鈦合金壓氣機轉子葉片模鍛件標準與實物的顯微組織對比分析

張啟元，李亞非，霍榮偉，熊志亮，高軍，向順成

1.張家界航空工業職院 湖南張家界 427000

2.中國航發貴陽發動機設計研究所 貴州貴陽 528000

3.長沙理工大學 湖南長沙 410000

1 序言

鈦合金具備比強度高、密度小、抗腐蝕性能強等優點，作為結構材料，適用于航空航天、能源等領域，廣泛應用于各種飛機承力梁、框架等構件，以及航空渦輪發動機的壓氣機盤、葉片和內函機匣等部件上[1，2]。

渦輪發動機的壓氣機轉子葉片隨輪盤轉動過程中，對空氣做功壓縮，使壓力升高，從而為渦輪與燃燒室提供數十公斤的高速、高壓氣流，低壓壓氣機（風扇）直接為發動機提供部分反推力。

對于壓比15以上的新型壓氣機而言，其出口溫度高達500℃左右，耦合離心載荷與氣動載荷，對材料500℃的靜強度、持久拉伸與疲勞拉伸性能要求極高[3，4]。因此，壓氣機轉子葉片、輪盤基本均選高溫熱強鈦合金制造[5，6]。BT9鈦合金是蘇聯在1958年研制的熱強型馬氏體α＋β鈦合金，耐熱溫度500℃，成功用于米格21、蘇25等多款二代戰斗機配裝的渦輪燃氣發動機的壓氣機輪盤和葉片。BT8合金是在BT9合金成分基礎上經過調整W、Si含量而設計的500℃高溫長壽命熱強鈦合金。

王博涵[7]、印志坤[8]等在過去大量的研究基礎上，通過試驗揭示：α+β鈦合金的力學性能（抗拉強度、塑性、沖擊韌度及斷裂韌度）依存于其顯微組織形態與相組成。劉書君[9]系統研究了熱鍛造過程的工藝參數（溫度、時間、變形速率、變形量及冷卻方式），熱處理方式與參數（退火、固溶、時效）對顯微組織的影響機制。DUTTA等[10]創新性地將鍛造與增材制造相結合，研究制備材料組織與性能的聯系。雖然傳統模鍛過程的組織、性能演化機理較清晰，但若考慮內摩擦熱、模具熱導率及潤滑脂等影響，則顯微組織控制與調整更為復雜。因此，針對模鍛件的顯微組織與力學性能，制定科學、合理的檢驗要求，是鍛件產品質量的重要保證。

本研究挑選目前國內在產的TC8合金與TC11合金制壓氣機葉片模鍛件，檢測其化學成分、顯微組織與力學性能，并將檢測結果與國內外標準要求進行對比，期望從國產與蘇聯制葉片、標準要求與實物質量、顯微組織與力學性能的對應關系中，厘清α+β型熱強鈦合金應用于壓氣機轉子葉片模鍛件的設計思路、影響因素、控制要點，從而積累航空材料的應用經驗，為未來新材料、新結構、新工藝研發與應用奠定基礎。

2 研究方法與內容

2.1 合金原材料

TC8與TC11原材料均來自寶鈦集團采用VAR（真空熔煉）三次工藝制備的坯料。

TC11合金葉片鍛件原材料選用直徑20mm規格棒材，檢驗標準執行GJB 494A—2008《航空發動機壓氣機葉片用鈦合金棒材規范》[11]，葉片鍛件檢驗標準執行HB 7726—2002《航空發動機用鈦合金葉片精鍛件規范》[12]。

TC8合金葉片鍛件原材料選用直徑24mm規格，棒材與葉片模鍛件均選用XX型號標準。

BT8、BT9鈦合金葉片用棒材均使用蘇聯航空航天標準OCT1 90006—86《制造葉片用鈦合金毛坯技術條件》，OCT1 90002—86《鈦合金葉片模鍛件技術條件》。

2.2 葉片鍛件實物

本研究選取TC8鈦合金葉片與樣機BT8葉片進行比較，TC8鍛件葉身沿縱向結構、橫向解剖（距葉尖1/2處、葉根處，見圖1），并砂紙打磨、拋光、HCl＋HF腐蝕液腐蝕20s后，用肉眼與光學顯微鏡檢查低倍組織與顯微組織。

圖1 葉片低倍/顯微組織取樣

3 研究結果

3.1 化學成分對比

TC8與TC11兩種鈦合金的化學成分見表1。由表1可見，兩種鈦合金化學成分的差別微小，TC8合金的Al、Si含量稍低于TC11合金，此外，TC11鈦合金含少量Zr。

表1 TC8與TC11鈦合金化學成分（質量分數）（%）

Al是熱強鈦合金中重要的高溫強化元素，可強化α相與α′相，一般含量較高。Si、Mo是β相強化元素，強化β相。Zr為中性元素，同時強化α相與β相。

3.2 棒材標準對低倍組織要求

中國、蘇聯/俄羅斯標準所列的葉片棒材低倍組織評級圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 葉片棒材低倍組織中國標準評級圖

圖3 葉片棒材低倍組織蘇聯/俄羅斯標準評級圖

TC11合金棒材標準規定，酸浸的低倍試樣上不允許存在氣孔、夾雜及縮孔等缺陷，且對其低倍晶粒應進行評級判定，對工作葉片不允許超過圖2中的2級。TC8棒材低倍組織的冶金缺陷、低倍晶粒的要求與GJB 494A—2008完全一致。

BT8、BT9合金棒材標準規定，直徑≤50mm棒材的BT8與BT9棒材低倍組織不允許存在孔洞、偏析與夾雜等冶金缺陷與分層、裂紋等鍛造缺陷，且低倍晶粒清晰度不超過圖3中的3級。

經比較，圖2中的2級表征：晶界幾乎完全不可見，無明顯晶粒塑性變形痕跡，可判定為典型的模糊晶低倍組織，且晶粒再結晶充分，α相球化程度高，對應為優良等軸組織（顯微組織）圖像。圖3中的3級可見少量保留塑性變形痕跡，可判定為等軸化程度不徹底的半模糊晶。因此，可認為國產棒材標準的低倍組織要求嚴于蘇聯/俄羅斯標準。

3.3 葉片模鍛件標準對低倍組織要求

HB 7726—2002標準對TC11合金葉片橫向低倍組織要求：不允許存在縮孔等冶金缺陷，低倍清晰晶粒等級不超過圖2中的2級。不允許存在分層、裂紋等缺陷。

TC8合金葉片模鍛件標準對低倍組織要求：不允許有裂紋、孔洞、分層、偏析級夾雜等缺陷；縱向低倍組織流線應沿受檢面的最大外輪廓面分布，不應存在紊流與穿流。此外，葉片在半成品狀態需進行表面腐蝕檢查，不應有燒傷痕跡；低倍晶粒的清晰度不應超過圖3中的3級（允許個別區域為4級，但不超過受檢面的20%）。

BT8、BT9合金葉片模鍛件標準低倍組織要求與TC8合金完全相同。

綜合上述標準對棒材、葉片鍛件的低倍組織要求，可認為技術細節大體相同：均不允許存在各種冶金缺陷；低倍晶粒應為模糊晶。但也存在如下差異。

1）葉片模鍛件充型流線應沿外輪廓分布。

2）葉片模鍛件不允許出現分層、折疊類鍛造缺陷。

3）葉片模鍛件低倍組織個別區域允許降低晶粒等級。

分析造成上述差異的原因在于：葉片為模鍛成形，相對于棒材的熱軋成形而言，在局部區域（榫頭、葉根）可能存在變形不均勻，沖型困難的實際情況，故適當加強對流線的檢測，而略微降低晶粒清晰度等級要求。

3.4 棒材標準對顯微組織要求

GJB 494A—2008標準對TC11棒材的初生α相含量、條狀α相尺寸、塊狀α相尺寸、組織不均勻程度共4個方面加以控制：要求初生α相含量≥30%，長條狀α相尺寸≤0.06mm，塊狀α相應不超過3級（具體形貌見圖4），組織不均勻性不得超過3級（具體形貌見圖5），顯微組織評級結果應不超過圖6中的5級（中國標準）。

圖4 塊狀α相形貌等級

圖5 熱軋棒材不均勻性組織形貌等級

圖6 顯微組織中國標準評級圖

TC8合金棒材標準要求與TC11合金棒材要求一致。BT8合金、BT9合金棒材標準對顯微組織要求不超過圖7中的4級（蘇聯/俄羅斯標準）。

圖7 顯微組織蘇聯/俄羅斯標準評級圖

通過綜合比較圖4～圖7的顯微組織可發現，圖6、圖7的評級圖的等級由低向高演化，體現出隨變形量變小、變形速率降低、變形溫度升高而呈現出的由等軸組織向網籃組織和魏氏片層組織轉化的特點。伴隨α相球化程度逐漸降低，晶界α相析出逐漸連續的特征。但這種顯微組織評價方式較為籠統，未涉及相含量、相結構及微區組織的要求。

反觀圖4與圖5，其分別從塊狀α相形貌、塑性變形的原始β晶粒形貌來評價顯微組織，若在配合對初生α相含量、長條α相尺寸的要求，則對等軸組織的描述與評級更加具體、科學、細致入微。

3.5 葉片模鍛件標準對顯微組織要求

TC11合金葉片模鍛件標準要求顯微組織：初生α相含量≥30%，組織均勻性不超過圖6中對應的3級，顯微組織評級結果應不超過圖6中的5級。TC8合金葉片與BT8、BT9合金葉片鍛件標準對顯微組織要求不超過圖7中的4級。

由此可見，TC11合金葉片模鍛件標準繼承了棒材對顯微組織的形貌與等級要求，而適當降低了對條狀α相、塊狀α相的形貌要求，這符合標準對低倍組織要求適當降低的原則。

3.6 實際國產TC8及蘇制BT8合金葉片組織檢驗

按照圖1所示的部位與方向解剖蘇聯BT8合金與國產TC8合金葉片模鍛件：對原產與仿制葉片分別進行了橫向解剖，檢測其低倍組織與顯微組織。高低倍組織級別比較見表2，BT8與TC8合金葉片模鍛件顯微組織分別如圖8、圖9所示。

表2 TC8與BT8合金葉片高低倍組織級別比較（級）

圖8 BT8合金葉片模鍛件顯微組織

圖9 TC8合金葉片模鍛件顯微組織

從圖8可看出，不同區域的BT8鈦合金葉片組織較為均勻；橫向低倍組織均為典型模糊晶，未見裂紋等鍛造缺陷，也未見變形不均勻導致的細晶帶等異常組織。

顯微組織破碎程度高，初生α相含量約35%，呈細小、球狀彌散分布。葉身與葉根處組織基本無差別，說明葉片不同部位的變形量分布較均勻，且熱處理工藝控制得當。

從圖9可看出，國產TC8合金葉片模鍛件顯微組織與BT8合金葉片組織較相似，均為細小等軸化組織，二者之間存在如下少量差別。

1）雖然TC8合金葉片葉根部位組織更細小，但初生α相分布不如BT8均勻，局部初生α相呈塊狀分布。

2）TC8合金葉片葉身部位組織保留沿流線拉長的塑性變形痕跡，條狀α相呈斷續狀分布，但尚未出現“蠕蟲”狀結構（圖6中的4級、5級）。

綜上所述，可認為國產TC8合金葉片的初生α含量、顯微組織等級達到了BT8合金葉片樣件水平，但組織均勻性、塊狀α相、條狀α相指標略低于BT8合金葉片水平。

4 分析與討論

壓氣機葉片受力情況復雜，在離心拉伸載荷、氣動扭轉載荷，以及振動疲勞載荷耦合高溫的作用下，葉片易發生拉伸斷裂、疲勞裂紋、蠕變變形，因此壓氣機葉片優選熱強鈦合金材料。

450℃以上長期使用的熱強鈦合金，從強化機制分為近α鈦合金（控制β相含量處于較低水平）與α＋β鈦合金（利用沉淀第二相有效強化β相）兩大類[13]。其中馬氏體型α＋β鈦合金依靠淬火過程形成的畸變α′與α″相強化β基體，以抵御高溫下應力造成的β晶粒內位錯滑移。

熱強鈦合金的強化機制與相結構密切相關（見圖10）：α相為hcp類晶格結構，滑移系少，是抵御高溫蠕變的強化相；β相為bcc類型晶格結構，滑移系多、塑性好，是控制塑性的主要因素。對于馬氏體型α＋β熱強鈦合金而言，通過適宜的熱變形控制組織形貌，配合固溶＋時效處理控制相結構，最終可獲得熱強性能優良的顯微組織[14]。

圖10 鈦合金的α相與β相晶格結構示意

Al、Sn是重要的α相強化元素，有益于提高合金組織穩定性、高溫強度與抗氧化性，但不利于塑性，影響變形工藝性能。熱強合金的鋁當量[Al]通常接近變形鈦合金的上限7.8%左右[15]。Mo、W、Nb屬高熔點合金元素，也是重要的β相強化元素，有益于提高合金抗蠕變性能，含量也較高。在長期熱暴露過程中，金屬硅化物沉淀導致合金脆化，塑性降低，因此TC8合金較之TC11合金不含Si元素。

熱軋棒材在鍛壓成形為葉片模鍛件過程中可能形成各種鍛造缺陷：對低壓壓氣機寬弦葉片而言，變形溫度較低或一火次形變量較大，將可能導致葉身出現細晶帶甚至微裂紋[16]；若鍛造過程潤滑不當，則會導致鍛件表面出現重皮現象；若鍛造加熱過程發生“跑溫”，則會導致變形時低塑性魏氏組織片層間出現裂紋等。因此，對鍛造缺陷應嚴格控制。然而，由于不同種類的葉片形狀各有差別，鍛造缺陷（折疊、裂紋及重皮等）形成機理不一，因此很難統一解剖部位進行檢測。一般而言，按照形變量的不同選擇3個及以上橫截面進行解剖檢測，可認為是對鍛造缺陷以及合金組織最合理的檢測。

圖2中的1～6級，分別顯示的是高溫下變形量逐漸降低（或變形溫度逐漸升高）的形變組織的低倍形貌變化趨勢：形貌從模糊晶粒（1～2級）到保留流變痕跡的半模糊晶粒（3級）再到半清晰晶粒（4～6級），其中3～4級組織為變形過程再結晶未充分進行，從而保留了流變痕跡的低倍組織。此組織的顯微特征為：初生α相保留被拉長的形貌，破碎程度較小，與圖6中的3級具有相似性。反觀圖6中的4級組織，屬于保留塑性流變痕跡的近網籃組織：α相呈“蠕蟲”狀、破碎未充分，原始β晶粒內交錯析出二次α相，推測對應的鍛壓條件為：一火形變量不足；變形溫度稍低；變形速率稍快。

從圖7對應的4級不均勻組織來看，原始晶界區域的α相保留長條狀，而β相呈破碎不完全塊狀，這種不均勻組織一定程度上將遺傳給葉片鍛件，對葉片的沖擊韌度、高溫持久性能、抗高周疲勞性能將造成不利影響[17]，因此需加嚴控制。

再論標準對于組織中α相含量與形貌的控制：首先，彌散分布的初生α相是合金的增韌相，因此，30%的α相含量要求是為兼顧足夠的沖擊韌度與高周疲勞性抗力而提出的。實踐證明，30%～60%α相含量的組織，其綜合力學性能為最佳[18]。另外，就初生α相形貌而言，聚集的條狀或塊狀α相將導致低應力條件下，在條狀或塊狀α相內或α相與β相界面萌生孔洞，成為裂紋源，極大地降低合金的強度與韌性。因此，需嚴格控制初生塊狀α相的形貌與尺寸。

由此可見，國產葉片用棒材的低倍、顯微組織評級方法不僅與實際鍛壓條件相匹配，而且立足于葉片工況對性能、組織的要求，應認為技術要求是嚴謹、充分且合理的。

實際上，圖3與圖7均來自蘇聯航空標準No 1054—76《鈦合金的金相分析》[19]，為國內鈦合金鍛造企業廣泛應用，被簡稱為10級低倍圖與9級（圖7中未列出第7、第8、第9級組織）高倍圖。

應指出的是，圖2與圖6、圖3與圖7的各級組織并非完全的一一對應關系：圖2、圖3表征由于變形量持續降低對低倍組織形貌的影響。圖6、圖7的1～6級體現由等軸組織逐漸向晶界連續α相網籃組織的轉化趨勢。等軸組織的塑性、伸長率優于網籃組織（雙相鈦合金組織與性能對應關系見表3），更適合作為抵御高周疲勞破壞（高頻振動）的轉子葉片使用；后者斷裂韌度數值更高，更適合作為抵御低周疲勞破壞（拉-拉疲勞）的輪盤[20]。

表3 （α＋β）雙相鈦合金組織與力學性能的對應關系

C8合金葉片組織相比B T8合金葉片更細小。理論上，細小組織預示其組織塑性、韌性更好，抗高周疲勞性能更優異。然而，鈦合金材料疲勞特性也依賴于組織均勻性，TC8葉片組織均勻性是不及BT8葉片的，因此高周疲勞抗力孰優孰劣，尚難以判定。

5 結束語

1）我國TC11合金與TC8合金為仿制蘇聯的馬氏體熱強鈦合金，成分、組織、性能均接近，經（α+β）雙相區模鍛的等軸組織符合壓氣機轉子葉片承載要求。

2）TC11合金熱軋棒材標準對低倍組織、組織不均勻性、初生α相含量，以及塊狀與條狀α相形貌提出要求，項目充分且要求科學，有益于葉片質量管控。而TC8、BT8、BT9合金熱軋棒材標準僅對低倍組織、顯微組織等級提出要求。

3）TC11合金葉片模鍛件標準對組織不均勻性、初生α相含量和顯微組織等級提出要求，而TC8、BT8、BT9合金葉片標準僅對顯微組織等級提出要求。前者更符合生產實際需要。

4）雖然國產TC8鈦合金葉片的顯微組織更細小，但組織均勻性略低于BT8合金葉片鍛件的水準。