TC18鈦合金鍛件生產(chǎn)研究

文／劉衛(wèi)，閆贊飛·西安三角防務(wù)股份有限公司

TC18鈦合金鍛件生產(chǎn)研究

文／劉衛(wèi)，閆贊飛·西安三角防務(wù)股份有限公司

采用兩種準(zhǔn)β鍛造工藝生產(chǎn)TC18鈦合金鍛件，結(jié)果表明：準(zhǔn)β鍛造溫度和改鍛速度影響TC18鈦合金鍛件網(wǎng)籃組織中次生α的大小、形態(tài)。準(zhǔn)β鍛造溫度可以使TC18鈦合金鍛件的斷裂韌性得到很大改善。

TC18鈦合金是一種高強(qiáng)度、高韌性的近β鈦合金，其名義化學(xué)成分為 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，適用于制造飛機(jī)機(jī)身以及起落架結(jié)構(gòu)中的各種大型鍛件。鈦合金可通過(guò)壓力加工（鍛造、軋制）與熱處理結(jié)合起來(lái)的工藝獲得優(yōu)良的組織和綜合性能。TC18鈦合金鍛造一般采用準(zhǔn)β鍛造工藝，這種工藝適用于制造大型的并要求高斷裂韌性的零件。準(zhǔn)β鍛造工藝是將鈦合金在相變點(diǎn)以上一定范圍內(nèi)加熱保溫，然后在相變點(diǎn)以下進(jìn)行較大的變形并空冷，獲得較高斷裂韌性及較好的綜合性能的網(wǎng)籃組織。為了獲得編織均勻的網(wǎng)籃組織，而又保證原始β晶界充分破碎，獲得較優(yōu)的強(qiáng)度、塑性和韌性的匹配，我公司采用了兩種準(zhǔn)β鍛造工藝制造某型號(hào)大型模鍛件。

材料及工藝方法

TC18鈦合金原材料采用φ400mm直徑規(guī)格的棒材，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。圖1為T(mén)C18鈦合金原材料的高、低倍相片，TC18鈦合金高倍為典型的等軸組織，無(wú)連續(xù)平直的α網(wǎng)格。低倍為模糊晶組織，無(wú)氣孔、縮孔、分層等冶金缺陷。本文中TC18鈦合金原材料的相變點(diǎn)參照HB 6623.1-1992淬火金相法測(cè)得，將TC18鈦合金原材料組織中3%以下的初生α相的淬火溫度作為T(mén)β。

圖1 TC18鈦合金原材料相片

表1 TC18棒材化學(xué)成分（%）

工藝1的工藝流程為原材料→下料→自由鍛(改鍛、鍛荒) →模鍛（預(yù)鍛、準(zhǔn)β鍛造）→熱處理。工藝2的工藝流程為原材料→下料→自由鍛(鍛荒)→模鍛（預(yù)鍛、準(zhǔn)β鍛造）→熱處理。自由鍛、模鍛分別在我公司31.5MN快鍛機(jī)和400MN模鍛液壓機(jī)進(jìn)行，熱處理在我公司均勻度為±5℃的臺(tái)車(chē)式熱處理爐進(jìn)行。兩種工藝的自由鍛鍛造溫度均為T(mén)β-35℃，工藝1的改鍛速度為10mm/s，準(zhǔn)β鍛造溫度為T(mén)β+18℃，工藝2的改鍛速度為15mm/s，準(zhǔn)β鍛造溫度為T(mén)β+10℃，兩種工藝的變形量和火次均一致。兩種工藝的熱處理制度均為840℃，保溫180min，隨爐冷至760℃，保溫150min，空冷，然后加熱至620℃，保溫6h，空冷。

鍛造設(shè)備

31.5MN快鍛機(jī)是我公司主要設(shè)備之一（圖2），該設(shè)備采用預(yù)應(yīng)力分體框架雙柱斜置上壓式結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)31.5MN、20MN、11.5MN等多種壓力運(yùn)行模式。目前，我公司用該設(shè)備進(jìn)行鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)度鋼、鋁合金等材料大型自由鍛件的生產(chǎn)以及為各種模鍛件進(jìn)行制坯、開(kāi)坯和改鍛。大規(guī)格TC18鈦合金棒材的改鍛，要求鍛造設(shè)備不僅要有足夠的壓力，還要求設(shè)備具有較強(qiáng)的操控能力。31.5MN快鍛機(jī)滿足了鍛件大變形所需要的設(shè)備噸位，同時(shí)其精確的液壓控制也為改鍛控制壓下量和變形量提供了可靠保證。

圖2 31.5MN快鍛液壓機(jī)

400MN大型航空模鍛液壓機(jī)為我國(guó)獨(dú)立研制、開(kāi)發(fā)、擁有核心技術(shù)的模鍛液壓機(jī)（圖3）。該設(shè)備采用清華大學(xué)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力剖分-坎合技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。該設(shè)備具有剛性好、壓力穩(wěn)定、壓制速度快等特點(diǎn)，主要用于鋁合金、鈦合金、高溫合金、粉末合金、高強(qiáng)度合金鋼等難變形材料大型構(gòu)件的整體模鍛成形，特別適合大型TC18鈦合金鍛件準(zhǔn)β鍛造變形所需要的巨大變形壓力及精確的變形速度要求。

圖3 400MN模鍛液壓機(jī)

試驗(yàn)結(jié)果及討論

低倍組織

兩種工藝所得鍛件的低倍組織如圖4所示，低倍試樣均取于最終交付的TC18鈦合金鍛件相同位置，從低倍相片可以看出兩種工藝得到的TC18鈦合金鍛件低倍組織均為清晰晶組織，符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。工藝1自由鍛中的改鍛工序是為了改善原材料的組織與性能，使鍛件用料基本處于同一組織性能狀態(tài)。對(duì)比圖4兩種工藝的低倍圖片，可以看出工藝1與工藝2所得鍛件低倍組織均具有良好的組織均勻性。排除改鍛工序?qū)﹀懠M織的影響，工藝1與工藝2所得鍛件主要差異在于改鍛變形速度和準(zhǔn)β鍛造溫度的不同。鍛件低倍組織取決于準(zhǔn)β鍛造溫度，從圖4低倍相片可以看出，提高準(zhǔn)β鍛造溫度，TC18鈦合金鍛件低倍組織的清晰度增加，晶粒變大。

圖4 TC18鍛件低倍組織

顯微組織

兩種工藝所得鍛件的顯微組織如圖5所示，顯微組織試樣均取于最終交付鍛件的相同位置。從圖5可以看出兩種工藝所得TC18鍛件的顯微組織均為相變點(diǎn)以上溫度鍛造得到的網(wǎng)籃組織，原始β晶粒和晶界α完全破碎，形成的片狀α交錯(cuò)排列。對(duì)比兩種工藝不同位置處的顯微組織可以看出工藝1鍛件顯微組織中α更加薄更細(xì)，交織更緊密；工藝2組織中α比較短小，基本未交織并且形狀趨于球狀α。在相同變形量條件下，提高改鍛速度，有利于原始晶粒破碎，使得鈦合金組織細(xì)化。工藝2改鍛速度大于工藝1，導(dǎo)致最終顯微組織中鈦合金組織中α短小，交織程度降低。隨著鍛造溫度的升高，α層的厚度、長(zhǎng)度及α相含量均增加。準(zhǔn)β鍛造時(shí)，隨著鍛造溫度升高，長(zhǎng)條的α不易被破碎，更易形成交織緊密的網(wǎng)籃組織。工藝2鍛件鍛造時(shí)由于鍛造溫度較低，長(zhǎng)條的α被不同程度破碎，長(zhǎng)度較短，所得網(wǎng)籃組織交織程度也較工藝1鍛件有所下降。

力學(xué)性能

兩種工藝所得鍛件的力學(xué)性能結(jié)果如圖6所示。可以看出，兩種工藝所得鍛件力學(xué)性能中KIC的差異最為明顯，其他性能數(shù)據(jù)變化不大。網(wǎng)籃組織的鈦合金綜合性能良好，具有較好的強(qiáng)度和斷裂韌度。兩種工藝鍛件的抗拉強(qiáng)度均在1100MPa左右，最大值與最小值差值為61MPa，說(shuō)明TC18合金鍛件的強(qiáng)度較均勻；但同時(shí)可以看出工藝1鍛件的抗拉強(qiáng)度（縱向、橫向）總體均低于工藝2鍛件的抗拉強(qiáng)度。通常情況下，合金組織越細(xì)小，相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度越高。工藝2鈦合金鍛件顯微組織中次生α片層較小，合金中β相的比例相應(yīng)增大，使得合金強(qiáng)度升高。兩者差異不大則是因?yàn)楣に?鍛件顯微組織中次生α片層較大較長(zhǎng)，加大了兩相間的界面面積，第二相強(qiáng)化效應(yīng)增大，使得合金的強(qiáng)度在一定程度升高。

圖5 TC18鍛件顯微組織

圖6 力學(xué)性能結(jié)果

網(wǎng)籃組織中次生α片層縱橫交錯(cuò)，可以不斷改變合金裂紋擴(kuò)展方向，降低裂紋擴(kuò)展速率，使合金的斷裂韌性得到提高。兩種工藝鍛件的KIC均大于60MPam1/2，工藝1鍛件的KIC值最大可達(dá)到101 MPam1/2。工藝1鍛件的KIC明顯高于工藝2鍛件，主要是受兩種工藝鍛件網(wǎng)籃組織的交織程度和疏密程度影響。在網(wǎng)籃組織中，裂紋沿α/β界面擴(kuò)展，并隨片狀的取向不斷改變擴(kuò)展方向。因此網(wǎng)籃組織的交織程度和疏密程度越好，路徑更加曲折，分枝更多，裂紋擴(kuò)展所需能量越高，合金的斷裂韌性越好。

討論

對(duì)于鈦合金來(lái)說(shuō)，相比改鍛速度，鍛造溫度對(duì)鍛件組織和力學(xué)性能的影響更大。對(duì)于TC18鈦合金來(lái)說(shuō)，鍛件最終組織和性能取決于準(zhǔn)β鍛造溫度。

本文兩種工藝TC18鈦合金鍛件低倍組織和顯微組織均受準(zhǔn)β鍛造溫度的影響；準(zhǔn)β鍛造溫度提高，TC18鈦合金鍛件的低倍晶粒增大，網(wǎng)籃組織中次生α交織緊密。力學(xué)性能由組織決定，不同組織形態(tài)的TC18鈦合金鍛件具有不同的力學(xué)性能。

本文兩種工藝TC18鈦合金鍛件均具有良好的綜合性能，兩種工藝鍛件的延伸率、沖擊韌性對(duì)于準(zhǔn)β鍛造溫度的影響均不敏感。兩種工藝鍛件的抗拉強(qiáng)度變化不大，這與準(zhǔn)β鍛造溫度改變了TC18鈦合金鍛件顯微組織中次生α的大小、形態(tài)及β相的比例有關(guān)。兩種工藝鍛件KIC值差異較大，差值最大為32.6MPam1/2，主要是因?yàn)樘岣邷?zhǔn)β鍛造溫度，大大增加了TC18鈦合金鍛件網(wǎng)籃組織的交織程度和疏密程度，使得合金的斷裂韌性有很大改善。

結(jié)論

⑴準(zhǔn)β鍛造溫度和改鍛速度影響TC18鈦合金鍛件網(wǎng)籃組織中次生α的大小、形態(tài)。

⑵準(zhǔn)β鍛造溫度可以使TC18鈦合金鍛件的斷裂韌性得到很大改善。