TC4(Ti-6Al-4V)合金是美國(guó)1954年研制成功的Ti-Al-V系α+β型鈦合金，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、汽車、能源、醫(yī)療器械及體育用品等領(lǐng)域。全球TC4合金半成品的產(chǎn)量占各種鈦合金產(chǎn)量的一半以上，在航空航天工業(yè)中超過70%。TC4合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中主要用于制造風(fēng)扇和壓氣機(jī)盤、葉片、機(jī)匣等零件，以及各種類型的緊固件[1-3]。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的工作條件極為復(fù)雜和苛刻，承受著巨大的氣動(dòng)應(yīng)力、離心應(yīng)力和溫度負(fù)荷作用[4]。因此，各國(guó)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片用棒材制定了更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，提高了棒材的組織、力學(xué)性能和探傷的要求。例如，在GJB494A-2008《航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片用鈦合金棒材規(guī)范》中，要求轉(zhuǎn)子葉片用TC4鈦棒材的初生α相含量不低于30%，小規(guī)格棒材（Φ≤50mm）的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均高于國(guó)標(biāo)（GB2965-2007）和其他軍標(biāo)（GJB2218A-2008）。另外，葉片用棒材的探傷要求更加嚴(yán)格，靜子葉片用小規(guī)格棒材（Φ≤45mm）的超聲波檢測(cè)雜波水平不大于Φ0.8~9dB，轉(zhuǎn)子葉片用棒材雜波水平不大于Φ0.8~12dB。然而，TC4棒材的力學(xué)性能、超聲波雜波水平不僅與棒材的微觀組織有關(guān)[5-7]，而且受到棒材織構(gòu)的影響[8-12]。李華等人研究了TC4合金顯微組織對(duì)超聲波探傷雜波水平的影響，發(fā)現(xiàn)探傷雜波水平較高區(qū)域呈現(xiàn)出明顯的顯微組織不均勻性，不均勻區(qū)域顯微組織晶體取向變化是產(chǎn)生雜波的根本原因[7]。M.Humbert等人在研究IMI834合金的超聲波檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)發(fā)射波強(qiáng)度與樣品中的織構(gòu)宏區(qū)有關(guān)，這是因?yàn)槌暡ㄔ谘鼐Ц?/p>
c軸方向傳播速度更快[8]。駱雨萌等人發(fā)現(xiàn)930℃熱軋TC4鈦合金均具有顯著的力學(xué)性能各向異性，這與板材中形成的{0001}<1010>板織構(gòu)有關(guān)[9]。由此可見，鈦合金的組織和織構(gòu)與其力學(xué)性能和超聲探傷雜波水平有密切關(guān)系。
鈦合金的組織和織構(gòu)受到加工工藝和熱處理工藝的影響。目前，對(duì)于小規(guī)格TC4鈦合金棒材，多采用軋制或徑鍛方式制備。棒材軋制過程耗時(shí)短、效率高，但是軋制加工過程的溫升快，且變形過程中棒材各部位存在變形量差異，力學(xué)性能的一致性低于徑鍛棒材[13]。棒材徑鍛過程中（圖1），4個(gè)鍛錘高速往復(fù)錘擊棒材，棒材受到?jīng)_擊載荷快速變形，這種變形方式可以精確控制變形量，獲得直徑更加均勻的高精度棒材[14]。然而，目前尚無關(guān)于徑鍛棒材組織和織構(gòu)對(duì)其力學(xué)性能一致性和超聲探傷雜波水平影響的研究。本研究采用兩火徑鍛工藝制備葉片用Φ30mm的TC4合金小規(guī)格棒材，對(duì)棒材橫截面和軸截面邊部到心部的組織演變進(jìn)行分析。使用EBSD技術(shù)研究徑鍛棒材軸截面各位置的顯微織構(gòu)，分析邊部到心部的織構(gòu)強(qiáng)度和類型的變化規(guī)律，揭示棒材織構(gòu)與熱加工受力狀態(tài)的關(guān)系以及對(duì)力學(xué)性能一致性和超聲探傷雜波水平的影響規(guī)律。
1、實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)坯料是西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司采用三次真空自耗電弧爐熔煉，并經(jīng)過多火次鍛造的TC4合金棒材（Φ95mm）。實(shí)驗(yàn)坯料的化學(xué)成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)坯料的β相轉(zhuǎn)變溫度（Tβ）為995℃。坯料棒材橫截面顯微組織如圖2所示，為典型的雙態(tài)組織，初生等軸α相含量超過65%。
棒材加工：將坯料棒材（Φ95mm）通過兩火徑鍛加工成小規(guī)格棒材，加工過程為Φ95mm→Φ55mm→Φ32mm，加工溫度均為940℃，然后機(jī)械加工成Φ30mm小規(guī)格成品棒材。對(duì)成品棒材進(jìn)行700℃×75minAC的退火處理，并進(jìn)行顯微組織和力學(xué)性能取樣，取樣位置如圖3所示。在棒材橫截面（1#）和軸截面（2#）的邊部（E）、R/2處（M）和心部（C）切取試樣，經(jīng)打磨拋光和腐蝕后，進(jìn)行顯微組織觀察、XRD物相分析和微觀織構(gòu)檢測(cè)。顯微組織觀察在OlympusPMG3光學(xué)顯微鏡完成，XRD使用布魯克D8衍射儀檢測(cè)，EBSD分析使用TESCANMAIA3掃描電鏡和NordlysNano探測(cè)器。棒材力學(xué)性能樣品在R/2處取4個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試和對(duì)比，并計(jì)算棒材強(qiáng)度的變異系數(shù)，研究棒材內(nèi)部的性能一致性。室溫拉伸測(cè)試使用INSTRON5985萬能試驗(yàn)機(jī)完成。棒材通支進(jìn)行水浸超聲探傷檢測(cè)，使用USPC7100型探傷儀，ISS/G/C10MHz探頭，Φ0.8mm平底孔標(biāo)塊進(jìn)行檢測(cè)。
2、結(jié)果與分析
2.1徑鍛TC4棒材邊部到心部的顯微組織
徑鍛TC4棒材的橫截面和軸截面顯微組織如圖4所示，棒材的顯微組織屬于（α+β）兩相組織。軸截面不同區(qū)域均存在沿軸向拉長(zhǎng)的初生α相（αp）。邊部區(qū)域的αp含量略高于R/2和心部位置，這是由于棒材鍛壓過程中造成內(nèi)部溫升，心部溫度高于邊部，因此邊部位置αp的含量較高。而變形過程中邊部的變形量相對(duì)較大，因此邊部位置αp的晶粒尺寸相對(duì)較小，且晶粒長(zhǎng)徑比較大。棒材R/2和心部的αp含量和形貌相近，表明溫度和變形環(huán)境差別較小。相比于原始棒坯，徑鍛后的棒材邊部到心部區(qū)域，組織得到了充分細(xì)化。值得注意的是徑鍛棒材β轉(zhuǎn)變組織的形態(tài)與典型的片層結(jié)構(gòu)有明顯差異。片層結(jié)構(gòu)的β轉(zhuǎn)變組織是次生α相（αs）與β相依次疊層排布，而徑鍛工藝棒材顯微組織中β轉(zhuǎn)變組織片層結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲，甚至斷裂，β相以短棒或球狀的形態(tài)存在。這是由于徑鍛加工時(shí)，每道次旋轉(zhuǎn)給進(jìn)材料耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，造成棒材不同位置存在溫度差異。當(dāng)徑鍛加工至棒材另一端時(shí)，由于溫降棒材中β相已經(jīng)部分轉(zhuǎn)變成β轉(zhuǎn)變組織。此時(shí)繼續(xù)對(duì)棒材進(jìn)行徑向鍛造，β轉(zhuǎn)變組織中αs片層和β片層發(fā)生扭曲變形，甚至斷裂，β相呈現(xiàn)短棒或球狀形貌。
然而，成品棒材的異常β轉(zhuǎn)變組織會(huì)在升溫至葉片鍛造溫度（相變點(diǎn)下20~50℃）時(shí)會(huì)發(fā)生相變，自然冷卻后的組織為典型的片層狀β轉(zhuǎn)變組織。
2.2徑鍛TC4棒材相結(jié)構(gòu)分析
2.2.1XRD物相分析
圖5為TC4徑鍛棒材軸截面邊部和心部的XRD圖譜，圖中可明顯觀察到α相和β相的衍射峰。PDF[44-1288]中(1011)是α-Ti的最強(qiáng)峰，(0002)α峰強(qiáng)與(1011)α的比例是30%。徑鍛棒材邊部和心部位置的α相的衍射峰最強(qiáng)峰為(0002)α峰，表明棒材從邊部到心部均存在擇優(yōu)取向。這種擇優(yōu)取向與棒材加工變形過程有關(guān)。棒材徑鍛變形過程受到錘頭沿徑向的高速錘壓，原子在直徑方向相互擠壓，具有最大晶面間距的(1010)α晶面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最終轉(zhuǎn)至平行于棒材橫截面方向。而α相晶粒的c軸偏轉(zhuǎn)至與錘壓方向一致，導(dǎo)致樣品XRD圖譜中出現(xiàn)強(qiáng)(0002)α衍射峰。另外，邊部樣品2#(E)的(1011)α衍射峰相對(duì)于心部明顯增強(qiáng)，這是因?yàn)檩S截面邊部樣品的受力不均勻，沿徑向的壓力大于法向，而心部樣品的徑向和法向受力一致。
2.2.2EBSD物相分析
圖6是使用EBSD技術(shù)繪制的TC4棒材組織。圖中可見藍(lán)色的β相晶粒呈等軸狀，晶粒尺寸小于5μm，主要分布在αp的晶界和β轉(zhuǎn)變組織中。β晶粒數(shù)量占比為1.8%，面積占比為0.35%。
2.3徑鍛TC4棒材邊部到心部的織構(gòu)演變
2.3.1IPF分析
圖7為徑鍛TC4棒材軸截面邊部（2#(E)）和心部（2#(C)）分別在軸向（AD），徑向（RD）和法向（ND）的IPF圖。圖中可見，除沿軸向拉長(zhǎng)的αp晶粒外，邊部和心部樣品的β轉(zhuǎn)變組織被完全破碎成細(xì)小的等軸晶粒，這與圖4中的顯微組織圖片一致。從AD方向的IPF圖中可見，邊部樣品絕大部分αp晶粒取向轉(zhuǎn)變?yōu)椋?110）垂直于AD，心部樣品部分αp晶粒由于變形量相對(duì)較小，（0110）晶面尚未偏轉(zhuǎn)至垂直AD方向，但是這些αp晶粒多處于轉(zhuǎn)向的過渡階段。這是由于棒材在受到高速?zèng)_擊載荷時(shí)，棒材發(fā)生塑性變形，形成大量孿晶和小角度晶界，造成了（0001）晶面偏轉(zhuǎn)[15-17]。這種偏轉(zhuǎn)的程度與棒材不同位置吸收的沖擊載荷和變形量有直接關(guān)系，棒材邊部承受了更多的沖擊載荷和塑性變形，因此其展現(xiàn)了更大程度的擇優(yōu)取向。棒材中細(xì)小等軸狀β轉(zhuǎn)變組織在終鍛時(shí)，由于邊部溫度較低，β轉(zhuǎn)變組織晶粒取向多為（0110）和（1210）垂直于AD，以及少量相變形成的（0001）取向的晶粒。
由于RD方向與錘壓變形方向一致，邊部樣品的晶粒主要受到徑向變形，絕大部分晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)向，晶粒（0001）晶面轉(zhuǎn)至與RD方向垂直[15]。而心部樣品RD和ND方向的受力和變形一致，因此，在RD和ND方向心部樣品（0001）和（1210）取向的晶粒比例相近。這與圖5a中所示的XRD圖譜一致，除了強(qiáng)(0002)α衍射峰外，其余衍射峰強(qiáng)度的相對(duì)比例與PDF[44-1288]相近。而由于棒材邊部沿RD和ND方向受力和變形不同，因此，晶粒取向也呈現(xiàn)了多樣性。
2.3.2TC4棒材織構(gòu)分析
圖8為徑鍛TC4棒材邊部到心部樣品的極圖。棒材邊部樣品為典型的板織構(gòu)，織構(gòu)類型為{0001}<1010>。
棒材R/2處和心部的織構(gòu)類型相同，都為<1010>//AD的絲織構(gòu)。棒材的織構(gòu)強(qiáng)度用均勻密度的倍數(shù)（MUD）表示，棒材邊部、R/2處和心部的MUD值分別為9.18，7.48，6.55，這表明棒材的織構(gòu)強(qiáng)度從邊部到心部逐漸減弱。徑鍛棒材的這種特殊的織構(gòu)與軋制棒材有明顯區(qū)別，這與棒材的變形方式有密切關(guān)系。徑鍛棒材邊部主要受到單向沖擊壓力作用，因此形成了板織構(gòu)，而由于邊部的變形量大，邊部晶粒在吸收沖擊能量后發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成強(qiáng)織構(gòu)。心部樣品在RD和ND方向受力和變形情況相近，因此容易形成絲織構(gòu)，而心部的變形量小于邊部，部分晶粒沒有足夠的能量進(jìn)行轉(zhuǎn)向，因此織構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)減小。
2.4力學(xué)性能測(cè)試分析
徑鍛棒材R/2處的4個(gè)樣品室溫力學(xué)性能如表2所示，棒材的抗拉強(qiáng)度均值為1036.25MPa，屈服強(qiáng)度的均值為954.5MPa。棒材抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的波動(dòng)最大值為7MPa，延伸率波動(dòng)不超過1%。根據(jù)表2數(shù)據(jù)計(jì)算徑鍛棒材抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的變異系數(shù)，其變異系數(shù)分別為0.24%和0.29%，高于軋制工藝制備的棒材，這與棒材加工方式的受力一致性有關(guān)。上述數(shù)據(jù)表明徑鍛工藝制備的棒材具有很好的力學(xué)性能一致性。
2.5超聲探傷檢測(cè)分析
將徑鍛TC4棒材進(jìn)行超聲波檢測(cè)，棒材的雜波水平為Φ0.8~(9~12)dB，滿足靜子葉片用TC4棒材超聲波探傷要求。韓飛孝等人對(duì)不同變形量和加工溫度對(duì)TC4徑鍛棒材超聲波探傷雜波水平的影響進(jìn)行了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)升高徑鍛溫度和減小棒材變形量有利于超聲探傷雜波水平的改善[18]。
李華等人的研究表明，TC4合金顯微組織對(duì)超聲波探傷雜波水平有顯著影響，顯微組織不均勻區(qū)域的晶體取向變化是產(chǎn)生雜波的根本原因[7]。當(dāng)超聲波檢測(cè)徑鍛TC4棒材時(shí)，超聲波沿徑向傳播。徑鍛棒材從邊部至心部具有很強(qiáng)的織構(gòu)，超聲波在αp晶粒中傳播可以減少雜波。但是，由于徑鍛棒材的β轉(zhuǎn)變組織為細(xì)小顆粒狀，分散在較大的αp晶粒之間，組織呈現(xiàn)了不均勻的特性，造成雜波增加。并且β轉(zhuǎn)變組織多為相變織構(gòu)，晶粒之間取向不同，進(jìn)一步增加了超聲波的雜波。因此，徑鍛棒材的超聲波雜波水平與軋制棒材相比略差。實(shí)驗(yàn)研究證明通過徑鍛+軋制的工藝既可以細(xì)化棒材晶粒尺寸，又能夠滿足Φ0.8~12dB的超聲波探傷雜波水平要求[18]。
3、結(jié)論
1)徑鍛TC4鈦棒材從心部至邊部均得到有效的變形，晶粒得到明顯細(xì)化，心部的晶粒尺寸略大于邊部。β轉(zhuǎn)變組織的片層結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲變形和斷裂，β相晶粒呈現(xiàn)短棒或球狀。
2)棒材邊部為{0001}<1010>板織構(gòu)，R/2和心部為<1010>//軸向的絲織構(gòu)，且棒材的織構(gòu)強(qiáng)度從邊部到心部逐漸減弱。
3)棒材抗拉和屈服強(qiáng)度具有優(yōu)異的一致性。徑鍛棒材的超聲波雜波水平為Φ0.8~9dB，相比軋制棒材略差，這是由于超聲波在徑鍛棒材中不同取向的細(xì)小β轉(zhuǎn)變晶粒中傳播，造成雜波升高。
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