TC10 鈦合金平衡肘鍛造工藝及組織性能研究

文／張曉龍，張俊杰，趙金星，董軼，鄭鵬飛，屠孝斌，李巍，段曉輝·寶雞鈦業股份有限公司

為開辟鈦合金平衡肘新工藝路線，提高其使用壽命，本文采用自由鍛造的方式制備出TC10 鈦合金平衡肘鍛件，并研究了其顯微組織與力學性能。結果表明：通過自由鍛造的方式，采用合理的工藝路線，可以制備出TC10 平衡肘鍛件，鍛件的探傷、組織與性能均滿足產品要求，并且其塑性明顯優于平衡肘鑄件。同時可采用滲氮的方法對平衡肘鍛件局部位置進行表面硬化，其維氏硬度可達到1000 以上。

TC10(Ti-662) 鈦 合 金 是 一 種 富β 的α+β型鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Fe-0.5Cu。相比TC4 鈦合金，TC10 鈦合金增添的β 相穩定元素有效改善了其熱處理特性，其常溫及高溫性能均有明顯提升，退火態強度超過TC4 退火態的強度，也可通過固溶時效熱處理達到更高的強度。由于其優異的力學性能、耐熱性能(可在400℃以下長期使用)、較好的抗氧化和耐腐蝕性和優于其他合金的可熱加工性、淬透性與可焊接等特點，被廣泛應用于飛機機身、火箭發動機、核反應堆部件、車輛平衡肘以及石油勘探設備等部件。

TC10 鈦合金平衡肘通常采用鑄造工藝路線進行生產，而采用鍛造工藝路線的則非常少。采用鑄造工藝生產的TC10 鈦合金平衡肘存在因內部缺陷(如氣孔)導致鑄件斷裂的現象，而采用鍛造工藝路線生產的平衡肘則可有效避免內部缺陷的問題，確保鍛件長期有效使用。本文采用自由鍛造工藝制得TC10鈦合金平衡肘，并對其顯微組織與力學性能進行分析研究。

試驗用材及工藝路線確認

試驗材料

試驗材料采用寶鈦集團有限公司生產的、經真空自耗電弧爐二次熔煉而成的TC10 鈦合金鑄錠(φ626mm)，主要化學成分見表1。經金相法測得α+β/β 相轉變溫度為990 ～995℃。鑄錠經β 相區和α+β 兩相區多火次自由鍛造制備相應坯料后，再進行后續鍛件的生產。

表1 鑄錠化學成分(質量分數，%)

確定工藝路線

采用自由鍛造方法制備TC10 鈦合金平衡肘鍛件的主體工藝思路為：坯料制備→平衡肘毛坯鍛件制備→鍛件熱處理→粗加工→局部表面硬化(表面滲氮)→精加工→成品。

其中平衡肘毛坯鍛件的制備設計了兩條工藝路線：方法a，將坯料生產至板坯，再通過線切割方式制備出平衡肘鍛件毛坯；方法b，將坯料生產至棒材，再通過自由鍛造的方式經壓彎生產至平衡肘鍛件毛坯。

方法a 的優點是鍛件制備簡單，缺點是采用線切割的方式切取毛坯鍛件破壞了坯料內部原有流線，鍛件性能較差易斷裂；方法b 的優點是坯料的流線得以保留，鍛件性能好；缺點是鍛件成形過程復雜，機加工難度較高。方法a 與方法b 的毛坯鍛件流線示意圖見圖1。

經項目組討論分析，最終確定采用方法b 進行平衡肘毛坯鍛件的生產。

平衡肘鍛件生產及組織性能研究

平衡肘毛坯鍛件的生產

采用方法b，通過3150t 水壓機并借助簡單的工模具，將TC10 棒材壓彎生產制備出TC10 鈦合金平衡肘毛坯鍛件，具體生產過程見圖2。第一步，將加熱后的棒材坯料放置在平臺上，并將相應工具準備妥當；第二步，通過壓機執行壓彎工序；第三步，完成平衡肘毛坯鍛件的生產。鍛后毛坯鍛件見圖3。

平衡肘鍛件的探傷、組織及性能研究

經熱處理后的TC10 鈦合金平衡肘鍛件粗加工后進行接觸法探傷，產品要求探傷水平滿足GB/T 5193-2020B 級要求，其實際探傷結果滿足GB/T 5193-2020A 級，符合產品需求。

對所生產的平衡肘鍛件取樣并進行顯微組織分析和力學性能分析。高倍試樣經磨制拋光后采用HF、HNO3、H2O混合液進行腐蝕，在OLYMPUS GX71型金相顯微鏡上觀察組織。拉伸試樣在德國Zwick 萬能試驗機上進行試驗。

經熱處理后的TC10 平衡肘鍛件顯微組織如圖4所示：由圖可見其顯微組織是由等軸初生α 相與β轉變組織構成，并伴有少量的片狀次生α 相，其中等軸α 相細小且分布均勻。而采用鑄造工藝生產的TC10 平衡肘顯微組織為網籃組織結構，如圖5 所示。

TC10 平衡肘鍛件以及鑄件的力學性能見表2，采用自由鍛造生產的TC10 鈦合金平衡肘鍛件的性能滿足相關標準要求，并且其塑性明顯優于采用鑄造方式生產的TC10 平衡肘。

表2 TC10 平衡肘鍛件及鑄件力學性能

平衡肘鍛件機加工及局部表面硬化

平衡肘鍛件的機加工序采用數控車床進行。對于平衡肘鍛件表面部分區域有硬度的要求，項目組經討論后采用滲氮的方式對鍛件局部位置進行表面硬化。鈦合金等離子滲氮表面改性是通過放電將等離子體的氮擴散至鈦合金膜層中從而增強鍛件的表面硬度，離子氮化可大幅提高鈦合金的表面硬度、耐磨性和抗擦傷性能，還可保持鈦合金的韌性和塑性。

平衡肘鍛件表面滲氮采取局部氮化工藝，非滲氮部分通過機械和表面涂層進行保護，確保鈦合金平衡肘鍛件的表面處理過程無異常。TC10 鈦合金平衡肘鍛件成品見圖6，其中鍛件泛黃位置為表面滲氮區域，其維氏硬度可達1000 ～1200，滿足產品要求。

結論

⑴通過自由鍛造的方式，采用合理的工藝路線，可生產出TC10 鈦合金平衡肘鍛件，其探傷、組織與性能均滿足產品要求。并且采用自由鍛方式生產的平衡肘，其塑性要優于采用鑄造方式生產的平衡肘。

⑵采用滲氮的方式對平衡肘鍛件局部位置進行表面硬化，其維氏硬度可達到1000 以上。