Ti3Al合金葉片鍛造工藝研究（上）

文/邰清安，周浩浩，關紅，王丹·沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司技術中心

Ti3Al合金葉片鍛造工藝研究（上）

文/邰清安，周浩浩，關紅，王丹·沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司技術中心

邰清安，研究員級高級工程師，現任中航工業黎明首席技術專家，中航發動機模鍛專業首席專家，中航工業高溫合金專業一級專家。曾獲得國防工業、冶金部、航空部、航空工業總公司、中航工業科技進步一等獎、二等獎、三等獎數十項，發明和實用新型專利數十項，在國內期刊發表科技論文數十篇。

本文通過壓扁試樣和葉片不同鍛造溫度、不同變形量及不同熱處理溫度對Ti3Al合金組織、性能影響的分析和等溫鍛造成形試驗，確定了Ti3Al基合金葉片的鍛造工藝參數，并試制出葉片典型件，測試出基本性能和組織，實現了金屬間化合物葉片鍛件的鍛造成形，為結構設計和研制生產奠定了技術基礎。

Ti3Al具有耐高溫、抗氧化和密度低（4.7g/cm3）的特點，而且彈性模量、抗蠕變性能比鈦合金好得多，密度只有鎳基合金一半。因此，它與其他TiAl系合金一樣被認為是一種理想的富有開發應用前景的航空、航天、軍事及民用的新型高溫結構材料。國內相關合金近十幾年來在塑化、韌化方面取得了重大進展，合金的室溫塑性、斷裂韌性和沖擊韌性等指標達到國際領先水平，現已在我國航天領域多項工程中得到應用。未來的高推比發動機高壓壓氣機機匣、葉片等高溫部件有可能采用Ti3Al基合金制造，而目前各單位對TiAl系合金，包括塑性較好的Ti3Al的工程化研究均顯不足，因此有必要對其進行進一步工程化應用工藝試驗。

試驗材料

試驗用Ti3Al基合金材料采用三次真空電弧自耗熔煉工藝，鑄錠成品規格為φ220mm。在開坯鍛造前進行了均勻化處理，三鐓三拔后改鍛成φ95mm的棒坯；再經二火軋制、車光外圓后達到所需φ28mm的棒材。試驗材料相變點1100℃，各化學成分含量如下：Al-12.03%，Nb-30.17%，O-0.064%，N-0.0068%，H-0.0008%，Ti-余量。高低倍組織見圖1，高倍組織為三相雙態組織，其中α2體積百分含量在15%～20%，低倍組織未見缺陷。

試驗結果與分析

鍛造工藝性試驗

⑴試驗方案。

采用兩種變形量的楔形試樣在壓力機上進行壓扁試驗，大變形的楔形試樣變形量按0%～80%，試樣尺寸由20mm遞減到4mm，壓扁到（4±0.5）mm，試樣編號為1～4；小變形的楔形試樣變形量按0%～30%，試樣尺寸由11.5mm遞減到7.5mm，壓扁到（7.5±0.5）mm，試樣編號為6～9。變形溫度分別取（1000±10）℃、（1020±10）℃、（1040±10）℃、（1060±10）℃，試驗方案見表1，楔形試樣表面噴涂高溫合金用玻璃潤滑劑GDS-17。

圖1 棒材的高倍和低倍組織圖

表1 楔形試樣試驗要求

楔形試樣熱處理為1040℃固溶→保溫2h→油冷→850℃時效→保溫16h→空冷。每組鍛件縱向切開，一半作低倍組織檢查，另一半按5%～80%的變形量切取高倍組織試樣進行高倍組織檢查，通過高倍組織分析確定最佳的鍛造加熱溫度和變形量。

⑵試樣低倍組織。

圖2 所示為4組變形溫度下不同變形量的楔形試樣低倍組織圖。加熱溫度低于1020℃和變形量超過70%時出現了鍛造裂紋（圖3），說明變形量超過70%時不易鍛造，加熱溫度也應控制在1020℃以上。

圖2 不同變形溫度的楔形試樣低倍組織

圖3 不同變形量的低倍組織

⑶高倍組織。

由圖4可看到，加熱溫度為1040℃和1020℃的組織比較均勻，變形量在70%以下均無裂紋產生。從獲得均勻的組織考慮，Ti3Al基合金葉片的鍛造變形程度選擇在70%以下、加熱溫度選1020℃更為適宜。

圖4 不同溫度、變形量的高倍組織圖

《Ti3Al合金葉片鍛造工藝研究（下）》見2016年第5期