TC4-DT鈦合金鍛件組織與拉伸性能研究

劉 衛

(西安三角防務股份有限公司質量保證部，陜西710089)

鈦合金具有比強度高、熱強性好等特點，被廣泛用于汽車、航空航天、艦船、電力以及化工等眾多領域[1]。TC4-DT鈦合金為增強國內航空能力而研制的新型中強高損傷容限型鈦合金[2]。目前對于TC4-DT鈦合金的研究大多集中于斷裂韌性(KIC)和裂紋擴展速率(da/dn)。拉伸性能作為TC4-DT鈦合金室溫性能的主要指標，在保證TC4-DT鈦合金鍛件質量方面同樣起到至關重要的作用。我公司利用不同鍛造工藝參數生產某大型梁類模鍛件，本文主要研究鍛造工藝參數對TC4-DT鈦合金鍛件組織和拉伸性能的影響。

1 原材料及工藝方法

TC4-DT鈦合金鍛件所用原材料均使用西部超導公司生產的?380 mm棒材，原材料化學成分和高、低倍相片分別見表1和圖1。從圖1可以看出，鈦合金原材料高倍組織為等軸組織，原材料低倍組織均勻，無冶金缺陷，符合相關標準，可正常投產使用。TC4-DT鈦合金原材料相變點參照HB 6623.1—1992淬火金相法測得，將TC4-DT鈦合金原材料組織中3%以下的初生α相的淬火溫度作為Tβ。TC4-DT鈦合金鍛件生產工序為：原材料下料→自由鍛→模鍛→熱處理。自由鍛、模鍛分別在我公司31.5 MN快鍛機和400 MN大型模鍛液壓機上進行，熱處理在我公司均勻度為±5℃的臺車式熱處理爐進行。我公司采用3種鍛造工藝生產這種梁類模鍛件，工藝1：自由鍛2火，鍛造溫度為Tβ-30℃；模鍛2火，鍛造溫度為Tβ-30℃。工藝2：自由鍛12火，鍛造溫度為Tβ-30℃；模鍛2火，鍛造溫度為Tβ-30℃。工藝3：自由鍛12火，鍛造溫度為Tβ-55℃；模鍛2火，鍛造溫度為Tβ-55℃。3種工藝熱處理制度均為：Tβ-30℃，120 min，Tβ+15℃，30 min，空冷+730℃，130 min，空冷。

2 組織與拉伸性能結果分析

2.1 TC4-DT鈦合金鍛件低倍組織分析

圖2為3種工藝生產的TC4-DT鈦合金鍛件低倍相片，低倍試樣均取自TC4-DT鈦合金鍛件的相同位置。從圖2可以看出，3種工藝生產的TC4-DT鈦合金鍛件低倍組織均為清晰晶組織，無冶金缺陷，均符合相關技術標準。但也可以看出3種工藝所生產的TC4-DT鈦合金鍛件低倍也存在一定差異。

表1 TC4-DT 鈦合金原材料化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of TC4-DT titanium alloy raw material (mass fraction, %)

圖1 TC4-DT 鈦合金原材料高、低倍組織Figure 1 Microstructure and macrostructure of TC4-DT titanium alloy raw material

圖2 TC4-DT 鈦合金鍛件低倍組織Figure 2 Macrostructure of TC4-DT titanium alloy forgings

工藝1中TC4-DT鈦合金鍛件低倍組織不均勻，且在低倍試樣心部清晰可見鍛造流線。這主要是因為工藝1自由鍛造火次較少，在保證總變形量的前提下，每火次變形量較大，梁類鍛件各部分截面不同，受力不均導致組織不均勻。鍛件心部由于大的變形量，發生動態再結晶，從而使得組織細化，局部應力集中導致出現鍛造流線。

工藝2中TC4-DT鈦合金鍛件由于鍛造火次多，鍛造溫度較高，低倍組織比較均勻，晶粒也比較大。

工藝3中TC4-DT鈦合金鍛件由于鍛造溫度較低，阻礙了晶粒長大，使得鍛件晶粒較小。

2.2 TC4-DT鈦合金鍛件顯微組織分析

圖3為3種工藝生產的TC4-DT鈦合金鍛件顯微組織相片，顯微試樣均取自TC4-DT鈦合金鍛件的相同位置。從圖3可以看出，3種工藝生產的TC4-DT鈦合金鍛件顯微組織均為片層組織，無冶金缺陷，均符合相關技術標準。

工藝1中TC4-DT鈦合金鍛件變形不均勻，鍛件3個位置顯微組織中均出現不同含量的殘余初生α相，含量均小于5%，符合相關標準要求。由于變形不均勻，鍛造過程中工藝1中鍛件顯微組織中初生α相破碎程度也不一樣，導致最終鍛件的初生α相含量也不盡相同。

工藝2和工藝3中TC4-DT鈦合金鍛件顯微組織中已經沒有初生α相，可以說明鍛造火次影響鍛件最終組織中的初生α相含量，鍛造火次增加則鍛件顯微組織中初生α相含量減少。

對比3種工藝的鍛件顯微組織可以看出，工藝3鍛件顯微組織中次生α相比較短小。這主要與鍛造溫度有關，工藝3鍛件鍛造溫度較低，在保證相同變形量的前提下，使鍛件顯微組織中次生α長大的驅動力降低。

2.3 TC4-DT鈦合金鍛件拉伸性能分析

經熱處理后，在TC4-DT鍛件不同位置切取理化試料，然后測試力學性能，表2為3種工藝方法生產的TC4-DT鍛件拉伸性能測試結果，測試取樣部位均為鍛件相同位置。由表2可見，TC4-DT鈦合金鍛件的力學性能指標均達到了相關標準要求。工藝1中TC4-DT鈦合金鍛件力學性能均高于其它兩種工藝的鍛件，具有較高的拉伸強度和塑性，這主要與工藝1中TC4-DT鈦合金鍛件顯微組織中殘余的初生α相有關。工藝1中TC4-DT鈦合金鍛件拉伸變形是在初生α相的個別晶粒中以滑移開始的，隨變形量增加，滑移將占據越來越多的α晶粒，并向周圍的β轉變組織擴展，因而空洞形核、連接和擴展較遲，斷裂前將產生更大的變形，因此拉伸性能較好[3]。但同時可以看出，工藝1中TC4-DT鈦合金鍛件拉伸性能相對其它兩種工藝比較不均勻，與低倍、高倍組織結果一致，主要是由于鍛造火次較少，變形不均勻導致的。

圖3 TC4-DT鈦合金鍛件顯微組織相片Figure 3 Microstructure picture of TC4-DT titanium alloy forgings

表2 TC4-DT 鈦合金鍛件拉伸性能測試結果Table 2 Tensile properties results of TC4-DT titanium alloy forgings

由表2也可以看出，工藝2中TC4-DT鈦合金鍛件拉伸性能數據較均勻，與低倍組織結果一致，工藝2中鍛件拉伸性能強度整體優于工藝3的鍛件。組織決定性能，相比工藝3，工藝2中鍛件低倍組織晶粒較大，顯微組織中次生α相比較長。片層組織轉變組織中有較多的次生條狀α相，尺寸較大的集束決定了晶體具有很大的滑移長度，因在晶界和不同位集的交界處發生滑移堵塞，從而使拉伸性能提高。

3 討論

由于變形條件不同，TC4-DT鈦合金鍛件組織和拉伸性能存在較大差異。鍛造火次影響鍛件的組織均勻性。本文中由于TC4-DT鈦合金鍛件尺寸較大，鍛件各部位截面相差較大，在保證相同變形量條件下，鍛件各部位組織產生較大差異，拉伸

性能也不盡相同。工藝1中由于鍛造火次較少，鍛件組織不均勻，拉伸性能也不均勻。但工藝1中鍛件鍛造火次較少，顯微組織中存在一定的殘余初生α相，導致鍛件拉伸性能提高。鍛造溫度對于TC4-DT鈦合金鍛件組織和性能也有重要影響。隨著鍛造溫度升高，TC4-DT鈦合金鍛件晶粒尺寸增大，顯微組織中次生α長度增加，鍛件的拉伸強度升高。

4 結論

(1)鍛造火次影響TC4-DT鈦合金鍛件的均勻性，鍛造火次增加，鍛件的組織和拉伸性能均勻性增加。

(2)TC4-DT鈦合金鍛件顯微組織中殘余一定量的初生α相有利于提高拉伸性能。

(3)鍛造溫度升高，TC4-DT鈦合金鍛件拉伸強度增加。

參考文獻

[1] 王以華，林健，吳振清，等.鈦合金的應用前景及其鍛壓技術[J].金屬加工，2009(21)：12-28.

[2] 史小云，付寶全，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(10)：79-82.

[3] 劉超平.熱加工工藝對鈦合金組織和性能的影響[D].沈陽：東北大學，2011.