TC4鈦合金具有高比強度、 較寬的工作溫度范圍和優(yōu)異的耐腐蝕性能， 是制造航空發(fā)動機壓氣機盤、 葉片等的首選材料之一[1]，航空發(fā)動機葉片的工作條件極為復(fù)雜和苛刻， 需承受巨大的氣動應(yīng)力、離心應(yīng)力和溫度負(fù)荷作用[2]， 因而對葉片用鈦合金棒材的顯微組織和力學(xué)性能提出了很高的要求， 如GJB 494A-2008《航空發(fā)動機壓氣機葉片用鈦合金棒材規(guī)范》要求葉片用TC4鈦合金棒材的初α相含量不低于 25％ 。
超聲波探傷檢驗是航空航天領(lǐng)域鈦合金原材料驗收的基本要求， 部分原材料訂貨標(biāo)準(zhǔn)中對探傷的要求也十分苛刻， 如 GJB 494A-2008 要求轉(zhuǎn)子葉片用棒材探傷雜波水平不大于0.8mm-12ｄＢ，國內(nèi)學(xué)者對鈦合金顯微組織與超聲探傷雜波的對應(yīng)關(guān)系進行了研究[3 － 7]， 發(fā)現(xiàn)探傷雜波的高低不僅與組織中α 相和 β 相的含量及尺寸大小有關(guān)， 還與組織的均勻性、 織構(gòu)等密切相關(guān)，因此， 在鈦合金研制和生產(chǎn)過程中， 除組織和常規(guī)性能外， 對超聲探傷雜波水平也應(yīng)重點關(guān)注。
目前， 國內(nèi)制造葉片用TC4鈦合金棒材的熱加工工藝主要有精鍛和軋制， 但對 2 種加工方式下TC4鈦合金棒材組織和性能(包括超聲探傷雜波) 的綜合對比研究較少，為此， 對比分析了精鍛和軋制2 種加工方式下葉片用TC4鈦合金棒材的組織與性能， 并研究了精鍛溫度和變形量對棒材組織與性能的影響， 以期為優(yōu)化熱加工工藝， 制備滿足 GJB494A-2008要求的葉片用TC4鈦合金棒材提供參考。
1、實 驗
1.1 實驗材料
實驗材料為經(jīng) 3 次真空自耗電弧熔煉(ＶAＲ) ＋多火次墩拔鍛造制備的 ?95mmTC4鈦合金棒坯。
棒坯 β 相轉(zhuǎn)變溫度為 995 ℃， 化學(xué)成分如表 1 所示。
棒坯橫向組織由初生等軸α相和 β 轉(zhuǎn)變組織組成，為典型的雙態(tài)組織， 初生等軸α相含量超過 65％ ，如圖1所示。
1.2 方法與設(shè)備
將 ?95mmTC4鈦合金棒坯切割成等長度的棒料， 按照表 2 方案進行鍛造試驗: ① 在 940 ℃ 分別進行兩火精鍛、 一火精鍛 ＋ 一火軋制和兩火軋制， 得到規(guī)格為 ?30mm的成品TC4鈦合金棒材(中間道次規(guī)格均為 ?55 mm); ② 分別在 920、 960 ℃ 進行兩火精鍛試驗， 得到規(guī)格為 ?30mm的成品TC4鈦合金棒材; ③ 分別在 920、 940、 960 ℃ 進行一火精鍛試驗， 得到規(guī)格分別為 ?50、 ?65mm的成品TC4鈦合金棒材。
沿成品TC4鈦合金棒材橫向 Ｒ/2 處切取金相試樣和力學(xué)性能試樣，金相試樣經(jīng)磨拋后用腐蝕劑(ＨＦ、 ＨＮＯ3、 H2O 體積比為 1 ∶ 3 ∶ 6) 浸蝕， 采用蔡司 Aｘｉｏ Ｖｅｒｔ. A1 倒立式顯微鏡觀察顯微組織， 利用ＩｍAｇｅ-Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ 5. 0 圖像軟件分析初α相含量， 每個試樣至少觀察 5 個視場， 取平均值，力學(xué)性能試樣經(jīng) 800 ℃/1. 5h/AC退火后， 采用 Ｚｗｉｃｋ Ｚ330 試驗機進行室溫拉伸性能測試， 采用 Ｚｗｉｃｋ Ｚ100 試驗機進行 高 溫 拉 伸 性 能 測 試， 采 用 Ｚｗｉｃｋ ＲＭＴ-Ｄ10(100 ｋＮ)試驗機進行高溫持久性能和蠕變性能測試。
采用 ＵＳＰＣ7100 型探傷儀進行水浸超聲探傷檢驗，探頭為 ＩＳＳ/Ｇ/ Ｃ 10ＭＨｚ， ?0.8mm 平底孔。
2、 結(jié)果與分析
2.1 精鍛和軋制棒材的組織與性能對比
圖 2 是在 940 ℃ 分別進行兩火精鍛、 一火精鍛＋ 一火軋制和兩火軋制后得到的 ?30mmTC4鈦合金棒材的橫、 縱向顯微組織，從圖 2 可以看出， 棒材均為典型的雙態(tài)組織， 但不同加工方式獲得的棒材α相含量、 形態(tài)、 尺寸及分布存在一定差異，兩火精鍛棒材的初α相含量約為 65％ ， 縱向α相拉長明顯， 精鍛 ＋ 軋制和兩火軋制棒材的初α相含量較低， 分別約為 55％ 和 45％ ， 但縱向等軸性更，這是因為在相同的加熱溫度下， 精鍛棒材較軋制棒材變形時間長， 鍛造過程中發(fā)生了明顯的溫降，而軋制棒材變形時間短、 溫升明顯， 實際變形溫度高于精鍛棒材， 導(dǎo)致軋制棒材縱向初α相的等軸化程度更高，此外， 精鍛棒材的次α相多呈碎點狀或扭曲的條狀分布， 而軋制棒材的次α相多呈平直的長條狀分布， 這是由 2 種加工方式的特點決定的，精鍛變形道次間的持續(xù)時間長， 兩道次變形間隙會析出少量的次α相， 次α相在下一道次的鍛造過程中會發(fā)生破碎， 進而多呈碎點狀或扭曲的條狀分布， 如圖 2A、 2ｄ 所示，而軋制變形速度快， 組織中的次α相主要是在軋制變形結(jié)束后，在冷卻過程中從 β 晶界、 α/ β 相界或 β 晶粒內(nèi)高能缺陷處形成的， 且多呈平直的集束狀分布， 如圖2ｂ、 2ｅ 所示，與精鍛 ＋ 軋制工藝相比， 兩火軋制工藝的溫升更為明顯， 導(dǎo)致成品組織中初生等軸α相的含量較精鍛 ＋ 軋制工藝更少， 但次α相的厚度更大， 如圖 2ｃ、 2ｆ 所示。
兩火精鍛、 一火精鍛 ＋ 一火軋制和兩火軋制的?30mmTC4鈦合金棒材經(jīng) 800 ℃/1.5h/AC退火后的室溫拉伸、 高溫拉伸、 高溫持久和蠕變性能見表3，從表 3 可以看出， 在相同熱處理條件下， 精鍛和軋制棒材的室溫拉伸塑性、 高溫持久和蠕變性能差異較小， 但精鍛棒材的室溫強度和高溫強度明顯高于軋制棒材，這是因為精鍛棒材的初α相含量略高于軋制棒材， 且次α相多呈碎點狀或扭曲的條狀分布， 晶粒細(xì)小， 阻礙了位錯運動， 起到了細(xì)晶強化的作用。
表 4 是在 940 ℃ 分別進行兩火精鍛、 一火精鍛＋ 一火軋制、 兩火軋制后得到的 ?30mmTC4鈦合金棒材的超聲探傷雜波水平，從表 4 可以看出， 兩火精鍛棒材的探傷雜波水平為 ?0.8 mm-(9~12)ｄＢ，精鍛 ＋ 軋制、 兩火軋制棒材的探傷雜波水平均為?0.8 mm-(12~16)ｄＢ， 小于兩火精鍛棒材，這是因為軋制棒材初α相含量低， 次α相的集束尺寸增加， 相界面取向差減小， 組織更加均勻， 故探傷雜波水平低，從圖 2 也可以看出， 精鍛棒材的等軸α 相分布不均勻， 存在α相聚集現(xiàn)象， 導(dǎo)致超聲波信號散射加劇， 探傷雜波水平高于軋制棒材。
從以上組織、 性能和超聲探傷雜波水平的分析可知， 精鍛和軋制方式制備的棒材各有特點， 除超聲探傷雜波水平稍高外， 精鍛棒材的室溫強度和高溫強度優(yōu)勢明顯，因此， 為進一步提高TC4鈦合金精鍛棒材的組織與性能匹配， 開展了精鍛溫度和變形量對TC4鈦合金棒材組織與性能的影響研究。
2.2 精鍛溫度和變形量對組織與性能的影響
圖 3 是按照表 2 精鍛方案， 在不同溫度下精鍛得到的 ?30、 ?50、 ?65mmTC4鈦合金棒材的顯微組織，從圖 3 可以看出， 隨著精鍛溫度的升高， 棒材初α相含量從 920 ℃ 精鍛時的約 80％ 降低到940 ℃ 精鍛時的約 65％ ， 當(dāng)精鍛溫度繼續(xù)提高到960 ℃ 時初α相含量不足 50％ ， 但碎點狀或扭曲的條狀α相含量逐漸增多，這是因為精鍛溫度的升高加劇了初α相轉(zhuǎn)變[8]， 使鍛造過程中形成的碎點狀或扭曲的次α相更多，從圖 3 還可以看出，對于相同規(guī)格的TC4鈦合金棒材， 精鍛溫度越高，初α相的分布越均勻，相同變形溫度下， 精鍛變形量越大， 棒材組織越細(xì)小，α相發(fā)生扭曲和聚集的不均勻現(xiàn)象也更為明顯。
圖 4 是在不同溫度下精鍛得到的不同規(guī)格TC4鈦合金棒材經(jīng) 800 ℃/1.5h/AC退火后的室溫拉伸和高溫拉伸性能，從圖 4A、 4ｃ 可以看出， 精鍛溫度越低、 變形量越大， 棒材的室溫拉伸和高溫拉伸強度也越高， 這與組織中初α相和次α相的含量和形態(tài)有關(guān)，經(jīng) 920 ℃ 精鍛后的 ?30mm棒材， 初α相含量高， 次α相破碎明顯且多呈碎點狀分布， 其室溫拉伸和高溫拉伸強度最高，隨著精鍛溫度的升高， 初生等軸 α 相的含量逐漸減少， 呈碎點狀或扭曲條狀的次生α相含量逐漸提高，但在800 ℃/1.5/AC退火條件下， 次α相的形貌并未發(fā)生明顯變化， 因此影響棒材室溫拉伸和高溫拉伸強度的主要因素還是初生等軸α相的含量，在相同的精鍛溫度下， 精鍛變形量越大， 晶粒尺寸越小，棒材累積的位錯密度越高， 對應(yīng)的強度也越高，此外， 精鍛溫度和變形量對TC4鈦合金棒材的塑性影響并不明顯， 如圖 4ｂ 所示。
表 5 是在不同溫度下精鍛得到的不同規(guī)格TC4鈦合金棒材的超聲探傷雜波水平，從表 5 可以看出，920~960 ℃ 精鍛的 ?30mmTC4鈦合金棒材的探傷雜波水平為 ?0.8 mm-(9~12) ｄＢ， ?50mm棒材的探傷雜波水平為 ?0.8 mm-(12~16)ｄＢ， 可見相同精鍛溫度下 ?50mm棒材的探傷雜波水平低于 ?30 mm棒材，920 ℃精鍛的 ?65mmTC4鈦合金棒材探傷雜波水平為 ?0.8 mm-(12~16)ｄＢ， 但當(dāng)精鍛溫度提高到 940 ℃和 960 ℃時， 探傷雜波水平都降低到 ?0.8mm-(16~20)ｄＢ， 說明相同規(guī)格的TC4鈦合金棒材，
隨著精鍛溫度的提高， 探傷雜波水平逐漸降低， 而精鍛溫度一定時， 變形量越大，TC4鈦合金棒材的探傷雜波水平越高，這是因為超聲波探傷雜波的變化與TC4鈦合金棒材組織中初α相和次α相的含量、 尺寸和分布情況均有關(guān)，精鍛溫度越高， 精鍛變形量越小，TC4鈦合金棒材初α相的含量低且等軸性好， 次α相的含量高且片層較平直， 整體組織均勻性越好， 超聲波探傷時信號散射越小，雜波水平越低。
從以上分析結(jié)果可知， 隨著精鍛溫度的升高，TC4鈦合金棒材的探傷雜波水平逐漸減小，但精鍛溫度的提高會導(dǎo)致初α相含量降低(會對成品葉片的疲勞性能產(chǎn)生不利影響[9])， 室溫拉伸和高溫拉伸強度下降，因此， 針對葉片用TC4鈦合金棒材， 當(dāng)精鍛溫度為 940 ℃ 時， 棒材的探傷雜波水平可以達到 ?0.8 mm-9ｄＢ 以下， 初α相含量可以達到 65％左右， 性能保持在較高水平， 整體組織、 性能匹配較好。
3、結(jié) 論
(1) 與軋制工藝相比， 精鍛工藝制備的TC4鈦合金棒材室溫拉伸和高溫拉伸強度優(yōu)勢明顯， 但超聲探傷雜波水平稍高。
(2) 隨著精鍛溫度升高，TC4鈦合金棒材的初生等軸α相含量逐漸減少， 室溫拉伸和高溫拉伸強度下降， 但超聲探傷雜波水平逐漸減小，隨著精鍛變形量增大， 棒材晶粒尺寸逐漸減小， 室溫拉伸和高溫拉伸強度逐漸提高， 但組織均勻性變差， 超聲探傷雜波水平增大。
(3) 精鍛溫度選用 940 ℃ 時，TC4鈦合金棒材的組織和性能匹配較好。
參考文獻 Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ
[1] 陶春虎， 劉慶瑔， 劉昌奎， 等. 航空用鈦合金的失效及其預(yù)防[Ｍ]. 2 版. 北京: 國防工業(yè)出版社， 2013.
[2] 蔡建明， 曹春曉. 航空發(fā)動機鈦合金材料與應(yīng)用技術(shù)[Ｍ]. 北京: 冶金工業(yè)出版社， 2021.
[3] 張永紅， 李永春， 曹凱.TC4鈦合金板材雙晶探頭超聲波檢測[Ｊ]. 宇航材料工藝， 2012， 42(5): 72 － 75.
[4] 宋韋韋， 李本江， 宋增金， 等. ＴA15 鈦合金顯微組織對超聲探傷底波衰減的影響[Ｊ]. 鈦工業(yè)進展， 2021， 38(3): 35 － 40.
[5] 佟健， 邰文彬， 黨永豐， 等. 鈦合金棒材典型冶金次生缺陷超聲波探傷波形特征分析[Ｊ]. 鈦工業(yè)進展， 2018，35(4): 40 － 43.
[6] 李華， 馬英杰， 邱建科， 等.TC4鈦合金顯微組織對超聲波探傷雜波水平的影響[Ｊ]. 稀有金屬材料與工程，2013， 42(9): 1859 － 1863.
[7] 郭凱， 杜博生， 周中波， 等. 熱處理對 TC11 鈦合金棒材超聲波探傷的影響[ Ｊ]. 熱加工工藝， 2018， 47 (14):152 － 154.
[8] Ｓｕｎ Ｓ Ｄ， Ｚｏｎｇ Ｙ Ｙ， ＳｈAｎ Ｄ Ｂ， ｅｔ Aｌ. Ｈｏｔ ｄｅｆｏｒｍAｔｉｏｎ
ｂｅｈAｖｉｏｒ Aｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆTC4ｔｉｔAｎｉｕｍ A
ｌｌｏｙ[Ｊ]. ＴｒAｎｓAｃｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ ＭｅｔAｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ ＣｈｉｎA(yù)，2010， 20(11): 2181 － 2184.
[9] 劉慶瑔.航空發(fā)動機鈦合金葉片制造技術(shù)及失效分析[Ｍ]. 北京: 航空工業(yè)出版社， 2018.
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