航空軍工用TC4鈦合金鍛件的鍛造工藝和力學(xué)性能

引 言 

目前鈦合金鍛件產(chǎn)品被大量用于宇航、軍工和汽車等領(lǐng)域，鈦合金材料具有較高的比強度，密度為4.54g/cm³，同時具有較好的熱穩(wěn)定性和高溫強度。但在鍛件生產(chǎn)過程中，由于TC4材料組織在變形過程中對變形溫度和變形程度極為敏感，容易出現(xiàn)大批量高低倍組織不合格的現(xiàn)象，進(jìn)而影響鈦合金材料的塑性和高溫強度，這些不合格組織如粗大晶粒、魏氏組織等對于宇航軍工產(chǎn)品來說是致命的隱患[1]，因此近些年來有效控制TC4鈦鍛件的組織成為研究熱點。 

1、鍛造工藝策劃 

1.1 鍛件產(chǎn)品不合格現(xiàn)象分析

 以中國某鍛壓企業(yè)大批量生產(chǎn)的某零件（鍛件規(guī)格為Ф100×75 mm）為例，原材料為符合GB/T 2965-2007要求，鍛造生產(chǎn)時1次鐓粗成形，始鍛溫度為970 ℃、終鍛溫度為850 ℃，此材料在經(jīng)鍛造和熱處理后力學(xué)性能、金相不合格現(xiàn)象時有發(fā)生，廢品率較高，如圖1所示。

從圖1可以看出，低倍組織有肉眼可見的清晰晶粒，按照標(biāo)準(zhǔn)GJB2744A-2007評級為5級，屬于不合格組織；高倍組織中初生α相含量小于5%，所有β晶界未α充分破碎，符合標(biāo)準(zhǔn)評級圖中的7類，也屬于不合格組織，初步分析為鍛造溫度和變形程度參數(shù)選取不當(dāng)所致。 

1.2 試驗流程及方案 

為改善鈦合金鍛件質(zhì)量，避免因高低倍不合格引起大批量產(chǎn)品報廢，計劃開展4組工藝試驗研究，試驗變量為始鍛溫度和變形量，所有產(chǎn)品不檢測高低溫力學(xué)性能、不進(jìn)行探傷工序，其余按照Ι-GJB2744A-2007驗收，成形尺寸為Ф（115±3） mm×（75±3） mm，鍛件生產(chǎn)流程如圖2所示。

鍛件鍛后熱處理退火溫度為750 ℃，4組工藝試驗參數(shù)變量如表1所示。

2、開展鍛造試驗 

2.1 鍛件原材料質(zhì)量分析 原材料組織對于鍛件組織具有一定的遺傳特性，此次工藝試驗所用原材料標(biāo)準(zhǔn)為GB/T2965-2007，供應(yīng)狀態(tài)為退火態(tài)（M），復(fù)驗結(jié)果如表2所示。

原材料高倍組織如圖3所示。

原材料棒材為退火態(tài)，由圖3可以看出，原材料高倍組織不同部位有一定差別，主要是初生α相含量從邊緣到中心部逐漸增多，晶粒尺寸逐漸較小，原因是隨著變形量的增加初生α相晶粒的尺寸變小，β轉(zhuǎn)變組織所占的比重有所減小[2]。 

2.2 鍛造試驗 

試驗件在400 kg空氣錘上進(jìn)行鍛造，原材料使用電爐加熱，加熱溫度及變形量如表1所示，鍛造試驗現(xiàn)場如圖4所示。

4組試驗件熱處理制度為完全再結(jié)晶退火，退火溫度750 ℃，保溫1 h后空冷。

3、結(jié)果分析 

熱處理后對1~4組試驗鍛件剖切取樣，每組第1件剖切橫向拉伸試樣和沖擊試樣，第2件在3個區(qū)（Ι-易變形區(qū)、Ⅱ-難變形區(qū)、Ⅲ-變形死區(qū)）切取高、低倍（Z-軸向、Q-切向）組織，取樣示意如圖5所示。

3.1 力學(xué)性能分析 

力學(xué)性能指標(biāo)比照表3驗收。

1~4試驗鍛件力學(xué)性能統(tǒng)計如表4所示。

由表4可以看出，低溫大變形條件下（試驗組4）對力學(xué)性能各項指標(biāo)較為有利，按照變形工藝力學(xué)指標(biāo)從好到壞依次為：低溫大變形＞低溫常規(guī)變形＞高溫常規(guī)變形＞高溫大變形；而試驗組3力學(xué)性能存在超差現(xiàn)象，如圖6所示，試驗組3低倍評級5級、高倍7類，鍛件纖維組織存在穿流和渦流現(xiàn)象，會對抗拉和屈服有不良影響[3]。

大塑性變形條件下，如果變形速率高，則其溫升效應(yīng)逐漸凸顯，溫升較大且溫降比較小，極容易導(dǎo)致變形溫度超過β相變轉(zhuǎn)變溫度，導(dǎo)致等軸α相變成針狀或片層狀α相，且存在比較明顯的魏氏組織和晶界α相，這也是力學(xué)指標(biāo)超差的主要原因[5,6]。 

3.2 高倍組織分析 

圖7為4組試驗鍛件剖切后Ⅲ區(qū)的高倍組織。

從圖7a、7c可以看出，在970 ℃不同變形程度條件下晶界破碎程度和初生α相含量是不同的；對比圖7b、7d可知：變形量越大、變形溫度越低越容易形成初生α相。 

圖8為3個變形區(qū)的高倍組織示意。

如圖8所示，3個變形區(qū)初生α相含量隨變形量減少而逐漸減少，圖8c因變形量較低，原始β晶界未充分破碎，存在連續(xù)、平直的晶界α相，該相的存在是裂紋擴展的直接通道，有利于裂紋的擴展，因此導(dǎo)致TC4材料的塑性指標(biāo)有所降低[7]。

3.3 低倍組織結(jié)果統(tǒng)計與金相分析 

按圖5進(jìn)行剖切取樣，試驗組1-4熱處理后低倍評級統(tǒng)計如表5所示。

由表5第1組試驗的低倍組織評級結(jié)果分析可知，在高溫常規(guī)改鍛情況下，熱處理后會出現(xiàn)高低倍組織超差的現(xiàn)象；初步分析原因為：鍛造溫度過高，且變形量不足，變形所累計的再結(jié)晶激活能不夠充足，再結(jié)晶晶粒少，少部分晶粒異常長大后，金相組織發(fā)生異常[8,9]，如圖9a、9b所示。 而大變形情況下，高溫高速變形會使鍛件局部溫升過高，溫升會促使難變形區(qū)和變形死區(qū)顯微組織中β相轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧詈推瑺瞀料?，且因變形死區(qū)變形量不足而使β晶界未完全破碎[10]，這種情況下即會形成不合格的組織，如圖9c所示，這種現(xiàn)象和表X力學(xué)性能指標(biāo)的優(yōu)劣排序是相符的，說明高溫變形下的不合格低倍組織會對鍛件的力學(xué)性能指標(biāo)造成一定影響。

對比1、3組試驗低倍組織檢測情況，如圖9所示，大變形對低倍組織有一定改善作用；由試驗組3鍛件取樣理化檢測結(jié)果可知，試驗件低倍檢測評級與取樣方向有關(guān)連，切向一般好于軸向。

4、結(jié) 論 

a）鍛造變形溫度和變形程度嚴(yán)重影響TC4鈦合金的高低倍組織和力學(xué)性能指標(biāo)，在鍛造溫度950 ℃和大變形工藝情況下（變形量不小于70%），鈦合金鍛件高低倍及理化檢測合格率明顯改善，結(jié)果優(yōu)于其他鍛造生產(chǎn)工藝，驗收指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GJB 2744A-2007標(biāo)準(zhǔn)要求。 

b）低溫大變形有利于細(xì)化晶粒組織、提高鍛件產(chǎn)品力學(xué)性能，改善鍛件高倍組織，且變形溫度越低、變形程度越大，越容易出現(xiàn)初生α相組織。 

c）高低倍組織對力學(xué)性能指標(biāo)有影響，低倍組織穿晶、渦流和高倍組織出現(xiàn)魏氏組織會使產(chǎn)品力學(xué)性能指標(biāo)降低，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用性能。

參考文獻(xiàn) 

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作 者 簡 

介 宮 成（1988-），男，工程師，主要研究方向為航天領(lǐng)域金屬材料塑性成 形工藝。 

劉 浩（1989-），男，工程師，主要研究方向為鍛造熱加工。 

劉曉霏（1986-），男，高級工程師，主要研究方向有色金屬材料熱處理。 

高新亮（1992-），男，工程師，主要研究方向為金屬材料熱處理。

張國慶（1987-），男，工程師，主要研究方向為黑色金屬與有色金屬組織 檢測與力學(xué)性能分析。

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