鍛造工藝和熱處理工藝對TC4-DT合金鍛件組織性能影響

文／蘭寶山·貴州航宇科技發(fā)展股份有限公司

TC4-DT 鈦合金是我國自行研制的一種典型的中高強(qiáng)損傷容限鈦合金。本文主要對TC4-DT 鈦合金鍛造工藝、熱處理工藝、微觀組織和力學(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，利用光學(xué)金相組織觀察、力學(xué)性能測試等研究手段，總結(jié)出不同鍛造工藝和熱處理工藝對該合金的組織和性能的影響規(guī)律。

TC4-DT 作為適應(yīng)現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展的一種損傷容限合金，必須具備良好的綜合力學(xué)性能。鈦合金的性能和其組織形態(tài)關(guān)系密切，鈦合金的組織形態(tài)往往是由冶煉與后續(xù)的鍛造工藝和熱處理工藝決定的。鈦合金的熱處理強(qiáng)化的基本原理，既與鋁合金相似，屬于淬火時效強(qiáng)化類型，又與鋼的熱處理相似，也有馬氏體相變。

TC4-DT 合金的力學(xué)性能主要由冶煉過程、鍛造過程和熱處理過程決定。通過不同的鍛造和熱處理工藝可以獲得不同顯微組織的TC4-DT 合金，以獲得最優(yōu)的強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性，以滿足不同的使用要求。因此，探討TC4-DT 鈦合金的鍛造與熱處理工藝與顯微組織、力學(xué)性能之間的關(guān)系有著重要的意義。

TC4-DT 鍛造原材料

TC4-DT 原材料化學(xué)成分

鍛造用原材料(棒料)為西部超導(dǎo)提供的直徑d為300mm 的720℃退火態(tài)的車光棒，采用金相法測得該批TC4-DT 原材料的β 相變點(diǎn)為(970±5)℃。原材料化學(xué)成分見表1。

表1 TC4-DT 原材料化學(xué)成分(wt%)

TC4-DT 原材料超聲波探傷

由表2 可知，鍛造用TC4-DT 原材料超聲波探傷結(jié)果未見超標(biāo)單顯，但雜波水平超標(biāo)，φ1.2mm 平底孔半聲程雜波水平為-2dB ～+2dB，判定為組織不均勻造成的散射混響引起輕微的雜波水平超標(biāo)。

表2 TC4-DT 原材料超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)

TC4-DT 鍛件自由鍛工藝研究

鍛造工序后的鍛件尺寸要求見圖1，鍛造成形工步采用α+β 常規(guī)兩相區(qū)鍛造。鍛造坯料下料長度為φ300mm×(623±3)mm，坯料倒角R15mm。鍛造設(shè)備為40MN油壓機(jī)，鍛造加熱采用普通的箱式電爐，控溫精度為±10℃，坯料到溫裝爐。為防止變形熱的急劇上升，要求操作的過程中控制鐓粗或整體壓扁的壓下間隔時間、壓下量和采用中等變形速率。

圖1 鍛件尺寸要求

除特別注明外，鐓粗壓下時間間隔為10 ～15s，當(dāng)鍛造坯料尺寸大于300mm 時，單次壓下量為小于20mm；當(dāng)鍛造坯料大于200mm 小于300mm 時，單次壓下量小于15mm；當(dāng)鍛造坯料小于200mm 時，單次壓下量小于10mm。拔長時壓下間隔時間為5 ～10s，拔長過程中不宜出現(xiàn)折疊缺陷，采用逐步送進(jìn)的方式進(jìn)行拔長，不允許在同一位置連續(xù)壓扁拔長。鐓粗和拔長的過程中可以翻面交替進(jìn)行，為避免坯料和模具直接接觸和溫降過快，與油壓機(jī)接觸的坯料端面必須墊上石棉，如果石棉破碎或被壓成粉末狀應(yīng)進(jìn)行更換。鍛造的過程中如果出現(xiàn)裂紋、折疊等缺陷，應(yīng)排除缺陷后再加熱進(jìn)行鍛造，鍛造坯料修傷的寬深比大于10，圓滑過渡。本文共研究了3 種鍛造工藝，分別標(biāo)記為鍛造工藝A、鍛造工藝B 和鍛造工藝C。

鍛造工藝A

⑴鍛造工藝A 的技術(shù)參數(shù)。

鍛造工藝A 采用兩相區(qū)反復(fù)鐓拔工藝。溫度達(dá)到設(shè)定溫度裝入到箱式電阻爐，爐溫均勻性為±10℃，加熱溫度為(Tβ-40)℃，最短保溫時間按0.7min/mm×有效厚度計算，最長保溫時間按小于1.2min/mm×有效厚度計算，趁熱回爐且保溫時間減半。終鍛溫度大于850℃，鍛后置于料架上風(fēng)冷或趁熱回爐。

⑵鍛造工藝A 的變形工步。

鍛造工藝A 變形工步見表3。

表3 鍛造工藝A 變形工步

鍛造工藝B

⑴鍛造工藝B 的技術(shù)參數(shù)。

鍛造工藝B 采用鈦合金兩相區(qū)鍛造+β 相區(qū)鍛造＋兩相區(qū)鍛造技術(shù)，最終兩相區(qū)成形。到溫裝入到箱式電阻爐，爐溫均勻性±10℃。兩相區(qū)加熱溫度為(Tβ-40)℃，最短保溫時間按0.7min/mm×有效厚度計算，最長保溫時間按小于1.2min/mm×有效厚度計算，趁熱回爐保溫時間減半。終鍛溫度大于850℃，鍛后置于料架上風(fēng)冷或趁熱回爐，β 相區(qū)鍛造前1 火采用水冷工藝，為了保證冷卻效果，水箱的容積必須足夠。

β 相區(qū)加熱溫度(Tβ+20)℃，保溫時間按實(shí)際有效厚度×0.4min/mm 計算，坯料最長保溫時間小于0.7min/mm。β 相區(qū)鍛造時不能在高溫(Tβ+20)℃爐中趁熱回爐，但可以回(Tβ-40)℃爐中保溫后，進(jìn)行后續(xù)工序鍛造或置于料架上分散風(fēng)冷。

β 相區(qū)鍛造時變形量控制：鐓粗壓下時間間隔為10 ～15s，當(dāng)鍛造坯料尺寸大于300mm 時，單次壓下量為小于30mm；當(dāng)鍛造坯料大于200mm 小于300mm 時，單次壓下量小于25mm；當(dāng)鍛造坯料小于200mm 時，單次壓下量小于20mm。

⑵鍛造工藝B 的變形工步。鍛造工藝B 變形工步見表4。

表4 鍛造工藝B 變形工步

鍛造工藝C

⑴鍛造工藝C 的技術(shù)參數(shù)。

鍛造工藝C 采用兩相區(qū)改鍛，兩相區(qū)成形工藝。每火次變形量小于30%，但應(yīng)避免落入臨界變形區(qū)。溫度達(dá)到設(shè)定溫度裝箱式電阻爐，爐溫均勻性±10℃。加熱溫度為(Tβ-40)℃，最短保溫時間按0.7min/mm×有效厚度計算，最長保溫時間按小于1.2min/mm×有效厚度計算，趁熱回爐且保溫時間減半。終鍛溫度大于850℃，鍛后置于料架上風(fēng)冷或趁熱回爐。

⑵鍛造工藝C 的變形工步。

鍛造工藝C 變形工步見表5。

表5 鍛造工藝C 變形工步

TC4-DT 鍛件熱處理工藝研究

本文研究了在普通退火工藝下對材料微觀組織的影響，制定的熱處理工藝為普通退火750℃×120min/空冷。為獲得好的材料損傷容限值，控制準(zhǔn)β 退火工藝對材料微觀組織和性能的影響，制定的熱處理工藝為945℃×150min+985℃×25min/風(fēng)冷＋730℃×200min/空冷。另外，通過固溶與時效可以得到一定的強(qiáng)化效果，獲得良好的強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性等性能的匹配，還制定了期望獲得較好的綜合力學(xué)性能930℃×60min/空冷＋550℃×360min/空冷的熱處理制度。

熱處理設(shè)備：高溫箱式電阻爐、中低溫箱式電阻爐，爐溫均勻性±10℃。準(zhǔn)β 退火工藝第二階段(β區(qū)加熱)爐溫均勻性±6℃。

普通退火對合金組織的影響

圖2為不同鍛造工藝在750℃退火后的顯微組織。從圖2 中可以看出，鍛造工藝A 和鍛造工藝B 相較鍛造工藝C 退火后的α 相含量相對較少，α 相尺寸更小，分布更加均勻。

圖2 不同鍛造工藝750℃退火后的顯微組織

準(zhǔn)β 退火對合金組織的影響

準(zhǔn)β退火應(yīng)得到網(wǎng)籃組織，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中因?yàn)橛绊懞辖鸾M織因素眾多，對準(zhǔn)β 退火熱處理工藝應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎使用，盡量縮短在β 相區(qū)的停留時間，可在α+β 相區(qū)上部保溫后，再升到β 區(qū)上部短時快速保溫。當(dāng)加熱到β 轉(zhuǎn)變溫度以上時，晶粒長大迅速。

圖3 給出了不同鍛造工藝準(zhǔn)β 熱處理后的顯微組織，可以看出經(jīng)過準(zhǔn)β 熱處理后顯微組織為網(wǎng)籃組織，或網(wǎng)籃組織＋少量的等軸α 相。

圖3 不同鍛造工藝準(zhǔn)β 熱處理后的顯微組織

固溶、時效對合金組織的影響

在固溶處理的過程中，加熱溫度影響初生α 相的含量，加熱時間和保溫時間主要影響固溶體的過飽和度和固溶體的晶粒大小。固溶處理的時間不足，會造成固溶體的飽和度低，從而影響到隨后的時效處理，導(dǎo)致正常的時效硬度偏低。固溶時間偏長，導(dǎo)致固溶體的晶粒長大變粗，使材料的組織惡化和性能降低。

從圖4 可以看出，不同鍛造工藝固溶與時效后的顯微組織為雙態(tài)組織，鍛造工藝A 和鍛造工藝B 的α 相尺寸較鍛造工藝C 尺寸小，分布更均勻，可以認(rèn)為采用適當(dāng)增加鍛造變形量或在兩相區(qū)大變形鍛造后增加水冷工藝，再采用兩相區(qū)固溶、時效處理制度后能夠起到細(xì)化的晶粒作用。

圖4 不同鍛造工藝固溶與時效后的顯微組織

鍛造與熱處理工藝對合金拉伸性能的影響

表6 給出了經(jīng)過鍛造工藝A、B、C 和經(jīng)過普通退火750℃后的室溫拉伸性能。從表6 可以看出，采用普通退火工藝時，如在鍛造過程中采取較大的變形量或采用鍛后水冷工藝，有利于提高TC4-DT 合金的拉伸性能。

表6 經(jīng)過鍛造工藝A、B、C 和750℃退火后的室溫拉伸性能

表7 給出了經(jīng)過鍛造工藝A、B、C 以及準(zhǔn)β 退火工藝945℃+985℃+730℃后的室溫拉伸性能。從表7 可以看出，采用準(zhǔn)β 退火工藝時，如經(jīng)過鍛造工藝A，由于發(fā)生了再結(jié)晶，出現(xiàn)了混晶組織，降低了TC4-DT 合金的拉伸性能。鍛造工藝B 經(jīng)過大變形和水冷工藝及準(zhǔn)β 退火工藝時，沒有發(fā)現(xiàn)再結(jié)晶混晶組織，可能是因?yàn)樵黾恿怂涔に?，產(chǎn)生了足夠多的晶體缺陷，在再結(jié)晶的過程中，形成了足夠多的晶核而并未出現(xiàn)二次或三次再結(jié)晶現(xiàn)象。鍛造工藝C 經(jīng)過小變形和準(zhǔn)β 退火工藝也沒有發(fā)現(xiàn)二次或三次再結(jié)晶現(xiàn)象。經(jīng)過鍛造工藝A，再經(jīng)過普通退火或兩相區(qū)固溶+時效熱處理后，也沒有發(fā)現(xiàn)二次和三次再結(jié)晶現(xiàn)象。所以，經(jīng)鍛造工藝A 和準(zhǔn)β 退火熱處理工藝出現(xiàn)的二次或三次再結(jié)晶，可能是因?yàn)殄懺旃に嘇變形產(chǎn)生的晶體缺陷和β相區(qū)加熱綜合因素造成。

表7 經(jīng)過鍛造工藝A、B、C 和945℃+985℃+730℃準(zhǔn)β 退火后的室溫拉伸性能

表8 給出了經(jīng)過鍛造工藝A、B、C，以及930℃+550℃固溶加時效熱處理后的室溫拉伸性能。從表8可以看出：

表8 經(jīng)過鍛造工藝A、B、C 和930℃+550℃固溶與時效后的室溫拉伸性能

⑴采用兩相區(qū)固溶＋時效工藝時，如在鍛造過程中采取較大的變形量或采用鍛后水冷工藝，有利于提高TC4－DT 合金的拉伸性能。

⑵比較表6、表7、表8 的拉伸性能可以看出：兩相區(qū)固溶＋時效工藝能得到較好的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)。

鍛造與熱處理工藝對合金斷裂韌性的影響

表9 給出了經(jīng)過鍛造工藝A、B、C 以及普通退火800℃、準(zhǔn)β 退火工藝945℃+985℃+730℃和930℃+550℃固溶加時效熱處理后的斷裂韌性。從表9 可以看出：

表9 斷裂韌性(MPa·mm1/2)

⑴采用普通退火工藝時，如在鍛造過程中采取較大的變形量或采用鍛后水冷工藝，有利于提高TC4-DT 合金的斷裂性能。

⑵β 退火工藝和兩相區(qū)固溶＋時效工藝能得到較好斷裂韌性指標(biāo)。

結(jié)論

本文主要研究了不同鍛造與熱處理工藝對TC4-DT 合金自由鍛件的顯微組織和力學(xué)性能的影響。不同的改鍛工藝、不同的變形程度以及不同的熱處理制度對TC4-DT 合金的組織演變規(guī)律，并探討了其對室溫拉伸性能、斷裂韌性的影響，得到以下結(jié)論：

⑴TC4-DT 兩相鈦合金在α+β 兩相區(qū)鍛造時，隨著變形量的增加，晶粒被逐步拉長、破碎與變形。初生α 相將呈球化趨勢，部分發(fā)生β 轉(zhuǎn)變，α 相含量相對變少，且尺寸也相對變小，同時組織更加均勻。

⑵TC4-DT 兩相鈦合金在α+β 兩相區(qū)鍛造過程增加水冷工藝，組織中存在馬氏體轉(zhuǎn)變，在后續(xù)的變形過程中部分片層α 相得到破碎，并容易發(fā)生再結(jié)晶，能導(dǎo)致α 相含量相對增多，次生α 相長寬比變小，后續(xù)的變形過程中產(chǎn)生許多細(xì)小晶粒。由此可知，水冷工藝能夠細(xì)化晶粒。

⑶在較大截面或大型TC4-DT 自由鍛件在大變形鍛造之后，由于變形不均勻，冷卻速度不均勻，晶格缺陷和位錯密度增高或畸變能增高等綜合因素，在β相區(qū)加熱和冷卻后，為個別晶粒的粗大提供了條件。對于較大截面或大型的TC4-DT 自由鍛件應(yīng)避免采用β 相區(qū)加熱的熱處理工藝。如為獲得高的損傷容限值而必須采用時，可考慮采用多道次、小變形的鍛造方式或者熱處理時減少鍛件的有效截面，或者采用大變形量和鍛后水冷的鍛造工藝避免晶粒的局部粗大。

⑷采用適當(dāng)增加鍛造變形量或在兩相區(qū)大變形鍛造后增加水冷工藝，再采用兩相區(qū)進(jìn)行固溶、時效處理制度后能夠起到細(xì)化晶粒的作用。