引言

TC11鈦合金鍛件的組織和力學(xué)性能主要由鍛造變形決定，熱處理的作用不象鋼那樣大，因此，為獲得高質(zhì)量的鍛件，其鍛造工藝方法選擇就十分重要，鈦合金材料的鍛造工藝方法有α+β鍛造、β鍛造等。

目前的鍛件由于其使用溫度較低，一般均在雙態(tài)組織或者等軸組織狀態(tài)下使用，在鍛造方法上通常使用α+β鍛造方法，但隨著航空產(chǎn)業(yè)鈦合金零件的增多，尤其是某些鈦合金葉輪在高溫性能上也出現(xiàn)了具體的設(shè)計要求，滿足低溫使用環(huán)境鍛件的α+β鍛造方法開始出現(xiàn)了其局限性，利用此鍛造方法生產(chǎn)的鍛件屢屢出現(xiàn)高溫甚至室溫性能的不合格。

為提高鍛件的高溫力學(xué)性能，有必要系統(tǒng)地對TC11鈦合金α+β鍛造以外的β鍛進行初步的工藝研究，以便為將來采用β鍛造進行TC11鈦合金鍛造積累工藝參數(shù)和實踐經(jīng)驗， 為今后新型高溫環(huán)境下的鈦合金零件的應(yīng)用提供依據(jù)。

1、 試樣制備與試驗方法

試樣鍛造試驗原材料為西部超導(dǎo)生產(chǎn)的TC11棒材，尺寸分別為φ90、φ100、φ80，采用的鍛造工藝路線：下料一加熱一鍛造一熱處理一理化化驗。

對鍛件組織的要求：鍛件的低倍組織應(yīng)符合GJB2220—94的規(guī)定。鍛件的顯微組織應(yīng)是經(jīng)α相區(qū)或僅α+β兩相區(qū)加工的均勻組織，即僅基體或由轉(zhuǎn)變β基體和等軸或條狀初生α相組成。初生α相含量應(yīng)不小5％ 。所有β晶界儀相應(yīng)充分破碎，不允許存在連續(xù)、平直的晶界α相。按GJB2220—94進行評定，1級～6級為合格組織，局部允許8級。

2、試驗結(jié)果與討論

對于僅α+β鍛造的試樣低倍組織和顯微組織進行了分析，按目前冶金規(guī)定的標準(低倍組織1-8級，顯微組織1～6級，局部允許8級)，實際低倍組織局部存在清晰晶，顯微組織7級(圖1)，結(jié)論：不合格。

TC11鈦合金塑性圖及鍛造溫度、變形程度對鈦合金性能和組織的影響見圖2～圖4。

經(jīng)分析認為顯微組織不合格的原因如下：

(1)屬于原材料組織遺傳存在的α相過長，片狀網(wǎng)籃組織，鍛造過程中難以改變，熱處理無法消除。

(2)原材料組織大晶粒，須大變形量進行破碎，實際進行鍛造時，沒有將大晶粒打碎， 可能是鍛造比偏小。

(3)由于鈦合金塑性差、導(dǎo)熱性差， 而且魏氏組織分布不均勻，存在局部變形，溫度升高的熱效應(yīng)現(xiàn)象，形成局部過熱。

(4)鈦合金的塑性性能指標和強度指標與鍛造有關(guān)，認為鍛件鍛比過小造成塑性性能指標和強度指標不合格。

(5)自由鍛設(shè)備噸位不足，鍛錘打擊速度過快，對鍛件質(zhì)量有較大影響。目前，現(xiàn)有設(shè)備打擊力小，鍛件變形困難，成形需要較長時間，鈦合金降溫快，須多火次鍛造，容易形成鍛件組織的多樣性、不穩(wěn)定性。

在不同鍛造溫度、相同熱處理條件下所測得的力學(xué)性能對比見表1、表2、表3。

在試驗中我們可以看出：① 經(jīng)β鍛造的鈦合金具有最佳的高溫蠕變強度和優(yōu)越的斷裂韌性；② 經(jīng)變形的魏氏組織雖然室溫塑性比等軸顯微組織低一些，但一般均高于技術(shù)條件的要求；③ 經(jīng)變形的魏氏組織的疲勞性能，雖然在可靠性和穩(wěn)定性方面還未被公認，但有些數(shù)據(jù)表明其疲勞性能并不亞于等軸晶粒，與未經(jīng)變形的魏氏組織相比，有了相當(dāng)?shù)母纳啤?/p>

經(jīng)β鍛造后，斷裂韌度之所以得到提高，乃是由于共析狀α相和等軸α相在強度基本相同的情況下，前者具有較高的斷裂韌度。因為裂紋遇到僅板條時發(fā)生轉(zhuǎn)折，所以只有在產(chǎn)生很大的塑性變形的條件下， 相才能發(fā)生開裂。

β鍛造除可以提高合金的斷裂韌性和蠕變強度之外， 還可以減小鍛造時的變形抗力和提高工藝塑性。

綜上所述，可以看出β鍛造的應(yīng)用范圍是完全可能不斷擴大的。但由于在疲勞性能方面尚不能令人放心， 因此當(dāng)前基本上只應(yīng)用于非轉(zhuǎn)子零件的制造。例如，美國TF39發(fā)動機的Ti-6Al-4V轉(zhuǎn)子葉片，已采用β鍛造方法進行精密模鍛。β鍛造低倍組織雖然呈現(xiàn)出較模糊的粗大晶粒輪廓，但觀察其高倍組織，則已屬于通常希望的細小等軸組織。按技術(shù)條件檢驗其室溫拉伸等性能也均合格，因此過去曾稱它為“偽大晶?！?。由于這種組織的疲勞強度、斷裂韌度等性能尚不夠清楚，因此能否采用尚待進一步研究確定。

3、結(jié)論

鍛造工藝參數(shù)的選擇主要決定于鍛件材料的鍛造工藝性能， 而鍛造工藝性能主要決定于鈦合金自身的物理一化學(xué)(或金屬學(xué))特性及鍛造過程的熱力學(xué)特性，亦即決定于鍛件材料的內(nèi)部條件和外部條件(鍛造過程的熱力學(xué)特性)。

影響鍛造工藝性能的合金內(nèi)部條件(金屬學(xué)或物理特性)主要有晶體結(jié)構(gòu)、相變特點和化學(xué)成分(含合金和雜質(zhì)元素)等。影響鍛造工藝性能的外部條件(鍛造過程的熱力學(xué)特性)主要有鍛造過程的溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)力一應(yīng)變狀態(tài)和再結(jié)晶特性等。此外，鍛造和加熱及環(huán)境條件也在相當(dāng)程度上影響鍛造工藝性能，它既與鍛件合金的內(nèi)部條件有關(guān)，又直接或間接影響鍛造過程的熱力學(xué)參數(shù)的變化。

影響鈦合金鍛造工藝性能的因素很多，它們發(fā)生影響的程度也不同，但它們在鍛件生產(chǎn)過程中是一個有機的整體，因此，在生產(chǎn)中通常按照α型、近α型、α+β型、近β型和β型鈦合金的分類分析探討其鍛造工藝性能。

實質(zhì)上，鍛造工藝方法對鈦合金質(zhì)量的影響是各個鍛造熱力學(xué)參數(shù)(變形溫度、變形速率、變形程度、模具溫度及其均勻性以及冷卻方式等)綜合作用的結(jié)果。

【參考文獻】

[1]張彤，鄧春鋒，馬艷霞，等．TC11鈦合金熱變形組織演變規(guī)律研究．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47(1)．

[2] 中國鍛壓協(xié)會航空材料成形委員會．鈦合金的鍛壓技術(shù)．北京：國防工業(yè)出版社，2007．

[3] 王樂安．難變形合金鍛件生產(chǎn)技術(shù)．北京：國防1一業(yè)出版社，2005．

[4] 陶春虎，等．航空用鈦合金的失效及其預(yù)防．北京：國防 業(yè)出版社，2010．

[5] 史延沛，李淼泉，羅皎．TC4鈦合金葉片鍛造過程中晶粒尺寸的數(shù)值模擬．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009，44(2)．

相關(guān)鏈接