钛合金锻件缺口应力断裂不合格原因分析与TC4钛合金的金相特征

1、引言

钛合金是二战以后发展起来的新型金属结构材料。其主要特点是比重小、强度高，因而比强度高，同时具有良好的耐热、耐腐蚀性能．是现代飞机受力构件的主选材料。随着时间的推移，钛合金在飞机的结构重量占的比例越来越大。TC4(即Ti-6AL-4V)产量占钛合金总产量的一多半，TC4钛合金锻件在新型飞机中的用量亦越来越大，并且人们对钛合金各方面性能的了解越来越清楚，对其性能要求越来越科学、准确。例如，在Y7-200A钛合金锻件生产时要求全面贯彻Hβ5432-89(飞机用TC4钛合金锻件)标准，该航标比公司以前执行的技术协议要求更全面、准确，仅TC4钛合金室温力学性能要求就不大一样，41厂在按航标进行TC4钛合金锻件试生产时，发现有几项锻件性能指标不合格，主要是“缺口应力断裂”指标小于5小时，而该项指标在以前锻件生产的技术协议中并没有要求。针对存在的问题开展了TC4钛合金锻件性能的工艺改进工作。

2、TC4锻件缺口应力断裂不合格原因分析

钛合金按退火组织可分为α型、β型和α+β型三种。α型钛合金中的钛为密排六方晶格，称α-Ti。β型钛台金中的钛呈体心立方晶格，称β-Ti。α-Ti强度高、耐热性较好。但由于是密排六方品格，塑性较差、变形抗力较大，压力加工较为困难。β-Ti的耐热性较差，但工艺性好，易于加工。α-钛合金的性能对应于α-Ti，它的主要优点是耐热性较高，组织稳定，缺点是不能热处理强化。β型钛合金的性能对应于β-Ti，其优点是工艺塑性高，加工成型容易，热处理后能达到很高的强度，缺点是合金复杂熔炼比较困难、性能不够稳定、耐热性较差、易被气体污染。α+β型钛合金兼有α型和β型钛合金的优点，即具有较高的耐热性、热加工比较容易，并能热处理强化，基本相α和β的比例、性质和形态决定合金的机械性能。包括缺口应力断裂指标。

2.1 TC4钛合金的金相组织形态特征

TC4钛合金属α+β型钛合金，它的组成为Ti-6AL-4V，退火组织为α+β相，它含有6％的α稳定元素铝，通过固溶强化使d相的强度得到提高，钒稳定β相的能力较小，因此退火组织中β相的数量较少，大约占7~10％。

TC4钛合金在不同的热处理和热加工条件下，其基本相α、β的比例、性质和形态是很不相同的。TC4合金的β转变温度在1000℃左右，若将TC4加热到950℃，空冷后所得组织为初生α+β转变组织，如果加热到1100℃、空冷，则得到粗大的完全转变的β相组织，称为魏氏组织。如果加热和变形联合作用，对TC4合金的组织和性能的影响更为显著，如果将TC4合金加热到β转变温度以上，但变形较小，所得的组织的特征是原始的β晶界完整，晶粒比较粗大，晶内的片状(或针状)α相按一定位相排列，即形成魏氏组织。相应于这类组织的性能特点是：塑性、冲击韧性较低，但抗蠕变能力较好。如果开始变形温度在β转变以上，但变形程度足够太，则得到的魏氏组织的特征是：α相勾划出的β晶界不同程度被粉碎，因而不完整、不清晰，条状α相不同程度被扭曲，这种组织被称为网篮状组织。相应于这类组织的性能特点是塑性、冲击韧性较魏氏组织较好．接近或相当于等轴细晶组织，高温持久和蠕变性能也较好。如果加热温度低于β转变温度，而且变形程度足够，所得组织特征是在等轴组织α相的基体上分布有一定数量的小岛状的β相或β转变组织．即得到所谓等轴组织。这种组织的性能特点是综合性能较好，特别是塑性和冲击韧性较高。如果在α+β相区高温部分变形后又经高温退火(退火温度接近β转变温度)，就得到混合型组织，即在β转变组织基体上分布一定数量的等轴α相(或初生α相)，这类组织的性能是综合性能好。

从以上对金相组织的分析可以看出，若TC4性能下降，可能由锻造过程中两个环节引起：

①加热温度过高，达到或超过β转变温度；

②锻件变形程度不够大。

2.2从锻造工艺上分析

TC4钛合金如果始锻温度超过合金的β转变温度，由于β晶粒剧烈长大，锻后形成魏氏组织。在机械性能上的反映是，锻件的室温塑性很低，不合技术要求，锻造温度对α+β钛合金的β晶粒尺寸与室温性能的影响是随着温度的提高(β相转变以上)β晶粒变大，而延伸率和断面收缩率变小。这种由于锻造温度超过合金的β转变温度，而使锻件晶粒长大，塑性下降的现象，称为β脆性。因此，对于α+β钛台金，为了避免β脆性，同时使锻件具有良好的综合性能，应在其β转变温度以下锻造。钛合金的β转变温度不仅与合金的成份有关，而且即使同一牌号的合金其β转变温度也可能随炉而异。

钛合金变形抗力比较高，而其导热性又比较差(钛合金的导热性为钢的1/5，铝合金导热性的1/15)。因此，在合金剧烈流动和过重锤击下，由于变形效应可能使锻件个别部位的温度显著上升，若此温度超过β转变温度，则会引起不希望的后果。

变形程度对钛合金的性能也有影响，变形程度过大、过小都会引起晶粒粗大，造成性能下降。因此，钛合金锻造时，每一火的变形程度应大于15~20％，小于85％。

由以上分析．可以初步确定出可能引起TC4钛合金性能不合格的几个因素：

①锻坯加热时温度过高、超过了该批锻件的β转变点：

②成份偏差，致使该批钛棒的β转变点降低，使得锻坯在正常温度下加热就超过了β转变点：

③锻造时单次锤击过重，致使单次变形程度过大，从而引起局部过热和聚集再结晶，使TC4钛合金性能下降：

④锻后热处理温度过高，使TC4锻件温度接近和超过了β转变点。使热处理后的锻件组织呈魏氏组织．从而降低了锻件性能。

3、试验研究

3.1试验参数的选取和试验结果

针对以上分析，改变TC4合金的锻造工艺参数进行试验(试验参数见表1)，同时在锤上锻造过程中，注意轻打快打。

试验结果：所有性能指标均合格，其中“缺口应力断裂”指标均大于5小时。

3.2试验结果分析

①从炉温及始锻温度看，加热温度并没有过高，即 使再超过20℃也能锻制出合格锻件；

②熔炼炉号534—102127与出问题的锻件炉号完全一样，在加热温度高20℃的条件下，仍锻制出合格 产品，说明原材料无成份偏析；

③试验中改变了过去锤上锻造时，单次锤击过重的作法，轻打快打，所以这次试验件性能达标，轻打快打是改善锻件性能的一个重要因素；

④锻后热处理温度比原参数降低20℃，也可能是改善锻件性能因素的一个方面，因为从温度上看，若炉温由于控温偏差达到795℃，这就超过了HB/Z137和生产说明书所规定的780℃，从而导致锻件性能下降。

3.3试验结果验证

为了进一步验证以上试验结果，又结合生产作了一个试验(试验参数见表2)。在锤上锻造时，仍然注意轻打快打。

试验结果表明锻件检测全部合格，其中“缺口应力断裂”指标均大于5小时。

攻关前后TC4钛锻件力学性能见表3

4、结论

在贯彻HB5432—89进行TC4钛合金锻件生产时，应严格控制锻造的工艺参数，首先应注意在锻造中轻打快打，降低单次锤击变形量，第二，锻后热处理温度名义值不应达780℃，而应在770℃以下，为了取得较好的综合机械性能下限温度不能低于760％，其他温度范围有待进一步验证。总之，通过对TC4钛合金锻造工艺参数的试验研究，保证了TC4锻件的正常生产。

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