鈦合金TC4鍛造工藝研究

宮 成，劉 浩，劉曉霏，高新亮，張國慶

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

0 引 言

目前鈦合金鍛件產品被大量用于宇航、軍工和汽車等領域，鈦合金材料具有較高的比強度，密度為4.54 g/cm3，同時具有較好的熱穩定性和高溫強度。但在鍛件生產過程中，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，容易出現大批量高低倍組織不合格的現象，進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。

1 鍛造工藝策劃

1.1 鍛件產品不合格現象分析

以中國某鍛壓企業大批量生產的某零件（鍛件規格為Ф100×75 mm）為例，原材料為符合GB/T 2965-2007要求，鍛造生產時1次鐓粗成形，始鍛溫度為970 ℃、終鍛溫度為850 ℃，此材料在經鍛造和熱處理后力學性能、金相不合格現象時有發生，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，按照標準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，符合標準評級圖中的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選取不當所致。

1.2 試驗流程及方案

為改善鈦合金鍛件質量，避免因高低倍不合格引起大批量產品報廢，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，所有產品不檢測高低溫力學性能、不進行探傷工序，其余按照Ι-GJB2744A-2007驗收，成形尺寸為Ф（115±3） mm×（75±3） mm，鍛件生產流程如圖2所示。

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

鍛件鍛后熱處理退火溫度為750 ℃，4組工藝試驗參數變量如表1所示。

表1 TC4工藝試驗策劃Tab.1 TC4 Process Test Planning

2 開展鍛造試驗

2.1 鍛件原材料質量分析

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準為GB/T2965-2007，供應狀態為退火態（M），復驗結果如表2所示。

表2 TC4原材料復驗結果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，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，鍛造試驗現場如圖4所示。

圖4 鍛造試驗現場Fig.4 Forging Production Site

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

3 結果分析

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（Ι-易變形區、Ⅱ-難變形區、Ⅲ-變形死區）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 力學性能分析

力學性能指標比照表3驗收。

表3 TC4鍛件產品力學性能驗收指標Tab.3 The Index Requirement of Mechanical Performance of TC4 Forging Product

1～4試驗鍛件力學性能統計如表4所示。

表4 1～4組力學性能統計分析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（試驗組4）對力學性能各項指標較為有利，按照變形工藝力學指標從好到壞依次為：低溫大變形＞低溫常規變形＞高溫常規變形＞高溫大變形；而試驗組3力學性能存在超差現象，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象，會對抗拉和屈服有不良影響[3]。

圖6 試驗組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，則其溫升效應逐漸凸顯，溫升較大且溫降比較小，極容易導致變形溫度超過β相變轉變溫度，導致等軸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，這也是力學指標超差的主要原因[5,6]。

3.2 高倍組織分析

圖7為4組試驗鍛件剖切后Ⅲ區的高倍組織。

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

續圖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個變形區的高倍組織示意。

圖8 第1組3個變形區的高倍組織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、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，因此導致TC4材料的塑性指標有所降低[7]。

3.3 低倍組織結果統計與金相分析

按圖5進行剖切取樣，試驗組1-4熱處理后低倍評級統計如表5所示。

表5 熱處理后試驗件低倍取樣檢測結果統計Tab.5 Statistics of Low-magnification Sampling Test Results of Test Pieces After Heat Treatment

由表5第1組試驗的低倍組織評級結果分析可知，在高溫常規改鍛情況下，熱處理后會出現高低倍組織超差的現象；初步分析原因為：鍛造溫度過高，且變形量不足，變形所累計的再結晶激活能不夠充足，再結晶晶粒少，少部分晶粒異常長大后，金相組織發生異常[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和變形死區顯微組織中β相轉變為針狀和片狀α相，且因變形死區變形量不足而使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，這種現象和表X力學性能指標的優劣排序是相符的，說明高溫變形下的不合格低倍組織會對鍛件的力學性能指標造成一定影響。

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

續圖9

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果可知，試驗件低倍檢測評級與取樣方向有關連，切向一般好于軸向。

4 結 論

a）鍛造變形溫度和變形程度嚴重影響TC4鈦合金的高低倍組織和力學性能指標，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，結果優于其他鍛造生產工藝，驗收指標遠遠高于GJB 2744A-2007標準要求。

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

c）高低倍組織對力學性能指標有影響，低倍組織穿晶、渦流和高倍組織出現魏氏組織會使產品力學性能指標降低，嚴重影響產品的使用性能。