1、引言

鈦合金是二戰以后發展起來的新型金屬結構材料。其主要特點是比重小、強度高，因而比強度高，同時具有良好的耐熱、耐腐蝕性能．是現代飛機受力構件的主選材料。隨著時間的推移，鈦合金在飛機的結構重量占的比例越來越大。TC4(即Ti-6AL-4V)產量占鈦合金總產量的一多半，TC4鈦合金鍛件在新型飛機中的用量亦越來越大，并且人們對鈦合金各方面性能的了解越來越清楚，對其性能要求越來越科學、準確。例如，在Y7-200A鈦合金鍛件生產時要求全面貫徹Hβ5432-89(飛機用TC4鈦合金鍛件)標準，該航標比公司以前執行的技術協議要求更全面、準確，僅TC4鈦合金室溫力學性能要求就不大一樣，41廠在按航標進行TC4鈦合金鍛件試生產時，發現有幾項鍛件性能指標不合格，主要是“缺口應力斷裂”指標小于5小時，而該項指標在以前鍛件生產的技術協議中并沒有要求。針對存在的問題開展了TC4鈦合金鍛件性能的工藝改進工作。

2、TC4鍛件缺口應力斷裂不合格原因分析

鈦合金按退火組織可分為α型、β型和α+β型三種。α型鈦合金中的鈦為密排六方晶格，稱α-Ti。β型鈦臺金中的鈦呈體心立方晶格，稱β-Ti。α-Ti強度高、耐熱性較好。但由于是密排六方品格，塑性較差、變形抗力較大，壓力加工較為困難。β-Ti的耐熱性較差，但工藝性好，易于加工。α-鈦合金的性能對應于α-Ti，它的主要優點是耐熱性較高，組織穩定，缺點是不能熱處理強化。β型鈦合金的性能對應于β-Ti，其優點是工藝塑性高，加工成型容易，熱處理后能達到很高的強度，缺點是合金復雜熔煉比較困難、性能不夠穩定、耐熱性較差、易被氣體污染。α+β型鈦合金兼有α型和β型鈦合金的優點，即具有較高的耐熱性、熱加工比較容易，并能熱處理強化，基本相α和β的比例、性質和形態決定合金的機械性能。包括缺口應力斷裂指標。

2.1 TC4鈦合金的金相組織形態特征

TC4鈦合金屬α+β型鈦合金，它的組成為Ti-6AL-4V，退火組織為α+β相，它含有6％的α穩定元素鋁，通過固溶強化使d相的強度得到提高，釩穩定β相的能力較小，因此退火組織中β相的數量較少，大約占7~10％。

TC4鈦合金在不同的熱處理和熱加工條件下，其基本相α、β的比例、性質和形態是很不相同的。TC4合金的β轉變溫度在1000℃左右，若將TC4加熱到950℃，空冷后所得組織為初生α+β轉變組織，如果加熱到1100℃、空冷，則得到粗大的完全轉變的β相組織，稱為魏氏組織。如果加熱和變形聯合作用，對TC4合金的組織和性能的影響更為顯著，如果將TC4合金加熱到β轉變溫度以上，但變形較小，所得的組織的特征是原始的β晶界完整，晶粒比較粗大，晶內的片狀(或針狀)α相按一定位相排列，即形成魏氏組織。相應于這類組織的性能特點是：塑性、沖擊韌性較低，但抗蠕變能力較好。如果開始變形溫度在β轉變以上，但變形程度足夠太，則得到的魏氏組織的特征是：α相勾劃出的β晶界不同程度被粉碎，因而不完整、不清晰，條狀α相不同程度被扭曲，這種組織被稱為網籃狀組織。相應于這類組織的性能特點是塑性、沖擊韌性較魏氏組織較好．接近或相當于等軸細晶組織，高溫持久和蠕變性能也較好。如果加熱溫度低于β轉變溫度，而且變形程度足夠，所得組織特征是在等軸組織α相的基體上分布有一定數量的小島狀的β相或β轉變組織．即得到所謂等軸組織。這種組織的性能特點是綜合性能較好，特別是塑性和沖擊韌性較高。如果在α+β相區高溫部分變形后又經高溫退火(退火溫度接近β轉變溫度)，就得到混合型組織，即在β轉變組織基體上分布一定數量的等軸α相(或初生α相)，這類組織的性能是綜合性能好。

從以上對金相組織的分析可以看出，若TC4性能下降，可能由鍛造過程中兩個環節引起：

①加熱溫度過高，達到或超過β轉變溫度；

②鍛件變形程度不夠大。

2.2從鍛造工藝上分析

TC4鈦合金如果始鍛溫度超過合金的β轉變溫度，由于β晶粒劇烈長大，鍛后形成魏氏組織。在機械性能上的反映是，鍛件的室溫塑性很低，不合技術要求，鍛造溫度對α+β鈦合金的β晶粒尺寸與室溫性能的影響是隨著溫度的提高(β相轉變以上)β晶粒變大，而延伸率和斷面收縮率變小。這種由于鍛造溫度超過合金的β轉變溫度，而使鍛件晶粒長大，塑性下降的現象，稱為β脆性。因此，對于α+β鈦臺金，為了避免β脆性，同時使鍛件具有良好的綜合性能，應在其β轉變溫度以下鍛造。鈦合金的β轉變溫度不僅與合金的成份有關，而且即使同一牌號的合金其β轉變溫度也可能隨爐而異。

鈦合金變形抗力比較高，而其導熱性又比較差(鈦合金的導熱性為鋼的1/5，鋁合金導熱性的1/15)。因此，在合金劇烈流動和過重錘擊下，由于變形效應可能使鍛件個別部位的溫度顯著上升，若此溫度超過β轉變溫度，則會引起不希望的后果。

變形程度對鈦合金的性能也有影響，變形程度過大、過小都會引起晶粒粗大，造成性能下降。因此，鈦合金鍛造時，每一火的變形程度應大于15~20％，小于85％。

由以上分析．可以初步確定出可能引起TC4鈦合金性能不合格的幾個因素：

①鍛坯加熱時溫度過高、超過了該批鍛件的β轉變點：

②成份偏差，致使該批鈦棒的β轉變點降低，使得鍛坯在正常溫度下加熱就超過了β轉變點：

③鍛造時單次錘擊過重，致使單次變形程度過大，從而引起局部過熱和聚集再結晶，使TC4鈦合金性能下降：

④鍛后熱處理溫度過高，使TC4鍛件溫度接近和超過了β轉變點。使熱處理后的鍛件組織呈魏氏組織．從而降低了鍛件性能。

3、試驗研究

3.1試驗參數的選取和試驗結果

針對以上分析，改變TC4合金的鍛造工藝參數進行試驗(試驗參數見表1)，同時在錘上鍛造過程中，注意輕打快打。

試驗結果：所有性能指標均合格，其中“缺口應力斷裂”指標均大于5小時。

3.2試驗結果分析

①從爐溫及始鍛溫度看，加熱溫度并沒有過高，即 使再超過20℃也能鍛制出合格鍛件；

②熔煉爐號534—102127與出問題的鍛件爐號完全一樣，在加熱溫度高20℃的條件下，仍鍛制出合格 產品，說明原材料無成份偏析；

③試驗中改變了過去錘上鍛造時，單次錘擊過重的作法，輕打快打，所以這次試驗件性能達標，輕打快打是改善鍛件性能的一個重要因素；

④鍛后熱處理溫度比原參數降低20℃，也可能是改善鍛件性能因素的一個方面，因為從溫度上看，若爐溫由于控溫偏差達到795℃，這就超過了HB/Z137和生產說明書所規定的780℃，從而導致鍛件性能下降。

3.3試驗結果驗證

為了進一步驗證以上試驗結果，又結合生產作了一個試驗(試驗參數見表2)。在錘上鍛造時，仍然注意輕打快打。

試驗結果表明鍛件檢測全部合格，其中“缺口應力斷裂”指標均大于5小時。

攻關前后TC4鈦鍛件力學性能見表3

4、結論

在貫徹HB5432—89進行TC4鈦合金鍛件生產時，應嚴格控制鍛造的工藝參數，首先應注意在鍛造中輕打快打，降低單次錘擊變形量，第二，鍛后熱處理溫度名義值不應達780℃，而應在770℃以下，為了取得較好的綜合機械性能下限溫度不能低于760％，其他溫度范圍有待進一步驗證。總之，通過對TC4鈦合金鍛造工藝參數的試驗研究，保證了TC4鍛件的正常生產。

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