1、前言
鈦合金因具有比強度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點，被廣泛應用于航天、航空及船舶等領域，目前鈦合金中應用最多的仍然是TC4合金。對于普通TC4鈦合金鍛件，生產(chǎn)工藝較為成熟，而航天某型號用TC4異形鍛件重量較大，性能指標要求嚴格，鍛造工藝比較復雜。需要在生產(chǎn)過程中對該異形鍛件鍛造工藝進行研究，總結(jié)出鍛造工藝對鍛件顯微組織及力學性能的影響規(guī)律，從而制定出最合適的鍛造工藝。
2、實驗材料及實驗方法
實驗材料為TC4鈦合金，其主要合金成份見表1，相變點為980℃±10℃。合金鑄錠為φ460mm×1350mm，首先相變點以上溫度1165℃±15℃范圍內(nèi)采用大變形量開坯，充分破碎鑄造晶粒并使組織進一步均勻化，而后鋸床下料。選用8件坯料進行鍛造工藝摸索，坯料均由兩火次鍛造成型，并調(diào)節(jié)每火次的加熱溫度及變形量，考察加熱溫度及變形量對顯微組織及力學性能的影響。鍛件最終均在780℃保溫處理1小時后空冷，觀察各種鍛造工藝下的顯微組織，并測試其拉伸性能。
3、實驗結(jié)果及討論
8件坯料均采用兩火次鍛造成形，并調(diào)節(jié)每火次的加熱溫度，鍛件最終均在780℃保溫處理1小時后空冷，詳細鍛造工藝及鍛件拉伸性能見表2。其中編號為1—4坯料第一火及第二火加熱均在β單相區(qū)，且第二火加熱溫度稍低，編號為5—8的坯料第一火加熱在β單相區(qū)，但第二火在兩相區(qū)較高溫度加熱。因此可把編號1—4坯料工藝稱為I類鍛造工藝，編號5—8坯料工藝稱為Ⅱ類鍛造工藝，兩類工藝流程圖分別如圖1、圖2所示。
由表2中兩類鍛造工藝下鍛件拉伸性能可以看出：采用I類鍛造工藝即兩火次均在β單相區(qū)加熱時，鍛件拉伸強度及塑性均較低，部分試樣拉伸性能不能達到指標要求；而采用Ⅱ類鍛造工藝即一火單項區(qū)二火兩相區(qū)加熱時，鍛件強度及塑性均較好，所有試樣拉伸性能均能達到指標要求，且有較大余量。因此可以得出Ⅱ類鍛造工藝下鍛件具有較好的拉伸性能。鍛件性能決定于鍛造工藝及其最終顯微組織【1】，以下將討論每火次鍛造溫度及變形量對顯微組織及拉伸性能的影響。
3.1 鍛造溫度對顯微組織及力學性能的影響
鍛造過程中，加熱溫度、變形量及保溫時間對鍛件顯微組織和力學性能有重要的影響【2，3】，其中第一火鍛造的目的主要是進一步細化組織及預成形，因此為減小變形阻力并且使變形均勻，兩類鍛造工藝下第一火鍛造均在單項區(qū)進行，而最后成品鍛造溫度即第二火次鍛造溫度對最終顯微組織及力學性能的具有重要影響。當采用I類鍛造工藝即第二火鍛造溫度在單項區(qū)時，加熱過程中β晶粒進一步長大，隨后的鍛造過程中晶粒得不到破碎，從而導致最終顯微組織為具有粗大晶粒的片層組織，由于組織較為粗大，拉伸性能較低，不能滿足指標要求。當采用Ⅱ類鍛造工藝即第二火鍛造溫度在兩相區(qū)時，加熱過程中第一火次鍛造遺留下來的連續(xù)晶界及粗大片層得到破碎，并且鍛造過程中晶界及初生α片層得到進一步球化，從而細化了顯微組織，如圖所示3，由于不存在連續(xù)的晶界，材料具有較好的拉伸性能，滿足指標要求。
3.2 兩相區(qū)第二火鍛造溫度及變形量的選擇
由表2可以看出，能夠得到較好拉仲性能的Ⅱ類鍛造工藝加熱溫度均任高溫兩相區(qū)，距離相變點較近，該溫度的選擇也具有一定的原因。鍛造過程中曾發(fā)現(xiàn)當?shù)诙鸺訜釡囟仍趦上鄥^(qū)較低溫度且變形量較小時，鍛件表面組織不均勻，局部具有粗大晶粒，且由于加熱溫度較低，表面出現(xiàn)較多裂紋。這是由于加熱溫度較低時第一火次鍛造遺留下來的組織尤其是晶界不能完全細化，加之變形量較小最終得到的組織不均勻，且局部有粗大晶粒。而且加熱溫度較低時，鍛造過程中鍛件兩端接觸錘頭導致溫降較大，容易造成表面開裂。在兩相區(qū)較高溫度加熱及采用較大變形量時，能夠細化成品顯微組織，并使組織均勻，且不容易引起表面開裂。
4、結(jié)論
TC4鈦合金異形鍛件顯微組織及力學性能受到鍛造工藝尤其是最后一火次鍛造溫度及變形量的強烈影響。坯料鍛造成形時最佳工藝為兩火次成彤的鍛造工藝其巾第一火次在β單相區(qū)加熱變形，用于進一步細化組織及顱成形；第二火次應在兩相區(qū)較高溫度加熱，并且鍛造時要求具有較大的變形量，目的是獲得較細及均勻的顯微組織，從而具有較好的力學性能。鍛造時采用換向鐓粗拔長的鍛造方式，能夠保證異形鍍件具有均勻的宏觀組織。
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