鍛造生產過程控制對TC21 鍛件組織和性能的影響

TC21 是一種富β 穩定元素的α ＋β 型兩相鈦合金，該合金具有高強度、斷裂韌性好、淬透性高和可鍛性好等優點，因而廣泛地應用于飛機的核心部件。該合金能夠滿足損傷容限設計的需要和高結構效益、高可靠性及低制造成本的要求，因而廣泛地應用于我國研制的新一代航空裝備中。TC21 中一種近β 型鈦合金具有強度高、重量輕、斷裂韌性高、裂紋擴展速率低和抗腐蝕性好等優點，該材料對鍛造溫度敏感，尤其對加熱過程及鍛造冷卻控制是該材料鍛造的難點，要得到合格的鍛件，必需在加熱及鍛造過程方面嚴格控制。

近幾年，隨著型號任務不斷增加，TC21 鍛件或中間坯改鍛任務逐漸增多，經過幾年的探索與改進，將鍛件或中間坯改鍛工藝定為“β 鍛造+常規鍛”方案，使鍛件探傷改鍛質量比改進前有所提高，各項性能均達到技術要求。

原工藝在生產中存在問題及原因分析

在多項材料牌號為TC21 的壓氣機盤鍛造的任務中，由于原材料廠家提供的棒材多為經過簡單鐓拔后軋制為成品的棒材，部分棒材邊緣組織粗大，如圖1所示，由圖可知，棒材邊緣存在明顯的低倍粗晶，組織性能測試均難以達到生產要求，不能直接使用，需對材料組織進行改進，符合標準要求后方可投入生產。因此，對TC21 棒材進行了改鍛試制。

采用該原材料生產的鍛件端面低倍組織如圖2 所示，由圖可知，鍛件表面和心部存在粗晶，其高倍組織如圖3 所示，由圖3 可以看出，鍛件高倍組織為典型的網籃組織，但次生α 相偏粗。

廣東人吃海鮮火鍋，格外講究，火鍋配以魷魚、海螺肉、雞肉、牛肉、墨魚、牛百葉、海參等生料，再加上蔬菜和佐料。吃時先將各種海鮮依次倒入沒油的清湯里，煮熟后撈到各人碗中，然后再倒入雞肉、牛肉等。吃完肉類，再倒入香菇、青菜等清口，鮮而不膩，味美無比。

為滿足生產進度需要，針對存在的問題，結合多年的鍛造經驗，對TC21 棒材改鍛工藝進行了改進，通過改進后工藝的試制，原工藝出現的問題得到了很大程度的改善，產品質量得到進一步的提高，有力促進了型號任務的完成，滿足了生產需求。

圖1為過電壓檢測裝置原理示意圖。如圖1所示，在動車組受電弓底架上，安裝一段連接電纜至測量電極。由于電極與接觸導線的距離較近，接觸導線與測量電極上的過電壓具有相同的幅值和相位。

鍛前制坯采用3 噸自由鍛錘進行，鍛后采取水冷方式進行處理增加倒棱鐓拔，其目的是增加端面棱角處總變形量，使其組織細化，成形工步采用2 噸電液錘進行，其目的是防止變形速率過快，錘打擊力過重，引起的“燒芯”問題，達到均勻變形的目的。

G是當前像素值，W和H分別是圖像的寬和高，由于圖像經過了二值化，故圖像中只存在0或者255兩個值，利用其作為標志，當合并符合約束條件的種子后，將其像素設置為0.最后，當圖像中僅存在全為0的像素時，算法終止.以圖5為例，其分割后效果如圖6所示.

為了進一步驗證本文方法的有效性，采用像元為140×132的InSAR真實數據生成的干涉圖，并將本文方法和常用的InSAR干涉圖解纏方法進行比較，其解纏結果如圖3所示.

粗晶部位主要分布于鍛件棱角及端面位置，端面棱角處變形最小，但由于該處溫度偏低，變形抗力增大，實際變形量減小。在拔長過程中，由于端面在難變形區，且下端面與錘砧接觸時間較長，溫度下降較多，端面棱角處變形最小，端面就會有粗大晶粒。理化解剖件中心區域出現清晰晶，在鍛造時，由于棒材規格較小，且鍛錘打擊過重或過快，其中心部始終為自由鍛造的易變形區，該區域的溫升較大。當鍛速較快且打擊過重時，坯料心部不論怎么鍛打都處于大變形區，熱效應強烈，而鈦合金導熱性差，其導熱系數低，約為鋼的1/5，鋁的1/15，心部變形熱往表面散熱慢。

按以上改鍛工藝方案試造一批后，通過檢查鍛件端面低倍組織及解剖件心部低倍組織，發現存在低倍組織不均勻問題。

工藝優化改進

下面以某典型鍛件改鍛工藝為例進行分析。

下料規格：

210mm×160mm(鍛件)；方式：四合一鍛造；重量：24.94kg；制坯：加熱溫度為T

-30℃，制坯設備為3 噸錘。經四火次以30%左右拔長至96mm×72mm×760mm；經二次下料沿長度方向均分為4 件，機加至96mm×72mm×180mm，經低倍和探傷檢查無問題；成形工步：(T

＋15 ℃)×60min，1 火完成；96mm×72mm×180mm拔長至鍛件尺寸56mm×85mm×250mm。

制坯：加熱溫度為T

-30℃，制坯設備采用3噸錘。經四火次以30%左右拔長至96mm×72mm×760mm。經二次下料沿長度方向均分為4 件，機加至96mm×72mm×180mm，經低倍和探傷檢查無問題；成形工步：(T

＋15℃)×60min，1 火完成，制坯設備采用2 噸錘。96mm×72mm×180mm 拔長至鍛件尺寸56mm×85mm×250mm。

在制坯工步增加倒棱鐓拔、水冷，使表面棱角處難變形區在變形量上有所增加，大大改善了內部組織。使難變形區和變形死區的組織得到完全改善。成形工步在2 噸錘進行，錘的能量相應得到控制，不僅降低了操作難度，而且使坯料在溫度比較均勻的情況下進行變形，防止了熱效應的產生。

工藝優化后坯料低倍組織如圖4 所示，由圖可知低倍組織均勻。工藝優化后坯料高倍組織如圖5 所示，高倍組織為典型的網籃組織，相對于原工藝的圖3 中的組織，片層α 相編織較好。

工藝優化前后的性能數據見表1、表2，表1 為工藝優化前后的鍛件室溫力學性能，由表1 可知，工藝優化后，室溫力學性能強度明顯提高，原工藝室溫性能富裕度小，僅為20 ～40MPa，而經過工藝優化后，強度明顯提高，強度富裕度約為200MPa。表2 為工藝優化前后的鍛件高溫力學性能，由表2 可知，工藝優化后，500℃高溫力學性能強度明顯提高，原工藝高溫性能富裕約為100MPa，而經過工藝優化后，500℃高溫強度富裕度約為200MPa。而工藝優化前500℃、590MPa 的持久性能低于標準值的100h，僅為38h、74h，而工藝優化后鍛件的持久性能大于120h，大于標準值的100h。這是由于隨著片層α 相的尺寸減小，晶體中有效滑移長度減小，材料強度提高，持久時間延長。

結束語

用調整后的方案在3 噸和2 噸自由鍛錘上改鍛小于等于25kg 的TC21 鍛件或中間坯，實踐證明，用合理的設備匹配后，完全滿足鍛件或中間坯的技術條件，且能預防心部粗晶問題。