鍛造工藝對鈦合金鍛件組織性能的影響

翟婉妮

（寶鈦集團(tuán)，陜西 寶雞 721000）

鍛造工藝是一種常見的加工技術(shù)，經(jīng)常利用鍛壓機(jī)使需要被鍛造的材料由于受到壓力而變形從而使原始的金屬零件轉(zhuǎn)化成為需要的尺寸和狀態(tài)，鍛造主要包含兩種類型，即鍛造和沖壓。鍛造產(chǎn)生的金屬鍛件具有良好的性能，主要由于鍛造增加了金屬原材料的密度，避免其結(jié)構(gòu)疏松造成的不穩(wěn)定，除此之外，其保證了金屬鍛件產(chǎn)生的性能，因此被廣泛用于目前的零件加工產(chǎn)業(yè)。這些鍛造零件可以應(yīng)用于某些工作環(huán)境苛刻的設(shè)備中，可以有效抗負(fù)載，具有極高的穩(wěn)定性，因此鍛件的應(yīng)用前景廣闊。

鈦合金是一種新型的合金[1]，其主要是增加了鈦金屬的強(qiáng)度，同時降低了鈦金屬的密度，從而保證鈦金屬具有優(yōu)秀的耐腐蝕性能，因此有很大的應(yīng)用價值。為了更好地應(yīng)用這些材料，鍛造工藝對鍛件性能影響的研究十分必要。鍛造是利用金屬的塑性[2]，在工具的沖擊或壓力下，獲得具有特定形狀和結(jié)構(gòu)性能的塑性成形工藝。鍛造生產(chǎn)的優(yōu)勢在于，不僅可以獲得機(jī)械零件的指定形狀，而且可以改善材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械零件的機(jī)械性能。鈦合金鍛件廣泛用于制造中溫發(fā)動機(jī)風(fēng)扇和壓縮機(jī)葉盤。利用鈦合金鍛件可以有效地將葉盤的結(jié)構(gòu)類型轉(zhuǎn)化，由傳統(tǒng)的多連接葉盤轉(zhuǎn)化成葉片圓盤連接型葉盤[3]，這樣可以導(dǎo)致整個葉盤的結(jié)構(gòu)不那么繁瑣，組成葉盤的材料需求也降低了，因此葉盤此時能進(jìn)行保形配置，葉盤需要更好地低疲勞和抗蠕變配置。因此，本文研究了鍛造工藝對鈦合金鍛件組織和性能的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 整體葉盤形狀與尺寸

研究的鈦合金選用TC17 合金，該鈦合金的是 (Mo+Cr)含量為8%，比TC4 和Ti-6242 具有更高的中溫強(qiáng)度，因此現(xiàn)在被廣泛地使用在其中。發(fā)動機(jī)風(fēng)扇和壓縮機(jī)集成葉盤制造可以使用鈦合金鍛件來有效地轉(zhuǎn)化葉盤的結(jié)構(gòu)類型，使其結(jié)構(gòu)由繁到簡，不僅減少了葉盤再制造生產(chǎn)時需要的工序，也降低制造葉盤的材料消耗。由于葉盤在使用過程中必須保證時刻具有彈性，因此必須要避免其由于疲勞產(chǎn)生的不可彎曲的問題。研究表明，葉盤的疲勞問題主要由葉盤的鍛造方式來改善，在鍛造時可以增加其紋理狀態(tài)太保證性能。葉盤組織受熱導(dǎo)致其性能轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)溫度即為葉盤鍛造時需要注意的變形溫度，根據(jù)葉盤加熱變形溫度得出固定的組織，該組織稱之為三相組織，以上階段的鍛造稱為近β 鍛造。與該過程不同，葉盤組織使用極高的溫度加熱后，導(dǎo)致其性能完全受到損傷，甚至產(chǎn)生層狀結(jié)構(gòu)的過程稱為β鍛造。研究表明，本實(shí)驗(yàn)研究的鈦合金TC17，使用這兩種鍛造方法鍛造出的網(wǎng)籃三相結(jié)構(gòu)更能滿足飛機(jī)發(fā)動機(jī)的技術(shù)要求。首先，應(yīng)明確檢測整體葉盤鍛件的盤形和尺寸，如圖1 所示。

圖1 葉盤鍛件圖

如圖1 所示，整個葉盤鍛件由試環(huán)和鼓筒安裝邊部位組成。

1.2 原材料

本試驗(yàn)選用310mm×80mm 的TC17 合金，該合金的化學(xué)成分能為：5.12Al、4.14Cr、4.06Mo、2.17Sn、1.98Zr、0.01C、0.005N、0.0021H，β 相轉(zhuǎn)變溫度Tβ 為893℃。試驗(yàn)用料是經(jīng)過相變點(diǎn)下多次鐓拔變形的均勻雙態(tài)組織。

1.3 工藝設(shè)計(jì)

為了對比TC17 合金近β 鍛和β 鍛后組織性能，設(shè)計(jì)了如下鍛造工藝路線。

第一種，坯料加熱（Tβ+25）℃，等溫鐓粗，變形速度v=1mm/s，等變形量55%，鍛后空冷，熱處理采用800℃×4h，WQ+630℃×8h，AC。

第二種，坯料加熱（Tβ-20）℃，等溫鐓粗，變形速度v=1mm/s，變形量40%，鍛后水冷，熱處理采用850 ℃×3h，AC+800℃×4h，WQ+630℃×8h，AC。

這兩種工藝方案主要的區(qū)別在于其相變點(diǎn)的加熱方式，以一種選用了相變點(diǎn)上加熱，第二種則選用相變點(diǎn)下加熱，兩者鍛后也不一樣，第一種鍛后選擇空冷，第二種則是水冷，熱處理為均勻化+固溶+時效。

1.4 試驗(yàn)過程

在試驗(yàn)過程中，首先需要將原材料進(jìn)行改鍛，改鍛的環(huán)境控制在3t 范圍內(nèi)，由于改鍛的過程可能會發(fā)生其他類型的反應(yīng)，因此需要預(yù)先設(shè)置改鍛的尺寸，本文采用的鍛錘為常規(guī)鍛錘，需要將改鍛尺寸設(shè)定為250mm×120mm，尺寸輸入后需要進(jìn)行改鍛的加熱處理，本試驗(yàn)選取電爐進(jìn)行加熱處理，設(shè)置電爐的探波數(shù)值，進(jìn)行預(yù)熱處理后即可開始進(jìn)行改鍛。

1.5 試驗(yàn)取樣圖

根據(jù)試驗(yàn)過程，選取試樣的部位進(jìn)行試驗(yàn)取樣，試驗(yàn)取樣圖如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)取樣圖

由圖2 可知，試樣取樣分成若干步驟，不同的鍛造工藝試驗(yàn)取樣的位置也不同，圖中的1、2 位置為熱穩(wěn)定取樣，5、6、7、8均為高溫拉伸取樣，4 代表疲勞取樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同鍛造工藝對顯微組織的影響

如圖3 所示，為近β 鍛工藝鍛件的顯微組織。其初生α 含量約20%，條狀α 沿原始β 晶界分布，原始β 晶粒尺寸較小，晶界基本破碎，為等軸α+條狀α+β 狀的三態(tài)組織。

圖3 近β 鍛顯微組織

圖4 為β 鍛顯微組織圖，該顯微組織可以反映相變點(diǎn)的熱變形量，經(jīng)過研究證明，其在某個固定溫度可以導(dǎo)致鍛造變形，從而使顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變。

圖4 β 鍛顯微組織

由圖4 可知，試驗(yàn)中的鈦合金普遍都可以經(jīng)過鍛造產(chǎn)生網(wǎng)籃反映，經(jīng)過鍛造后的鈦合金顯微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出網(wǎng)狀，容易受熱改變性質(zhì)，因此證明此時滿足鍛造條件。

2.2 不同鍛造工藝對力學(xué)性能的影響

分別使用兩種不同的鍛造工藝，即近β 鍛和β 鍛，根據(jù)這兩種鍛造工藝進(jìn)行性能檢測，分別檢測室溫拉伸，高溫拉伸和熱穩(wěn)定狀態(tài)下兩種鍛造方式的性能差異，由于鍛造工藝受到金屬本身的性能影響，因此需要提前進(jìn)行熱處理才能進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，檢測結(jié)果如表1～3 所示。

表1 不同鍛造工藝試驗(yàn)結(jié)果

表2 不同鍛造工藝的試樣斷裂韌性

由表1～表3 可知，兩種工藝的力學(xué)性能有較大差異，主要體現(xiàn)在斷裂韌性方面，近β 鍛的斷裂韌性相對于β 鍛來說偏小，比較容易由于受到某些刺激而產(chǎn)生斷裂，而β 鍛就比較穩(wěn)定，不容易發(fā)生斷裂，因此β 鍛比近β 鍛的性能高，適合應(yīng)用于葉盤的制造中，除此之外，進(jìn)行抗疲勞試驗(yàn)也是為了檢測二者的性能差異，計(jì)算二者的最大疲勞樹脂。傳統(tǒng)兩相鈦合金網(wǎng)籃組織高周疲勞較差，但TC17 合金網(wǎng)籃組織的疲勞極限強(qiáng)度可比較高，因此可以用作葉盤的生產(chǎn)材料。

3 結(jié)論

β 鍛工藝的鍛件強(qiáng)度、塑性及斷裂韌性等綜合力學(xué)性能較好，近β 鍛工藝的斷裂韌性較差，因此鈦合金發(fā)動機(jī)葉盤應(yīng)選用β 鍛造工藝鍛造。

4 結(jié)語

綜上所述，鈦合金在航空航天，醫(yī)療方面有重要應(yīng)用，其具有耐腐蝕，高強(qiáng)度的優(yōu)勢，研究表明，近β 鍛雖然強(qiáng)度和塑性優(yōu)于β 鍛，但其斷裂韌性較差。TC17 合金整體葉盤鍛造應(yīng)選用β 鍛工藝，對后續(xù)鈦合金的應(yīng)用有一定的參考價值。