某汽輪機用TC4方鋼葉片力學性能不合格原因分析

胡維成，高驥天，李清松，張邦強

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

某汽輪機用TC4方鋼葉片力學性能不合格原因分析

胡維成，高驥天，李清松，張邦強

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

通過化學成分分析、宏觀金相檢驗和掃描電鏡檢查，對某公司生產的TC4方鋼的常規力學性能未能達標的原因進行了分析。結果表明：該方鋼力學性能未能達標的主要原因是該方鋼在鍛造時內部溫度偏低、變形量不足，造成內部初生α相比例偏高，且方鋼內部明顯片狀組織，導致方鋼力學性能未能達到預定要求。

TC4合金，力學性能，方鋼，鍛造變形量

0　引言

在鈦合金的鍛造工藝參數中，加熱溫度對組織性能的影響極為顯著［1］，李曉芹等［2］在針對TC4鈦合金汽輪機葉片的制造工藝研究時發現，較低的鍛造溫度會造成TC4高倍組織中初生α相比例偏高，直接影響合金強度。而史小云等［3］對根據不同的鍛造溫度所得到的TC4合金進行力學試驗發現，在α+β兩相區內采用較高溫度鍛造的成品強度更高，且塑性不會下降。

田喜明［4］、董潔［5］等提出鍛造變形量的大小也會對TC4合金的組織性能產生重要影響。如對Φ450超大規格的TC4合金棒材，在同樣的鍛造工藝條件下，鍛造變形量較大 （超過85%）的擺錘力學性能和金相組織均優于鍛造變形量較小的棒材［4］。而如果TC4鍛造時變形量過小不僅會造成TC4力學性能不合格，也會造成合金中心變形不充分，導致組織不均勻［5-6］。

在對兩家供應商提供的TC4方鋼進行力學試驗后發現，第一家供應商提供的方鋼 （1號方鋼）的厚度 （T）和寬度 （W）方向強度未能滿足GB/T 2965的要求，而另一家供應商提供的方鋼 （2號方鋼）力學性能則完全合格。筆者與所領導團隊成員經過宏觀金相、高倍金相、斷口分析和斷口金相等試驗，對1號方鋼力學性能不合格的原因進行了分析，并提出了相應的解決方案。

1　理化試驗

為確認1號方鋼和2號方鋼的性能是否滿足要求，對1號方鋼和2號方鋼均取樣進行了化學成分檢測、室溫拉伸試驗與400℃的高溫拉伸試驗。且化學成分按照GB/T 3620.1驗收，拉伸試驗

數據按照GB/T 2965驗收。

1.1化學成分

對1號方鋼和2號方鋼進行手工分析，1號方鋼和2號方鋼的化學成分結果如表1所示。

由表1可知，1號方鋼和2號方鋼化學成分滿足GB/T 3620.1的要求。

表1　化學成分檢測結果

1.2室溫拉伸和高溫拉伸試驗結果

室溫拉伸試驗采用意大利Galdabini生產的全自動拉伸沖擊系統進行，試樣按照GB/T 2965的規定，采用GB/T 228.1-2010規定的R7型試樣，并按照GB/T 228.1-2010的規定，全程引伸計控制，設定試驗速率為：彈性和屈服階段0.000 25/ s、塑性階段0.006 7/s。試驗機和引伸計精度均達到0.5級。實驗室的溫度試驗時為25℃。1號方鋼和2號方鋼的室溫拉伸試驗結果如表2和表3所示。

由表2可以看出，1號方鋼L方向的拉伸數據全部合格，合格率為100%；T方向第3個拉伸數據的屈服強度不合格，延伸率和斷面收縮率均合格，合格率為66.67%；W方向的3個拉伸數據屈服強度和抗拉強度均不合格，延伸率和斷面收縮率均合格，不合格率為100%。

400℃高溫拉伸試驗采用CMT 5105萬能試驗機進行，試樣采用GB/T 228.1的R7試樣，按照GB/T 4338的要求進行試驗。

由表4可以看出，1號方鋼400℃的高溫拉伸試驗數據均未能滿足GB/T 2965的要求，不合格率為100%；表5中，2號方鋼400℃的高溫拉伸試驗數據滿足 GB/T 2965的要求，合格率為100%。

表2　1號方鋼不同方向上的室溫拉伸試驗結果

表3　2號方鋼不同方向上的室溫拉伸試驗結果

表4　1號方鋼高溫拉伸試驗結果

表5　2號方鋼高溫拉伸試驗結果

1.3宏觀金相檢查

根據 “組織決定性能”的原則，對1號方鋼和2號方鋼的低倍組織進行檢查，以分析二者差異。

因為1號方鋼的拉伸試驗結果隨著方向不同產生較大差異。所以對1號方鋼和2號方鋼的L、W、T方向取低倍試樣，并采用10%HF溶液進行酸洗，觀察低倍組織。

1號方鋼3個方向的低倍組織如圖1所示。

圖1　1號方鋼L、W、T三個方向的低倍組織

2號方鋼的低倍組織如圖2所示：

圖2　2號方鋼L、W、T三個方向的低倍組織

由圖1可以看出，1號方鋼低倍組織均勻、完整。但W、T方向上的低倍試樣中心處有條紋狀的片狀組織，且沿L方向伸展；由圖2可以看出，2號方鋼3個方向的低倍組織無偏析、疏松、氣孔、裂紋、折疊、夾渣、異金屬等缺陷。

由此可以得出，片狀組織是影響1號方鋼力學性能的重要原因。

1.4微觀組織檢查

從1號方鋼和2號方鋼的低倍試樣取樣，制取金相試樣，采用10%HF溶液進行腐蝕。如圖3所示，1號方鋼在W方向和T方向上均存在片狀組織，走向與宏觀檢查的片狀組織相同，均沿L方向伸展。而正常區域微觀組織為α-β組織，晶粒度大小由7級到11級不等。

圖3　1號方鋼L、W、T三個方向的顯微組織

由圖4可知，2號方鋼以等軸α相為主，存在晶間β相，晶粒度均為8級。

圖4　2號方鋼L、W、T三個方向的顯微組織

1.5顯微硬度測試

由于1號方鋼W、T方向的顯微組織與GB/T 6611中對高間隙缺陷的描述相同，對帶狀晶和周圍的正常區域進行顯微硬度測試。測試結果為正常區域HV0.3=297，帶狀晶區HV0.3=491。

1.6斷口形貌與金相組織

將1號方鋼W、T方向的不合格拉伸試樣斷口經乙醇超聲波清洗后，采用JSM掃描電子顯微鏡對斷口形貌進行觀察，斷口形貌如圖5所示。

圖5（a）圖中央可以看出較為明顯的帶狀分布，與宏觀金相和微觀組織中的形貌相同。

將1號方鋼解剖制作金相試樣，其金相組織如圖6所示。

圖5　1號方鋼不合格室溫拉伸試樣斷口

圖6　不合格拉伸試樣斷口金相組織

斷口金相組織存在非常明顯的帶狀晶，且初生α相比例偏高，晶粒度較低。

2　綜合分析

2.1金相組織特征

1號方鋼金相組織中，初生α相比例偏高，β相比例較低，組織不均勻，晶粒度由7級到11級不等。說明1號方鋼在鍛造時鍛造溫度偏低［2，6-7］。且1號方鋼W和T方向的金相組織中，具有非常明顯的片狀晶。且均沿L方向伸展，導致1號方鋼L方向強度比T、W方向高。說明1號方鋼鍛造時變形量不足，未能充分破碎單相區變形保留下來的不均勻組織［4，8］。

2號方鋼金相組織為等軸組織，以等軸α+轉變β相為主。組織均勻，晶粒度均為8級。

2.2斷口特征

對1號方鋼不合格試樣的斷口進行掃描電鏡檢查和斷口金相組織檢查發現，斷口處存在較為明顯的片狀組織［5］，其金相組織中也有片狀晶且初生α相比例很高，有粗大晶粒，進一步表明1號方鋼的鍛造溫度偏低［4-5］，且鍛造變形量不足［7］。

2.3制造工藝

查閱制造文件可知，1號方鋼和2號方鋼的制造過程如表6所示。

表6　1號方鋼與2號方鋼制造工藝

根據表6可知，2號方鋼的鍛造溫度較高，成品鍛造的最高溫度更接近TC4合金α+β/β的相變溫度點，有利于降低初生α相比例，提高TC4方鋼的綜合性能［1，7］；1號方鋼和2號方鋼的鍛造過程均采取拔長變形，而2號方鋼在開坯鍛造過程和成品鍛造過程中增加了中間鍛造過程，從而增加TC4合金的鍛造變形量，提高了材料的強度［1］，也使鍛造的微觀組織更加均勻［3］。同時也證明了1號方鋼力學性能不合格的原因為鍛造溫度偏低，且鍛造變形量不足。

3　結論

（1）對1號方鋼的金相組織和斷口金相的分析可知，1號方鋼中初生α相比例偏高，β相比例過低，說明1號方鋼成品鍛造時加熱溫度偏低。由于TC4具有導熱性差的特點［3］，鍛造處理時，應提高鍛造毛坯的加熱溫度，且適當延長保溫時間，保證毛坯內外溫度均勻，避免毛坯內外溫差過大，使得初生α相在成品鍛造時未能充分破碎。

（2）1號方鋼內部晶粒大小不均勻，且片狀組織不存在于低倍試樣的邊緣，而存在于靠近中心的位置，說明1號方鋼的變形量，尤其是中心的變形量不足，是導致方鋼內部存在片狀組織的原因。因為1號方鋼鍛造時采取了拔長變形的工藝，所以L方向變形量相對較高，力學性能優于W、T方向。可在鍛造過程中提高鍛錘的打擊能量，從而克服變形抗力，增加鍛件的變形量。

（3）根據工藝文件顯示，2號方鋼在開坯鍛造和成品鍛造過程中間有一個中間鍛造過程，且鍛造溫度包含了α+β兩相區和β單相區。在β單相區鍛造可將開坯鍛造過程中未能充分破碎的粗大晶粒進一步細化［5，7］，β相充分形成；在α+β兩相區鍛造時能使得連續晶界和粗大晶界破碎，初生α片層和晶界進一步球化。從而提高拉伸性能，同時也能提高鍛造變形量。而TC4鍛造有導熱性差、變形抗力大的特點，所以應增加鍛造過程，讓組織充分優化。

［1］李曉芹.鍛造加熱溫度對TC11合金組織性能的影響［J］.熱加工工藝，1999，（3）：30-32

［2］李曉芹，朱西平.TC4鈦合金汽輪機葉片精鍛工藝研究［J］.航空制造技術，2001，（2）：53-60

［3］史小云，付保全，王文盛，等.鍛造溫度對TC4-DT鈦合金棒材力學性能及顯微組織的影響［J］.中國有色金屬學報，2010，20（1）：79-82

［4］田喜明，劉珂妮.鍛造變形量對TC4-DT鈦合金鍛件組織與力學性能的影響［J］.鈦工業進展，2013，30（6）：17-21

［5］董潔.TC4合金超大規格棒材鍛造工藝對組織和性能的影響［J］.鈦工業進展，2012，29（2）：28-31

［6］閻彩文，吳金滿，徐永光，等.TC4鈦合金異形鍛件鍛造工藝探索［J］.鈦工業進展，2009，26（5）：30-32

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［8］熊良銀，吳宏斌，王威，等.退火態TC4合金的熱變形行為［J］.有色金屬，2005，（1）：10-13

［9］GB/T 6611鈦及鈦合金術語和金相圖譜［S］

［10］Wood R A，Favor R J.鈦合金手冊［M］.劉靜安，吳煌良，姚毅中，譯.重慶：科學技術文獻出版社重慶分社，1983：46-47

［11］中國航空材料手冊編委會.中國航空材料手冊：第4卷：鈦合金、銅合金［M］.北京：中國標準出版社，2002

Analysis for Cause of Unqualified Properties of TC4-DT Titanium Blade

Hu Weicheng，Gao Jitian，Li Qingsong，Zhang Bangqiang

（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

The cause of unqualified mechanical properties of blade blank made by TC4-DT titanium is analyzed by several means，such as chemical test，metallographic test and SEM.Results show that flat swaged deformation and lower forging temperature lead to proportion of primary α phase on the high side，which is the main cause of the unqualified mechanical property of blade blank. Key words：TC4 alloy，mechanical property，square steel，swaged deformation

TG1

A

1674-9987（2015）02-0061-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.02.013

胡維成 （1962-），男，畢業于東北大學金屬物理專業，現主要從事材料技術管理工作。