半球形殼（ké）體鍛（duàn）件加工而成。

      2．2 其他（tā）方麵

      使用鈦合金（jīn）鍛件作為火力發電的蒸汽輪機葉片， 可增加蒸汽輪機的葉片長度， 從而（ér）提高（gāo）發電效率，減（jiǎn）小轉（zhuǎn）子的負荷。早在1991 年就已經把（bǎ）1m 長的Ti-6Al-4v 合（hé）金葉片應（yīng）用在了高速旋轉的汽輪機末段。在體（tǐ）育器材方（fāng）麵，鈦合金鍛件可（kě）用於高爾夫球杆上，由於β 型鈦合金鍛件的強度高，從而（ér）可以采用板厚低於3mm 的鍛件充當擊球麵， 使得彈性擊（jī）球麵通過較長的衝（chōng）擊作（zuò）用時間來儲存或釋放能量以緩和衝擊（jī）， 從而球員不需要用力揮棒便可將球擊得很遠。鈦合金高爾夫球杆擊球麵鍛件如圖8 所（suǒ）示。此外，鈦合金鍛（duàn）件在海（hǎi）洋和近海領（lǐng）域、汽車工業、建築業和醫療器械業中都有較廣（guǎng）泛的應用（yòng）。

      3 結束語

      隨著鈦合金（jīn）越來（lái）越多的應用於各個領域， 鈦合金鍛造工藝作為鈦（tài）合金重要的加工手段， 也（yě）將在鈦合金的生產中變得越（yuè）來（lái）越重要。由（yóu）於我國的鈦合金加工起步較晚，跟國外發達國家還有不少的差距。目（mù）前，國內的鈦合（hé）金鍛（duàn）造（zào）還是主要以常規鍛造為（wéi）主。由（yóu）但真正的（de）應用還十分有限； 由於成本太高以及等溫模具的（de）壽命太短等問題， 等溫鍛造（zào）僅僅應用在航空航天等關鍵領域。

      不過隨著對近β 鍛造等新型鈦合金鍛造工藝的研究，並且正在加以應（yīng）用。CAD／CAE／CAM 一體化、人工智能技術和有限元技術為鈦合金的等溫（wēn）模鍛注入了新（xīn）的發展活力，不僅可（kě）以降低成本（běn），而且使成形複雜（zá）形狀的（de）精密鍛件成為可能。熱模鍛造作為另一種近淨成形手段， 有著與等溫鍛（duàn）造鈦合金相似的優勢， 而成（chéng）本要明（míng）顯低於後者， 因此具備很（hěn）大的發展潛力。隨著鈦合金鍛造工藝難題的解決，鈦（tài）合金鍛件必將有越（yuè）來越多的應用。於溫控等技術方麵的原因， 近β 鍛（duàn）造雖然有研究，