航天工業用TC4餅材的顯微組織和性能研究

文／李進元，張智，高文超·西部鈦業有限責任公司

航天工業用TC4餅材的顯微組織和性能研究

文／李進元，張智，高文超·西部鈦業有限責任公司

采用在2500t快鍛機上制坯及1250t壓力機上成形的自由鍛工藝制取TC4鈦合金餅材，分別測試了餅材不同部位的室溫力學性能及超聲波雜波水平。結果表明，該鍛造工藝所制備的TC4鈦合金餅材性能符合GJB 391-1987《航天工業用TC4鈦合金鍛制餅材》標準要求；餅材組織為等軸α組織，均勻性好；超聲波雜波水平達到φ1.2mm(-9)～(-6) dB。

鈦合金因具有密度小、耐高溫、耐腐蝕、比強度高等突出優點，在航空航天領域中獲得了廣泛的應用。國產TC4屬于(α+β）兩相鈦合金，兼有α和β鈦合金的優點，具有較高的比強度、熱強性和較好的綜合力學性能，主要用于制作飛機的蒙皮、壓氣機盤和葉片、航天發動機用燃料儲存罐等重要的受力復雜的零部件。這些零部件對成品件的要求特別嚴格，為了獲得無缺陷或少缺陷的成品，這些產品從熔煉、開坯以及鍛造制作的各個加工步驟都要嚴格控制。因為在熔煉和開坯時產生的缺陷不容易在后期加工去除，所以，在鍛件坯料制作過程中就要控制原始坯料的顯微組織和性能。為了獲得批次性能穩定及內部組織均勻的最終餅材產品，本文研究了餅材不同部位力學性能及顯微組織的變化，并討論了鍛造工藝對以上參數的影響。

表1 TC4合金的化學成分

試驗

試驗采用西部鈦業有限責任公司自行生產的TC4鈦合金鑄錠，經真空自耗電弧爐三次熔煉，錠型為φ620mm，質量約3000kg，材料化學成分如表1所示。采用金相法測得試驗用材料合金的相變點（α+β→β）為990～995℃。鑄錠在2500t快鍛機經β單相區開坯鍛造，再經β單相區和α+β兩相區鍛造制得餅坯，并在1250t油壓機經α+β兩相區鍛造制得餅材，鍛后空冷。室溫拉伸試驗按照GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》標準在Instron 1185電子萬能試驗機上進行，金相分析在OLYMPUS PMG3光學顯微鏡上進行。

圖1 TC4鈦合金餅材φ200mm低倍組織照片

圖2 高倍取樣示意圖

結果分析與討論

TC4餅材不同部位低倍及顯微組織分析

直徑規格為φ200mm成品餅材端面低倍組織照片如圖1所示，低倍為模糊晶，組織很均勻。餅材成形在α+β兩相區內完成，終鍛溫度相對較低，初生α相含量較高。從餅材不同部位，即在餅材厚度（h）方向上（A）端面、3h/4、h/2、下（B）端面分別在r/2處、中心處、邊緣處取15mm×15mm的高倍試樣（圖2），并進行金相評級，A、B端面在坯料厚度方向各機加8～10mm。

圖3為餅材不同部位高倍組織（200×）照片。從圖3中可以看出，同一餅材不同部位顯微組織的差異不明顯，從4個部位來看，同一端面不同部位的顯微組織均勻性較好，餅材的初生α相形態均為等軸組織，其中h/2處等軸α相含量較高，達70%～75%。

圖3 餅材不同部位高倍組織（200×）

鍛造工藝對餅材不同部位力學性能的影響

⑴鍛造溫度對TC4餅材性能的影響。

鈦合金鍛造工藝參數中，加熱溫度對組織性能的影響最為顯著。不同的鍛造溫度形成不同的組織，而不同的組織決定不同的性能。本工藝餅材成形工藝采用加熱溫度在低于β相轉變溫度50～65℃之間鍛造時，其強度和塑性指標完全符合GJB 391-1987《航天工業用TC4鈦合金鍛制餅材》標準的要求，且較富裕。這是因為加熱溫度和轉變溫度溫差大，鍛造過程中變形引起的溫度遠低于相轉變溫度，變形完全在兩相區進行，變形均勻一致，顯微組織得到等軸細化。

⑵變形量對TC4餅材性能的影響。

成品鍛造在1250t油壓機上完成，鐓粗時靜壓形成的鼓肚較大，滾圓時變形量增加15%～20%，滿足使與斷面平行和垂直方向的片狀α相充分變形的條件，球化過程進行得較充分，組織均勻性好。

在餅材(規格為φ200mm×hmm）厚度方向上（A）端面、3h/4、h/2、下（B）端面的r/2處縱向切取試樣。試樣經800℃加熱→保溫60min→空冷的熱處理工藝后，進行拉伸、沖擊等性能測試。表2為餅材熱處理后不同部位試樣的室溫力學性能。

表2 餅材熱處理后不同部位試樣的室溫力學性能

由圖4可分析，餅材不同部位性能均符合標準要求，差異性很小。從圖4a曲線看，抗拉強度、屈服強度相差3～5MPa，3h/4、h/2處餅材的強度值偏小，與圖3金相組織相匹配，符合理論及實際要求；從圖4b曲線看，在餅材靠近端面處試樣延伸率相對較好、而餅材內部試樣面縮率相對較好；從圖4c曲線可以看出餅材兩端面比餅材內部硬度稍高，沖擊性能較高。

超聲波雜波分析

雜波是組織不均勻的反映。粗大不均勻的組織可引起超聲波的雜亂反射。對該工藝鍛制的TC4鈦合金餅材按GJB 391-1987標準中的探傷要求進行探傷，采用USN60型探傷儀，5Pφ1.4mm的探頭，接觸法檢驗。餅材雜波水平為φ1.2mm(-9）～(-6）dB，餅材組織均勻性好，與圖3的高倍組織相符合。

圖4 餅材不同部位的性能變化曲線

結論

通過對同一餅材不同部位試樣的顯微組織及力學性能進行比較分析，可以得出以下結論：

⑴TC4鈦合金餅材，組織均為等軸α組織，組織均勻性好。

⑵TC4鈦合金餅材超聲波雜波水平一致性好。

⑶餅材不同部位的性能穩定性好。