影響TC4鈦合金棒材沖擊性能的主要因素

文／侯鵬，郭證，李維，李偉·西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司

影響TC4鈦合金棒材沖擊性能的主要因素

文／侯鵬，郭證，李維，李偉·西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司

本文主要研究了影響TC4鈦合金棒材沖擊性能的主要因素。采用兩種不同工藝路線制備φ75mmTC4鈦合金棒材，通過(guò)金相組織和力學(xué)性能分析對(duì)比，確定影響沖擊性能的主要因素。結(jié)果表明：⑴在鍛造過(guò)程中，控制變形量，變形均勻，提高片層狀α相的含量，形成有等軸α相、片層狀α相共存的組織形貌，有利于提高材料的沖擊性能。⑵控制終鍛溫度，減少α相含量，當(dāng)α相含量約為50%時(shí)，有利于提高棒材的沖擊性能。

TC4鈦合金屬于（α+β）型鈦合金，其名義成分為T(mén)i-6Al-4V，由于其兼有α型和β型鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，所以具有較高的比強(qiáng)度、熱強(qiáng)性、焊接性和較好的綜合力學(xué)性能，通過(guò)熱處理強(qiáng)化，強(qiáng)度可提高20%～30%，是目前應(yīng)用最廣的一種鈦合金，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油化工等領(lǐng)域，其市場(chǎng)用量占鈦合金總消耗量的50%以上。在航天、航空領(lǐng)域，TC4鈦合金主要用于制造支架、框架、桁條、起落架、緊固件和管道等。本文主要針對(duì)TC4鈦合金棒材，執(zhí)行GJB 391-1987標(biāo)準(zhǔn)，消除應(yīng)力態(tài)，在生產(chǎn)過(guò)程中室溫力學(xué)性能、硬度均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，而沖擊性能經(jīng)常出現(xiàn)不合格的現(xiàn)象進(jìn)行了分析研究。生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行兩種不同工藝路線，通過(guò)觀察金相組織和室溫力學(xué)性能分析對(duì)比，確定影響沖擊性能指標(biāo)的主要因素，進(jìn)而提高和穩(wěn)定沖擊值，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，為本合金的批量生產(chǎn)提供一定參考依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的三次真空自耗電弧爐熔煉的TC4鈦合金鑄錠，鑄錠經(jīng)扒皮、探傷、切除冒口及錠底，錠型為φ690mm，如圖1(a)所示。其化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3620.1-2007及GB/T 3620.2-2007的要求，鑄錠化學(xué)成分詳見(jiàn)表1。用金相法測(cè)定鑄錠的相變點(diǎn)為990～995℃。

實(shí)驗(yàn)方法

鑄錠開(kāi)坯選用β相區(qū)溫度進(jìn)行加熱鍛造，先鍛制成一定尺寸的方坯，空冷、修磨后，根據(jù)2.0～2.3的高徑比進(jìn)行鋸切下料，在相變點(diǎn)以下20～30℃范圍內(nèi)分別進(jìn)行鐓拔、拔長(zhǎng)、滾圓，最后制成φ140mm棒坯，如圖1(b)所示。制成的φ140mm棒坯按以下兩種工藝路線進(jìn)行生產(chǎn)鍛造。

工藝路線1：將φ140mmTC4棒坯在相變點(diǎn)以下30～40℃范圍內(nèi)進(jìn)行加熱，經(jīng)兩火次精鍛成形，最后鍛制成規(guī)格為φ81mm的棒材。精鍛過(guò)程中嚴(yán)格控制每火次變形量≤50%，道次變形量≤12%，防止鍛造過(guò)程中形成變形熱對(duì)材料的組織產(chǎn)生影響。鍛制后的φ81mm棒材經(jīng)過(guò)800℃/90min空冷處理后，經(jīng)扒皮、拋磨、鋸切后制成φ75mm的成品光棒。

工藝路線2：將φ140mmTC4棒坯在相變點(diǎn)以下50～60℃范圍內(nèi)進(jìn)行加熱，一火精鍛成形，最后鍛制成規(guī)格為φ81mm的棒材。精鍛過(guò)程中嚴(yán)格控制道次變形量，每道次變形量≤12%，防止變形熱影響。鍛制后的φ81mm棒材經(jīng)過(guò)800℃/90min空冷處理后，經(jīng)扒皮、拋磨、鋸切后制成φ75mm的成品光棒。

分別從φ140mm棒坯和兩種不同工藝路線生產(chǎn)的φ75mm棒材切取長(zhǎng)度約10mm的試樣，試樣表面通過(guò)車(chē)床平面見(jiàn)光后，用配置的酸（V氫氟酸∶V硝酸∶V水＝1∶3∶5）腐蝕試樣表面，金相顯微鏡觀察高倍組織，進(jìn)行分析對(duì)比。按照GJB 391-1987標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)成品φ75mm棒材同樣截取試樣，做室溫力學(xué)性能、硬度、沖擊實(shí)驗(yàn)。

表1 TC4鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

圖1 TC4鈦合金φ690mm鑄錠及φ140mm棒坯

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

顯微組織分析

圖2為φ140mmTC4棒坯高倍組織，由圖2可以看出棒坯的金相組織形狀不一分布不均，具有一定的流向性。晶粒尺寸在20～120μm范圍內(nèi)，有長(zhǎng)條α相，部分等軸α相，小部分大塊α相。

圖2 φ140mmTC4棒坯金相組織（100×）

圖3為工藝路線1鍛制的φ75mmTC4精鍛棒材高倍組織，由圖3可以看出金相組織分布均勻，沒(méi)有流線形成，有等軸α、片層狀α，α相基本已等軸化，晶粒尺寸平均在9～40μm 范圍內(nèi)，約90%的α相尺寸大小一致，α相含量約50%。

圖4為工藝路線2鍛制的φ75mm精鍛棒材高倍組織，由圖4可以看出金相組織分布較均勻，有等軸α相、長(zhǎng)條α相，晶粒尺寸平均在13～50μm范圍內(nèi)，α相含量約70%。

對(duì)比圖2、圖3、圖4可以看出，圖2的高倍組織最差，晶粒尺寸大，組織差異性較大，分布雜亂，流線明顯，說(shuō)明變形量不夠，變形過(guò)程不均勻；圖3的組織大小差異最小，分布均勻，無(wú)流線存在，等軸化程度最好，基本全部實(shí)現(xiàn)等軸化；圖4同圖3一樣組織大小差異性較小，分布較均勻，等軸化程度較圖3差，有長(zhǎng)條α相存在，α相含量較圖3相對(duì)較多，局部有塊狀α相存在。

力學(xué)性能分析

工藝路線1和工藝路線2兩種不同路線鍛制的φ75mm精鍛棒材力學(xué)性能如表2所示。從表2可以看出兩種工藝路線鍛制的棒材室溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)差異較小，路線1和路線2室溫力學(xué)性能均高于標(biāo)準(zhǔn)要求，路線1的強(qiáng)度略高于路線2的強(qiáng)度，塑性略低于路線2的塑性，布氏硬度基本一樣，但是路線2的沖擊值低于標(biāo)準(zhǔn)，不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，路線1的沖擊值滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。綜合兩種工藝路線數(shù)據(jù)表明，工藝路線1在其他性能指標(biāo)同路線2相當(dāng)?shù)那疤嵯拢瑳_擊值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過(guò)兩組不同工藝路線對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出，工藝路線1經(jīng)過(guò)兩火精鍛，道次變形量小，變形均勻，顯微組織均勻分布，等軸化程度好，終鍛溫度較高，α含量較低，有等軸α相、片層狀α相共存，沖擊值較高。工藝路線2采用一火精鍛，道次變形量大，坯料內(nèi)外變形呈現(xiàn)不均勻化，顯微組織沿徑向分布存在差異，有等軸α相、長(zhǎng)條α相共存，終鍛溫度較低，α含量較高，沖擊值較低。經(jīng)分析認(rèn)為變形量大，變形不均勻，形成等軸α相、長(zhǎng)條α相共存的組織形貌，終鍛溫度低引起α含量較高，是造成沖擊性能低的主要因素。為了提高沖擊性能，應(yīng)該減小變形量，減少長(zhǎng)條α相含量，增加片層狀α相的含量，控制終鍛溫度，減少α相含量。

圖3 工藝路線1鍛制的φ75mmTC4棒材金相組織（250×）

圖4 工藝路線2鍛制的φ75mmTC4棒材金相組織（250×）

表2 兩種不同工藝路線生產(chǎn)的φ75mmTC4鈦合金棒材室溫力學(xué)性能

結(jié)論

⑴在鍛造過(guò)程中，控制變形量，變形均勻，提高片層狀α相的含量，形成有等軸α相、片層狀α相共存的組織形貌，有利于提高材料的沖擊性能。

⑵控制終鍛溫度，減少α相含量，當(dāng)α相含量約為50%時(shí)，有利于提高棒材的沖擊性能。