鍛造溫度對TC32 合金組織和性能的影響

文／張元東，張安，車安達·江西景航航空鍛鑄有限公司

王曉巍，蔡森·沈陽飛機工業(集團)有限公司

TC32 鈦合金是中國航發航材院自主研發的中高強高韌α+β 型鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-3Mo-3Cr-1Zr-0.1Si，具有沖擊性能和斷裂韌度高，低成本等特點。針對TC32 合金，我公司開展了鍛造溫度的研究，以指導熱加工方案的制定。

試驗用原材料

采用TC32 鈦合金φ380mm 規格圓棒材，熔煉爐號為332-2206064，測定其相變點溫度為Tβ=(912±3)℃。使用鋸床下φ380mm×100mm 的棒料，按某標準要求對棒料進行熱處理(880℃，保溫2h，空冷；550℃，保溫6h，空冷)。熱處理后的顯微組織如圖1 所示，低倍組織如圖2 所示，室溫力學性能見表1，高溫拉伸性能見表2。

表1 原材料熱處理后的室溫力學性能

表2 原材料熱處理后的高溫拉伸性能

圖1 原材料熱處理后的顯微組織

圖2 原材料熱處理后低倍組織

鍛造溫度工藝試驗

下料

從上述棒材中再鋸下φ380mm×360mm 規 格試料，沿原材料十字中心一分四均勻鋸開，加工出特定規格料4 件，并標記編號(1#，2#，3#，4#)，如圖3 所示，選用2#料進行本次鍛造溫度試驗。

圖3 試驗用棒料鋸料示意圖

試驗方案

⑴將2#試塊沿厚度方向鋸成3 等份，每份試塊厚度控制(117±3)mm，編號2-A，2-B，2-C。

⑵選用高溫電爐(Ⅲ類爐及以上，爐溫均勻性精度±10℃)進行鍛造前加熱，加熱制度按表3 所示。

表3 鍛造溫度試驗試塊鍛造前加熱制度

⑶將厚度(117±3)mm 下壓至70mm，鍛造變形量約40%，鍛造設備選用1000t 快鍛機。

⑷鍛后熱處理。一次退火：爐膛880℃，保溫120min，出爐空冷；二次退火：爐膛550℃，保溫360min，出爐空冷。

⑸熱處理后檢測。按表4 進行取樣檢測，取樣位置如圖4 所示，三個試驗件取樣位置應保持一致。

表4 工藝試驗理化檢測項目表

圖4 鍛造溫度對比工藝試驗理化檢測取樣圖

結果和分析

顯微組織對比

從圖5 ～圖7 可以看出，組織形貌隨溫度的變化差異較大。當鍛前加熱溫度為Tβ-40℃時，組織由等軸α 相和條狀α 相組成，等軸α 相含量約30%～40%；當鍛前加熱溫度為Tβ-20℃時，組織由等軸α 相和條狀α 相組成，等軸α 相含量約20%～30%；而當鍛件溫度繼續提高到Tβ+20℃時，組織中基本為條狀α 相組織，這是由于當試塊加熱到相變溫度以上時，組織中的原始等軸α 相已全部相變。圖5 ～7 也表明同一試驗編號不同取樣位置處，試塊的顯微組織存在一定的差異。由表層及心部等軸α 相減少，條狀α 相增多，而且顯微組織的尺寸有增加的趨勢，這說明試塊的心部散熱較慢，為晶粒的長大提供了熱力學基礎。

圖5 鍛造溫度試驗編號2-A 對應的顯微組織

圖6 鍛造溫度試驗編號2-B 對應的顯微組織

圖7 鍛造溫度試驗編號2-C 對應的顯微組織

力學性能對比

如圖8 和表5 所示，隨著鍛造溫度由Tβ-40℃升高到Tβ+20℃，鍛件的抗拉強度值呈現增加趨勢，屈服強度值逐漸降低，并且當鍛造溫度為Tβ+20℃時下跌的趨勢更大，塑性指標均呈現先升高后降低的趨勢并在鍛造溫度為Tβ-20℃時性能最佳，同時隨著鍛造溫度的升高室溫沖擊韌性值也呈現先升高后降低的趨勢；鍛造溫度選擇Tβ-40℃可滿足生產要求并且力學性能值存在一定的富裕量，若要提高綜合力學性能獲得最佳的強塑性和強韌性匹配可選擇Tβ-20℃進行鍛前加熱。

表5 鍛造溫度試驗拉伸性能理化檢測結果

圖8 鍛造溫度試驗1/4 厚度處橫向平均室溫拉伸性能折線圖

圖9 鍛造溫度試驗1/4 厚度處橫向平均室溫沖擊性能折線圖

從圖10 和表5 中可以看出，在同一取樣位置處，隨著鍛前加熱溫度逐漸升高(由兩相區加熱到準β加熱)，試塊橫向高溫抗拉強度有升高的趨勢但變化不大，這說明大而連續的條狀α 相對試塊抗拉強度的提升作用不大，破碎細小的條狀α 相更有利于抗拉強度的提高；隨著鍛前加熱溫度逐漸升高，橫向屈服強度呈現降低的趨勢，塑性變化趨勢相反；在不同取樣位置處，基本表現為1/4 取樣厚度處強度高于1/2 取樣厚度處。

圖10 鍛造溫度試驗1/4 和1/2 厚度處橫向平均高溫拉伸性能折線圖

從表6 中可以看出，試塊2-A 的斷裂韌性達到107MPa·m1/2以 上，試 塊2-B 的 斷 裂 韌 性 達 到113MPa·m1/2以上，試塊2-C 的斷裂韌性達到129MPa·m1/2以上，可滿足標準要求的80MPa·m1/2，TC32 鈦合金具有優異的斷裂韌性。

表6 鍛造溫度試驗斷裂韌性檢測結果

結論

⑴當鍛前加熱溫度為Tβ-40℃和Tβ-20℃時，鍛件可獲得雙態組織；當鍛前加熱溫度為Tβ+20℃時，鍛件可獲得網籃組織。

⑵當鍛前溫度設定為Tβ-40℃至Tβ-20℃時，鍛件可獲得較好的綜合力學性能，且在Tβ-20℃時達到最佳強韌性和強塑性匹配。但在實際生產過程中，較高的鍛前加熱溫度易導致粗晶或組織不均勻問題，從而造成鍛件報廢，建議鍛造溫度設定為Tβ-40℃至Tβ-30℃。