TC17鈦合金盤鍛件的工藝優化及組織性能分析

魏 鑫，李昌永，趙興東，徐建偉，曾衛東

(1. 中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043)(2. 西北工業大學 凝固技術國家重點實驗室，陜西 西安 710072)

1 前 言

隨著我國航空事業的快速發展，先進戰機需要具備高的飛行速度、良好的機動性能，并能適應復雜的飛行環境，這對其“心臟”部件發動機提出了越來越高的要求。盤件作為發動機的關鍵部件，其性能優劣是決定發動機性能的影響因素之一[1]。目前，發動機盤件一般采用鍛造方式生產，鍛造工藝對盤件組織和性能至關重要[2]。

TC17合金是一種高強、高韌和高淬透性的近β型兩相鈦合金[3，4]，是制造高推重比發動機的重要候選材料之一，其熱加工過程中的組織、性能變化一直是科學界和工程界關注的焦點。近年來，針對TC17鈦合金工藝、組織、性能關系的研究相繼開展。如：Teixeira等[5]研究了TC17合金在連續冷卻過程中的組織演變行為，并建立了相轉變動力學方程；Ma等[6]研究了TC17合金的高溫變形行為，構建了其在熱變形過程中的本構方程；趙興東等[7]對TC17合金在β鍛造過程中的組織變化進行了分析，揭示了變形參數對組織演變的影響規律；Xu等[8，9]對TC17合金在熱處理過程中的片狀α相球化與粗化行為進行了研究，建立了相應的動力學方程。以上研究為TC17合金的熱加工過程提供了一定的理論指導。

然而，在盤鍛件的實際生產過程中，仍然存在一些技術難題亟待解決。某型號發動機盤鍛件采用TC17合金β鍛造工藝成形并經固溶、時效熱處理。但是，基于原始固有方案生產的盤鍛件在按照新的標準進行組織檢驗和性能測試過程中，發現盤鍛件存在組織不均勻且葉身和試環部位組織粗大、晶界平直，盤鍛件各部位塑性、低周疲勞性能偏低等問題。初步分析，原始固有方案的預制坯結構設計不合理，針對此問題，本文將采用有限元模擬的方式對預制坯結構進行優化，力求獲得應變均勻分布的預制坯結構，并基于優化的預制坯結構進行盤鍛件鍛造，對比分析優化前后的組織和性能。

2 試驗及模擬

2.1 試驗材料及方案

本次盤鍛件鍛造所用的TC17合金原料是由西部超導公司采用三次真空自耗熔煉的鑄錠，其化學成分見表1，相變點為900 ℃。經過均勻化處理后，加大開坯鍛造變形量，在快鍛機上多火次鍛造成Φ250 mm棒材，原始組織如圖1所示。原始組織為等軸組織，等軸α晶粒尺寸大約為5～7 μm，含量約為35%，分布均勻。

圖1 TC17鈦合金的原始組織OM照片

表1 TC17合金的化學成分(w/%)

實驗使用的盤鍛件鍛造工藝為β鍛造，鍛造溫度為930 ℃，鍛后取出空冷。完全冷卻后對盤鍛件進行固溶時效處理，制度為：820 ℃/4 h/水冷+630 ℃/8 h/空冷。第一批生產的盤鍛件出現組織不均勻、力學性能波動較大等問題，為探明原因，改進工藝，進一步對盤鍛件成形過程進行有限元模擬，優化其工藝方案，再使用優化后的工藝生產盤鍛件。對優化前后盤鍛件的不同部位進行金相組織觀察，金相組織采用Olympus/PMG3光學顯微鏡進行拍攝，然后對初始工藝及優化工藝生產的盤鍛件進行力學性能測試，測試項目包括室溫拉伸、疲勞性能及斷裂韌性。

2.2 有限元模型及參數

本次鍛造模擬使用的有限元軟件為DEFORM，該軟件是針對金屬材料的塑性成型所開發的，適用于本次鍛造過程的模擬。由于盤鍛件屬于軸對稱零件，采用DEFORM軟件中的2D模塊進行模擬[10]。模擬前，首先使用Auto CAD建立上下模具和坯料的幾何模型，之后保存為DXF格式文件，導入DEFORM有限元模擬軟件的前處理器中，并進行參數設置。將坯料設為塑性體，模具簡化為理想狀態(不變形)，設定為剛性體；采用四邊形的單元網格對坯料進行離散，根據鍛件尺寸，劃分25 000個網格，選擇網格畸變自動重劃分，以保證模擬過程的精度和收斂性。材料使用作者單位前期積累的TC17合金本構數據和熱力學參數，根據實際工況，選取坯料和模具之間的摩擦系數為0.3，類型為剪切摩擦，坯料與模具之間的熱傳導系數為5 W·m-1·K-1，與空氣的換熱系數為0.02 W·m-1·K-1，坯料和模具的溫度均設置為930 ℃，鍛造速度為2 mm·s-1。

采用以上參數進行鍛造模擬，模擬結束后，在后處理中分析鍛件的金屬流動及應變分布，以判斷其成形性及變形合理性。針對原始方案中存在的應變分布不均勻的問題，主要采取應變較大位置減少金屬流動、應變較小位置增加金屬流動的原則進行預制坯結構優化，獲得應變分布均勻的預制坯結構。

3 結果與討論

3.1 盤鍛件成形的有限元模擬

盤鍛件在鍛造過程中各部位的變形程度是影響盤鍛件組織和性能的最關鍵因素，為確定盤鍛件各部位的變形程度，首先通過DEFORM有限元軟件對盤鍛件鍛造過程進行模擬。原始方案盤鍛件的模具和預制坯形狀如圖2a所示，鍛造模具為開式模具，原始方案的預制坯為異形截面的餅坯，根據模具形狀，對預制坯加工定位臺，使其完全貼合模具，以滿足其定位要求。原始方案鍛后的盤鍛件軸截面等效應變分布如圖2b所示，可以看出，盤鍛件截面的應變分布非常不均勻，其中輻板和輪緣部位的等效應變相對較大，應變超過1.2，而且在這2個部位存在明顯的剪切帶；鼓筒、試環和葉身部位的等效應變較小，部分位置應變小于0.4。應變的不均勻分布主要是鍛造過程中金屬的不均勻流動導致的，副板部位最先承受壓縮變形，隨后金屬向輪緣部位流動，使得這2個部位的金屬流動劇烈，應變較大，而鼓筒、試環和葉身部位的金屬填充過程中并沒有受到明顯的變形，應變較小。這樣的應變分布將導致盤鍛件組織分布不均勻，特別是小應變區位置由于變形程度不足使得晶粒無法充分變形，進而可能會影響力學性能。

圖2 盤鍛件的預制坯形狀及應變分布：(a，b)原始工藝，(c，d)優化工藝

針對原始方案存在的問題，對預制坯進行優化以解決鍛件應變分布不均的問題，優化后的預制坯結構如圖2c所示。考慮到原始方案中輻板和輪緣部位的應變較大而且存在剪切帶，鼓筒和葉身部位的應變較小，在優化方案中降低餅坯中間輻板部位的高度，以緩解該部位金屬流動的劇烈程度、降低應變，如圖2c中的①所示。此外，對餅坯外側的葉身部位進行處理，上部拉平，如圖2c中的②所示，下部設置凹槽，如圖2c中的③所示。如此，增加鼓筒、試環和葉身部位的金屬流動，提高應變。經優化后的盤鍛件應變分布如圖2d所示，可以看出，盤鍛件截面的應變均勻性已得到極大改善，整體應變分布較為均勻，沒有過大或過小應變區存在，優化后盤鍛件主要位置的應變分布在0.7～1.3之間，應變分布合理，這樣的應變分布可以適度拉長原始β晶粒，并避免晶界平直、連續，保證盤鍛件性能[11，12]。

3.2 優化前后的微觀組織對比

通過有限元模擬對比，優化工藝的盤鍛件應變分布相比于原始工藝明顯改善，為進一步確認優化工藝的優越性，本部分對上述2種工藝生產的盤鍛件微觀組織進行表征和分析。微觀組織的取樣位置如圖2d所示，在盤鍛件的典型位置分別取1#～4#金相試樣，進行微觀組織分析。

圖3為原始工藝生產的盤鍛件微觀組織形貌，1#位置的應變較大，原始β晶粒被顯著拉長，晶界被破碎、彎折，但該部位的微觀組織中存在明顯的β再結晶晶粒，并且主要聚集于原始晶界附近，β再結晶的形成可能引起混晶，對性能產生不確定影響，在工程中應當避免[10]。2#和3#位置的應變較小，微觀組織中的原始β晶粒基本保持等軸狀，沒有明顯的變形痕跡，而且晶界α相連續、平直，晶界一般被認為是斷裂過程中的薄弱環節[13，14]，裂紋容易在晶界處萌生和擴展，因此平直且連續的晶界往往會導致性能惡化，特別是塑性[15-17]。4#位置的應變適中，該位置的微觀組織形貌相對合理，原始β晶粒呈拉長狀、沒有或者含有少量的β再結晶晶粒、晶界斷續、彎折、晶內α相保持網籃結構。

圖3 原有工藝的微觀組織形貌OM照片：(a)1#，(b)2#，(c)3#，(d)4#

以上分析表明，通過原始方案鍛造的盤鍛件的微觀組織分布不均勻，而且原始方案的微觀組織形貌不滿足標準要求，輻板部位承受的變形較大，組織中含有大量的β再結晶晶粒，鼓筒和葉身部位承受的變形較小，組織沒有充分變形，原始β晶粒保持等軸狀，晶界α相連續、平直。這樣的組織分布是導致首批盤鍛件力學性能波動較大、部分性能偏低的主要問題[18，19]。

圖4展示了優化工藝生產的盤鍛件的微觀組織，相比于原始工藝，優化后的盤鍛件各部位微觀組織分布及形貌有明顯改善。首先，盤鍛件各部位的微觀組織分布均勻，沒有明顯的大變形或者小變形區，這與優化后的盤鍛件應變分布更均勻相對應；其次，各部位的微觀組織形貌更加合理，滿足拉長的原始β晶粒、沒有或者少量的β再結晶、晶界不連續、晶內網籃結構的微觀組織形貌要求，這類組織可以使鍛件具有更好的綜合力學性能。優化后盤鍛件各部位的微觀組織得到改善，表明優化工藝具有合理性。

圖4 優化工藝的微觀組織形貌OM照片：(a)1#，(b)2#，(c)3#，(d)4#

3.3 優化前后的力學性能對比

為進一步對比原始方案和優化方案的優劣性，對優化前后的TC17合金盤鍛件各部位進行力學性能測試，測試項目包含室溫拉伸性能、斷裂韌性和低循環疲勞性能，測試結果如表2和表3所示。通過對比可知，原始方案與優化方案得到的試樣強度和斷裂韌性水平相當，但優化方案的塑性和低周疲勞性能要優于原始方案，而且優化后盤鍛件各部位的力學性能分散度較小、穩定性較好。原始方案生產的盤鍛件，鼓筒、試環和葉身部位的延伸率較低，這與兩部位的變化程度不足有關。在原始方案中，鼓筒和葉身部位承受的變形較小，微觀組織中β晶粒保持等軸狀、晶界α相平直且連續，這都會對塑性產生不利影響，而且，原始方案中不同部位的塑性存在較大波動，如鼓筒部位和輪緣部位的延伸率、斷面收縮率相差超過一倍，這主要是由組織的不均勻性導致的[20]。優化后，盤鍛件力學性能波動較大、部分塑性偏低的問題得到明顯改善。此外，在應力集中系數為1.0、交變應變應變幅/平均應變為1.00±0.02、總應變為0.0093、循環頻率為10～30次/min條件下進行低循環疲勞測試，由于組織均勻性和微觀組織形貌的改善，優化方案的循環周次高于原始方案，優化方案生產的盤鍛件具有明顯優勢。

表2 原始方案生產的盤鍛件力學性能

表3 優化工藝生產的盤鍛件力學性能

4 結 論

通過對TC17合金某盤鍛件優化前后的組織和力學性能對比分析，得到主要結論如下：

(1)原始固有方案的預制坯形狀不合理，導致其鍛造過程中變形不均勻，鍛件截面存在小應變區，優化后，變形的不均勻得到明顯改善，鍛件截面主要部位的應變分布在0.7～1.3之間。

(2)原始固有方案的組織分布不均勻，優化后，鍛件各部位的組織分布均勻且形貌特征合理，原始β晶粒呈拉長狀、沒有或者有少量β再結晶晶粒、晶界彎折、晶內為網籃結構。

(3)優化方案生產的盤鍛件的力學性能優于原始方案，而且優化后盤鍛件各部位的力學性能分散度較小、穩定性較好。