提升TC21 鈦合金鍛件強塑性匹配的工藝試驗

TC21 鈦合金具有高強度、高抗斷裂韌性和低裂紋擴展速率等特點，是應用于新型飛機上的一種重要結構材料。為達到強度與韌性的最佳匹配，TC21 常用熱加工工藝為準β 鍛造。但在實際生產過程中，TC21 鈦合金鍛件常常出現強度和塑性不匹配問題，給工廠帶來了嚴重的質量損失。為此，本文對準β鍛造前坯料的組織演變進行研究，并提出了改進型準β 鍛造工藝，以指導TC21熱加工方案設計。

解讀發明專利《鈦合金準β 鍛造工藝》

輕質、長壽命一直是飛機結構強度設計所追求的目標，也是一代又一代結構強度工作者所面臨的永恒課題。隨著中國航空制造技術的發展，耐久性/損傷容限設計思想逐步成為飛機長壽命的主要設計思想，在此情況下，高強、高韌、高損傷容限型TC21鈦合金被廣泛應用于新一代戰斗機的結構件。在20世紀90 年代，國內多家單位對TC21 鈦合金鍛件的鍛造工藝開展了研究，主流工藝方法有兩種。

其一，很多學者建立了不同的數據分析觀念發展水平框架，但是各維度劃分的科學性和有效性仍需大規模檢驗，并且導致水平差異的影響因素有待深入的探究.因此，構建系統的發展水平框架成為當務之急.在構建發展水平框架時應注意以下幾點：一是維度劃分應結合數據分析觀念的內隱特點和外顯行為，建立具有可操作性的水平劃分標準.二是測評內容應以現實背景展開，更多關注內涵和體現思維的過程.三是測評方式應轉向紙筆、計算機測試等多種混合形式，真實反映學生的實際情況.

⑴β 鍛造。該工藝是將合金加熱到β 單相區較高溫度(一般在T

+30℃以上)保溫，變形后空冷或水冷，再經雙重退火或退火后獲得粗大的網籃或魏氏組織(或β轉扭曲變形)。這種組織具有很高的抗斷裂韌性，但塑性很差。

⑵近β 鍛造。近β 鍛造是將合金加熱到兩相區上部較高溫度［T

-(5℃～20℃)］保溫，變形后水冷或空冷，再經雙重退火或退火后，組織中保留了少量的等軸初生α 和較多的β 轉的組織(三態或雙態組織)。這種組織具有較好的強塑性匹配，但工藝實施難度很大，組織和性能很難控制。

⑵按表1 對5 個顯微試塊進行不同的處理，處理完成后，打磨同一方向的表面，并在光學顯微鏡上觀察顯微組織。

20 世紀90 年代末，北京航空材料研究院朱知壽等提出了準β 鍛造工藝并申請獲批發明專利《鈦合金準β 鍛造工藝》，該工藝明顯改善了鈦合金強度、塑性和斷裂韌性的匹配性，為新一代戰斗機的研制提供了強力的支撐。在針對TC21 鈦合金鍛件強塑性匹配差這一問題的攻關過程中，筆者結合生產實際對《鈦合金準β 鍛造工藝》重新進行了深度解讀，并對問題原因進行了分析。

準β 鍛造工藝要解決的問題

根據專利說明書所述，鈦合金的網籃組織與雙態組織比較，其抗斷裂韌性、疲勞裂紋擴展抗力、抗疲勞強度和蠕變抗力高，大大提高了構件的使用壽命，對設計人員有巨大的吸引力。但網籃組織長期以來未被鍛件的使用者所接受，究其原因是若工藝控制不好，會顯著降低鍛件的塑性。解決網籃組織的塑性問題成為鈦合金鍛造的一大難題。因此，準β 鍛造的目的是為了獲得高塑性網籃組織，即該網籃組織具有與雙態組織一樣好的塑性，同時又具有網籃組織固有的優良特性，從而大大提高構件的壽命。

選礦大數據技術是通過大數據技術判斷其是否達到物耗、能耗的最佳點。選礦自動化是通過自動控制設備來實現捕捉采集數據信息，以及通過自動化設備操作來降低勞動強度，實現自動控制及自動調整。大數據技術不僅對單個環節設備參數的優化，還包括整個流程的相互關聯的技術參數的優化，某個環節指標最優不代表整體最優化，它是整體效益最大化的一個結果。將大數據技術與自動化智能設備實現有機銜接，就構成了智能化選礦過程，即實現了選礦智能化。

高塑性網籃組織的特點

根據專利說明書所述，在以往的研究中，β 鍛造是獲得網籃組織的主要方法。因β 鍛造前的加熱溫度較高且加熱時間較長，加熱后的β 晶粒比較大。在鍛造過程中，因鍛造溫度主要在β 相區，β 晶界α 相不容易析出。而當晶界α 相析出時，變形已基本結束。即使有小部分α 相在變形過程中析出，也因變形量小而不易破碎。其顯微組織是，原始β 晶粒比較大，β晶界α 相比較平直，而且破斷不夠。這就是通常的網籃組織比雙態組織塑性低的根本原因。

試驗選用

130mm×20mm的棒材，用金相法測定該合金的相變點為967℃

2.3.2 慢性腎功能不全(CKD)：CKD影響血小板聚集能力和凝血功能，CKD患者腎臟排泄能力減低又會影響抗血小板藥物代謝。因此，CKD患者既是血栓高危人群也是出血高危人群，在應用抗血小板藥物前必須進行腎功能評估和出血風險評估。目前更傾向于替格瑞洛聯合阿司匹林，PLATO研究亞組分析[10]顯示，CKD 患者在阿司匹林治療的基礎上，替格瑞洛較氯吡格雷治療組主要心血管復合終點事件及全因死亡率降低更明顯，且嚴重出血事件風險未增加。

實際生產過程中存在的問題

根據專利說明書所述，準β 鍛造主要流程為：準β 加熱→鍛造→鍛后冷卻。在準β 加熱后坯料出爐轉移至鍛造設備過程中，坯料會在空氣中冷卻一段時間。結合試驗結果，TC21 鈦合金準β 鍛造工藝中主要的組織演變過程見圖1。

但在實際生產過程中，坯料的有效厚度對內部組織演變的影響很大。在坯料較厚的情況下，坯料心部在鍛造過程中可能一直處在β 相區，直至鍛造結束也沒有或僅有少量晶界α 相析出，冷卻后，鍛件心部的組織存在原始β 晶粒比較大、β 晶界α 相比較平直且破斷不夠問題，導致心部塑性偏低。厚截面坯料在常規準β 鍛造過程中可能的組織演變關系見圖2。

工藝改進思路

為改善厚截面TC21 鍛件準β 鍛造后的心部組織，本改進型準β 鍛造工藝主要優化思路是：⑴坯料經準β 加熱后不進行鍛造，直接空冷，從而析出全部的晶界α 相和沿晶界α 相；⑵對坯料進行二次加熱，加熱溫度選用α+β 相區，然后進行一定量的變形以充分擊碎析出的晶界α 相和沿晶界α 相。采用改進型準β鍛造工藝，過程中的組織演變見圖3。

準β 鍛造前組織演變工藝試驗

試驗材料

采用準β 工藝后，由于坯料在β 區加熱溫度較低和坯料出爐后的溫降，鍛件的變形實際上是在α+β 區進行的，在變形過程中，α 相首先在β 晶界析出，而且變形被擊碎，不會產生連續的平直的晶界α 相，最后在晶內形成網籃編織的集束片狀α 相。這樣的網籃組織具有較高的塑性。

試驗方案

⑴按圖4 切下5 個顯微試塊，試塊規格為15mm×15mm×20mm，試塊分別編號A/B/C/D/E。

壓瘡是長期臥床或制動患者最易出現的皮膚并發癥，有效防治壓瘡既是臨床治療，更是護理工作中長期以來的困惑。壓瘡可增加患者的痛苦，延長疾病的愈合時間，使患者生活質量下降，增加住院時間和醫療費用，如繼發嚴重感染會加重病情甚至威脅到生命［1］。2010年7月起，我們采用自制的小米墊預防壓瘡，效果顯著，現報道如下。

結果及分析

圖5 是TC21 試塊經不同處理后的顯微組織。可以看出，準β 加熱前，TC21 棒料的顯微組織主要由等軸初生α 相和β 轉變組織組成(試塊E)，經過準β 加熱后，初生α 相全部轉變為β 相(試塊A)。

經過準β 加熱的試塊，若置于空氣中冷卻30s，則會有部分晶界α 相析出，且有少量條狀α相沿晶界析出(試塊B)。若置于空氣中冷卻120s，則晶界α 相幾乎全部析出，且有大量條狀α 相沿晶界析出，但析出的晶界α 相和沿晶界析出的條狀α相較細(試塊C)。若置于空氣中冷卻至室溫，則晶界α 相和沿晶界析出的條狀α 相幾乎全部析出，但析出的晶界α 相和沿晶界析出的條狀α 相較粗較長(試塊D)。

改進型準β 鍛造工藝的工藝試驗

試驗材料

⑴顯微組織對比。

試驗方案

對于智能CT設備、用于輔助醫生手術或者進行術前規劃的智能設備、或者可穿戴式醫療監測設備等既包括硬件改進又包含控制軟件的人工智能產品而言，由于軟件與硬件的集成性以及設備的專用性，侵權行為的發生相對集中，因而侵權行為相對容易舉證和判定。即使某些用戶終端產品（例如個人醫療終端）在硬件產品出廠時并未預裝相關控制程序，而是以APP商店或者提供下載鏈接的形式由用戶自行下載并安裝控制軟件，也能夠相對便利地證明用戶是在侵權產品制造商的誘導或者指示下完成控制軟件的下載、安裝和使用。

⑵按表2 對試驗件A 和試驗件B 進行準β 鍛造和熱處理。

⑴切下2 根試驗棒材，長度均為100mm，分別編號A/B。

⑶在試驗件A 和試驗件B 的1/4 厚度處和1/2厚度處檢測橫向室溫拉伸和顯微組織。

結果和分析

試驗選用

210mm 的棒材，用金相法測定該合金的相變點為968℃。

那時，我一心想要出去看風景，只覺得和爸媽的代溝寬得無法逾越。人生苦短啊，干嘛把生活過得那么緊張呢？我回來找工作不是一樣嘛。

李順說，李六如，你可真倔，住上樓也還是個土老帽。都說與時俱進，我看你就是塊石頭，你這樣是要吃虧的。我說，我有和村里的合同，再說，我這么做與上頭的精神也一致。上頭不也號召把青山綠水留給子孫后代？

圖6 是試驗件A 和試驗件B 不同取樣位置的顯微組織對比。由圖6 可以看出，相比常規準β 鍛造工藝(試驗件A)，采用改進型準β 鍛造工藝(試驗件B)獲得的網籃組織明顯更加破碎，達到預期結果。針對試驗件B，其1/2 厚度處的破碎程度明顯高于1/4厚度處，原因應是鐓粗過程中1/2 厚度處變形量大于1/4 厚度處，進而導致近心部位置已析出的晶界α相和沿晶界條狀α 相破碎程度更高。針對試驗件A，其1/2 厚度處的破碎程度與1/4 厚度處接近，原因應是坯料出爐轉移時間較短，鐓粗變形過程中僅有少量晶界α 相和沿晶界條狀α 相被擊碎，顯微組織中的條狀α相大多是鍛后空冷過程中陸續析出并長大的。

因此，在快慢車組合運營模式下，快車不停站所節約的總時間按1 min取值，并以此作為快慢車系統能力損失的研究前提。

⑵性能對比。

表3 是試驗件A 和試驗件B 不同取樣位置的室溫橫向力學性能對比。由表3 可以看出，相比常規準β 鍛造工藝(試驗件A)，采用改進型準β 鍛造工藝(試驗件B)加工的鍛件塑性明顯提升，即破碎程度高的網籃組織可明顯提高鍛件的塑性。1/4 厚度處，試驗件A 與試驗件B 的強度接近，而1/2 厚度處，試驗件B 的強度明顯高于試驗件A，原因應是破碎程度較高的網籃組織會有較高的界面能，進而起到強化的作用。

結論

⑴TC21 鈦合金棒材經準β加熱后，顯微組織中的等軸初生α 相會全部轉變為β 相。

⑵準β 加熱后的空冷時間對顯微組織有較明顯的影響，隨著空冷時間的延長，析出的晶界α 相和沿晶界析出的條狀α 相逐漸長大。

⑶破碎程度較高的網籃組織可明顯提升TC21 鈦合金鍛件的塑性，同時可提高鍛件的強度。

⑷采用改進型準β 鍛造工藝，可明顯提高鍛件強塑性匹配性。