飞机承力构件用大规格TC4钛合金厚板研制

引言

TC4钛合金具有优异的综合性能，产量占到整个钛合金产品的50%以上，而其中宇航工业用量超过80%［1-3］，主要被用做飞机的承力构件，其约占承力构件用钛合金用量的70%~80%［4］。目前，世界上一些国家制备大型钛合金材料的技术已经成熟，并制定有相应的规范，例如美标AMS4911L中Ti-6Al-4V（TC4）钛合金板材最厚可达100mm。而因受制备工艺、使用水平等的限制，我国高性能的大规格TC4钛合金厚板（厚度大于40mm，宽度大于2000mm）的制备仍面临诸多挑战［5-7］。

随着TC4钛合金板材厚度增加、宽度变大，控制其组织均匀性、保持其强塑性匹配等的难度也将增大，而采用适宜的热加工方法是制备大规格TC4钛合金厚板的有效途径［8-11］。本研究以热模拟试验所获得的热加工图为参考，对变形量、轧制温度等工艺参数进行了探索，并在西部钛业有限责任公司（以下简称西部钛业）2800mm四辊热轧机上成功制备出板形良好且组织均匀的大规格TC4钛合金厚板。

1、实验

实验用TC4钛合金铸锭经3次真空自耗电弧熔炼而成，质量为5t。铸锭经扒皮后在上、中、下部分别取样并进行成分分析，结果见表1。从表1可以看出，主元素Al、V以及杂质元素Fe、O在铸锭上、中、下部分布均匀，无偏析，完全满足制备大规格TC4钛合金厚板的要求。

铸锭经超声波探伤后切除冒口和锭底，然后在大吨位快锻机上经多向锻造锻成板坯［12］。在板坯头部横断面取样，观测厚度方向中部的显微组织。在板坯头部横断面同时切取10mm的压缩试样，在Gleeble1500热模拟实验机上进行热模拟试验。其中，变形温度分别设定为800、850、900、950、1000、1050℃，应变速率分别设定为0.01、0.1、1、10、20s^-1。

接下来将板坯经加热、换向热轧、普通退火、表面处理后得到40~70mm厚TC4钛合金板材。利用MTS试验机测试板材的室温拉伸性能；利用奥林巴斯显微镜观察其金相组织。

2、结果与讨论

2.1板坯的组织形貌

TC4钛合金厚板坯的金相组织如图1所示。由图1可以看出，经多向锻造后，板坯组织均匀，晶粒平均尺寸约为15~20μm，铸态组织已被完全破碎，为板材轧制后得到良好组织打下了较好的基础。

2.2热模拟试验

不同温度和应变速率下TC4钛合金板坯的真应力-真应变曲线如图2所示。

从图2可以看出，在一定的变形温度下，随着应变速率的增加，应变硬化和软化现象更为明显，变形抗力增大。而在一定的应变速率下，随着变形温度的升高，硬化和软化现象减弱，变形抗力减小。由此可见，温度的升高对材料流变应力的改变有着非常明显的效果，即随着温度的增加其流变应力大大降低，表明材料发生了快速软化。

通过热模拟试验，获得的TC4钛合金的加工图（变形程度ε=0.1~0.5）如图3所示。由图3可以看出，TC4钛合金的加工图大致可分为两区域，白色区域为温度和应变速率均适合进行热加工的范围，但对于大规格TC4钛合金板材工业规模的制备，应变速率为0.01s^-1和0.1s^-1的区域不适用，会导致热轧过程中温降严重［13-14］。因此，对于大规格TC4钛合金板材制备来说，加热温度900~1050℃，应变速率1~10s^-1左右为其最佳的热变形工艺条件。

2.3成品板材的组织形貌

在对板坯进行热轧时，根据热加工图得到的最佳热变形工艺条件，应控制应变速率为5~12s^-1，加热温度为900~980℃，并且最后一火次轧制时须保证道次的最大变形率不低于15%~20%，否则易使心部组织粗大。在合理的轧制温度、变形速率以及道次变形率下所制备的厚度为40~70mm，宽度为2300mm的TC4钛合金成品厚板的照片如图4所示。由图4可见，大规格厚板的表面光滑，无裂纹、凹坑等缺陷，并且板形良好，可达到美标AMS4911L的要求。

成品板材热轧态及退火态的金相组织照片如图5所示。从图5a可见，热轧后TC4钛合金厚板为双态组织［11-12］，主要由晶粒尺寸约为25μm的等轴初生α相和宽约1μm、长约10~15μm的拉长次生α相以及晶间β相组成。与TC4钛合金板坯金相照片（如图1）比较发现，热轧后的晶粒尺寸略大于板坯的晶粒尺寸。图5b为退火后TC4钛合金厚板的金相照片，晶粒在宽度方向和轧制方向上的尺寸较为一致，表明经过普通退火热处理，TC4钛合金厚板可获得晶粒尺寸约为25μm的均匀组织。

2.4成品板材的室温力学性能

70mm厚的TC4钛合金板材退火后的室温拉伸性能如表2所示。可以看出，板材的强塑性匹配良好，且力学性能较标准要求有较大的富余量。此外，板材横向、纵向的强度差值小，仅为20~40MPa，且延伸率接近相同，即板材的各向异性小。

3、结论

（1）通过热模拟试验结果所制定的热轧工艺成功制备出综合性能优异的大规格TC4钛合金厚板。

（2）TC4钛合金厚板轧制的关键工艺参数及其适宜的控制范围为加热温度900~980℃，应变速率5~12s^-1，最后火次的道次最大变形率不低于15%~20%。

参考文献

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