TC11钛棒钛合金锻件等材料β锻造工艺研究

引言

TC11钛合金锻件的组织和力学性能主要由锻造变形决定，热处理的作用不象钢那样大，因此，为获得高质量的锻件，其锻造工艺方法选择就十分重要，钛合金材料的锻造工艺方法有α+β锻造、β锻造等。

目前的锻件由于其使用温度较低，一般均在双态组织或者等轴组织状态下使用，在锻造方法上通常使用α+β锻造方法，但随着航空产业钛合金零件的增多，尤其是某些钛合金叶轮在高温性能上也出现了具体的设计要求，满足低温使用环境锻件的α+β锻造方法开始出现了其局限性，利用此锻造方法生产的锻件屡屡出现高温甚至室温性能的不合格。

为提高锻件的高温力学性能，有必要系统地对TC11钛合金α+β锻造以外的β锻进行初步的工艺研究，以便为将来采用β锻造进行TC11钛合金锻造积累工艺参数和实践经验，为今后新型高温环境下的钛合金零件的应用提供依据。

1、试样制备与试验方法

试样锻造试验原材料为西部超导生产的TC11钛棒材，尺寸分别为φ190、φ100、φ80，采用的锻造工艺路线：下料一加热一锻造一热处理一理化化验。

对锻件组织的要求：锻件的低倍组织应符合GJB2220—94的规定。锻件的显微组织应是经α相区或α+β两相区加工的均匀组织，即仅基体或由转变β基体和等轴或条状初生仅相组成。初生α相含量应不小5％。所有β晶界仅相应充分破碎，不允许存在连续、平直的晶界α相。按GJB2220—94进行评定，1级～6级为合格组织，局部允许8级。

2、试验结果与讨论

对于α+β锻造的试样低倍组织和显微组织进行了分析，按目前冶金规定的标准(低倍组织1～8级，显微组织1～6级，局 部允许8级)，实际低倍组织局部存在清晰晶，显微组织7级(图1)，结论：不合格。

TC11钛合金塑性图及锻造温度、变形程度对钛合金性能和组织的影响见图2～图4【3】。

经分析认为显微组织不合格的原因如下：

(1)属于原材料组织遗传存在的α相过长，片状网篮组织，锻造过程中难以改变，热处理无法消除。

(2)原材料组织大晶粒，须f善大变形量进行破I器碎，实际进行锻造时，没有将大晶粒打碎，可能是锻造比偏小。

(3)由于钛合金塑性差、导图热性差，而且魏氏组织分布不均匀，存在局部变形，温度升高的热效应现象，形成局部过热。

(4)钛合金的塑性性能指标和强度指标与锻造有关，认为锻件锻比过小造成塑性性能指标和强度指标不合格。

(5)自由锻设备吨位不足，锻锤打击速度过快，对锻件质量有较大影响。目前，现有设备打击力小，锻件变形困难，成形需要较长时间，钛合金降温快，须多火次锻造，容易形成锻件组织的多样性、不稳定性。

在不同锻造温度、相同热处理条件下所测得的力学性能对比见表1、表2、表3。

在试验中我们可以看出：①经β锻造的钛合金具有最佳的高温蠕变强度和优越的断裂韧性；②经变形的魏氏组织虽然室温塑性比等轴显微组织低一些，但一般均高于技术条件的要求；③经变形的魏氏组织的疲劳性能，虽然在可靠性和稳定性方面还未被公认，但有些数据表明其疲劳性能并不亚于等轴晶粒，与未经变形的魏氏组织相比，有了相当的改善。

经β锻造后，断裂韧度之所以得到提高，乃是由于共析状α相和等轴α相在强度基本相同的情况下，前者具有较高的断裂韧度。因为裂纹遇到α板条时发生转折，所以只有在产生很大的塑性变形的条件下，α相才能发生开裂。

β锻造除可以提高合金的断裂韧性和蠕变强度之外，还可以减小锻造时的变形抗力和提高工艺塑性。

综上所述，可以看出β锻造的应用范围是完全可能不断扩大的。但由于在疲劳性能方面尚不能令人放心，因此当前基本上只应用于非转子零件的制造。例如，美国TF39发动机的Ti-6Al-4V转子叶片，已采用β锻造方法进行精密模锻。β锻造低倍组织虽然呈现出较模糊的粗大晶粒轮廓，但观察其高倍组织，则已属于通常希望的细小等轴组织。按技术条件检验其室温拉伸等性能也均合格，因此过去曾称它为“伪大晶粒”【4】。由于这种组织的疲劳强度、断裂韧度等性能尚不够清楚，因此能否采用尚待进一步研究确定。

3、结论

锻造工艺参数的选择主要决定于锻件材料的锻造工艺性能，而锻造工艺性能主要决定于钛合金自身的物理一化学(或金属学)特性及锻造过程的热力学特性，亦即决定于锻件材料的内部条件和外部条件(锻造过程的热力学特性)。

影响锻造工艺性能的合金内部条件(金属学或物理特性)主要有晶体结构、相变特点和化学成分(含合金和杂质元素)等。影响锻造工艺性能的外部条件(锻造过程的热力学特性)主要有锻造过程的温度、应变速率、应力一应变状态和再结晶特性等。此外，锻造和加热及环境条件也在相当程度上影响锻造工艺性能，它既与锻件合金的内部条件有关，又直接或间接影响锻造过程的热力学参数的变化。

影响钛合金锻件锻造工艺性能的因素很多，它们发生影响的程度也不同，但它们在锻件生产过程中是一个有机的整体，因此，在生产中通常按照仅型、近 α型、α+β型、近β型和β型钛合金的分类分析探讨其锻造工艺性能。

实质上，锻造工艺方法对钛合金质量的影响是各个锻造热力学参数(变形温度、变形速率、变形程度、模具温度及其均匀性以及冷却方式等)综合作用的结果。

【参考文献】

【1】张彤，邓春锋，马艳霞，等．TC11钛合金热变形组织演变规律研究．锻压装备与制造技术，2012，47(1)．

【2】中国锻压协会航空材料成形委员会．钛合金的锻压技术．北京：国防工业出版社，2007．

【3】王乐安．难变形合金锻件生产技术．北京：国防T业出版社，2005．

【4】陶春虎，等．航空用钛合金的失效及其预防．北京：国防工业出版社．2010．

【5】史延沛，李淼泉，罗皎．TC4钛合金叶片锻造过程中晶粒尺寸的数值模拟．锻压装备与制造技术，2009，44(2)．

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