鈦合金TC4鍛造工藝研究

宮 成，劉 浩，劉曉霏，高新亮，張國慶

（1. 首都航天機(jī)械有限公司，北京，100076；2. 天津航天長征技術(shù)裝備有限公司，天津，300462）

0 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(qiáng)度，密度為4.54 g/cm3，同時(shí)具有較好的熱穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)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(qiáng)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鍛件的組織成為研究熱點(diǎn)。

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(shí)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(shí)有發(fā)生，廢品率較高，如圖1所示。

圖1 鈦合金鍛件某批次金相組織檢測Fig.1 Metallographic Structure Inspection of a Batch of Titanium Alloy Forgings

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(yàn)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(bào)廢，計(jì)劃開展4組工藝試驗(yàn)研究，試驗(yàn)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(yàn)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。

圖2 鈦合金鍛件生產(chǎn)流程Fig.2 Titanium Alloy Forging Production Process

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

表1 TC4工藝試驗(yàn)策劃Tab.1 TC4 Process Test Planning

2 開展鍛造試驗(yàn)

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(yàn)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(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 TC4原材料復(fù)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 TC4 Raw Material Re-inspection Results

原材料高倍組織如圖3所示。

圖3 原材料高倍組織（500×）Fig.3 Raw Material Macrostructure（500×）

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(yàn)

試驗(yàn)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(yàn)現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 鍛造試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.4 Forging Production Site

4組試驗(yàn)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(yàn)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。

圖5 熱處理后鍛件高、低倍取樣剖切示意Fig.5 High and Low Magnification Sampling and Cutting of Forgings after Heat Treatment

3.1 力學(xué)性能分析

力學(xué)性能指標(biāo)比照表3驗(yàn)收。

表3 TC4鍛件產(chǎn)品力學(xué)性能驗(yàn)收指標(biāo)Tab.3 The Index Requirement of Mechanical Performance of TC4 Forging Product

1～4試驗(yàn)鍛件力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 1～4組力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)分析Tab.4 Statistical Analysis of Mechanical Properties of Groups 1-4

由表4可以看出，低溫大變形條件下（試驗(yàn)組4）對力學(xué)性能各項(xiàng)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(yàn)組3力學(xué)性能存在超差現(xiàn)象，如圖6所示，試驗(yàn)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]。

圖6 試驗(yàn)組3熱處理后金相組織Fig.6 Test Group 3 Metallographic Structure after Heat Treatment

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(yàn)鍛件剖切后Ⅲ區(qū)的高倍組織。

圖7 鍛件熱處理后變形死區(qū)內(nèi)高倍組織（500×）Fig.7 High Magnification Structure in the Dead Zone of Deformation after Heat Treatment of Forging（500×）

續(xù)圖7

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。

圖8 第1組3個變形區(qū)的高倍組織Fig.8 The High Magnification Structure of the First Group of 3 Deformation Zones

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(kuò)展的直接通道，有利于裂紋的擴(kuò)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(jì)與金相分析

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

表5 熱處理后試驗(yàn)件低倍取樣檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistics of Low-magnification Sampling Test Results of Test Pieces After Heat Treatment

由表5第1組試驗(yàn)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?yàn)椋哄懺鞙囟冗^高，且變形量不足，變形所累計(jì)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)獒槧詈推瑺瞀料啵乙蜃冃嗡绤^(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。

圖9 熱處理后1、3組試驗(yàn)鍛件低倍組織Fig.9 The Macrostructure of the Test Forgings of Groups 1, 3 after Heat Treatment

續(xù)圖9

對比1、3組試驗(yàn)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(yàn)組3鍛件取樣理化檢測結(jié)果可知，試驗(yàn)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%），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(yàn)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。