TC4鈦合金異形件鍛件鍛造工藝及力學(xué)性能分析

通過研究了兩類鍛造工藝對(duì)航天用TC4鈦合金異形鍛件的顯微組織及拉伸性能的影響。其中Ⅰ類鍛造工藝中第一火及第二火加熱溫度均在β單相區(qū)，Ⅱ類鍛造工藝第一火加熱溫度在β相單區(qū)而第二火加熱溫度在(α+β)兩相高溫區(qū)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：I類鍛造工藝下最終得到具有粗大晶粒的片層組織，該類型組織強(qiáng)度及塑性均較低，不能滿足指標(biāo)要求；采用Ⅱ類鍛造工藝即第二火加熱溫度在高溫兩相區(qū)且采用大鍛造比可以獲得條狀a和細(xì)小等軸a構(gòu)成的細(xì)小的混合組織，該組織具有較好的拉伸性能，滿足指標(biāo)要求。鍛造時(shí)采用換向拔長(zhǎng)敏粗的方式能保證異形鍛件的宏觀組織均勻。

關(guān)鍵詞：鈦合金；異形鍛件；鈦合金鍛件

1、前言

鈦合金因具有比強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天、航空及船舶等領(lǐng)域，目前鈦合金中應(yīng)用最多的仍然是TC4合金。對(duì)于普通TC4鈦合金鍛件，生產(chǎn)工藝較為成熟，而航天某型號(hào)用TC4異形鍛件重量較大，性能指標(biāo)要求嚴(yán)格，鍛造工藝比較復(fù)雜。需要在生產(chǎn)過程中對(duì)該異形鍛件鍛造工藝進(jìn)行研究，總結(jié)出鍛造工藝對(duì)鍛件顯微組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，從而制定出最合適的鍛造工藝。

2、實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為TC4鈦合金，其主要合金成份見表1，相變點(diǎn)為980℃±10℃。合金鑄錠為中460mmx1350mm，首先相變點(diǎn)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(jìn)一步均勻化，而后鋸床下料。選用8件坯料進(jìn)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(duì)顯微組織及力學(xué)性能的影響。鍛件最終均在780℃保溫處理1小時(shí)后空冷，觀察各種鍛造工藝下的顯微組織，并測(cè)試其拉伸性能。西工鈦合金作為鈦合金材料專業(yè)制造商,在近20年中，專業(yè)提供鈦棒、鈦合金鍛件、鈦板等加工制造，產(chǎn)品有企標(biāo) QB、國(guó)標(biāo)GB、美標(biāo)ASTM、AMS系列，通過實(shí)踐整理出行業(yè)所需鈦鍛環(huán)、鈦餅材等鍛件的國(guó)家執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。

3、實(shí)驗(yàn)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(shí)后空冷，詳細(xì)鍛造工藝及鍛件拉伸性能見表2。其中編號(hào)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(hào)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(hào)1-4坯料工藝稱為Ⅰ類鍛造工藝，編號(hào)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(shí)，鍛件拉伸強(qiáng)度及塑性均較低，部分試樣拉伸性能不能達(dá)到指標(biāo)要求；而采用Ⅱ類鍛造工藝即一火單項(xiàng)區(qū)二火兩相區(qū)加熱時(shí)，鍛件強(qiáng)度及塑性均較好，所有試樣拉伸性能均能達(dá)到指標(biāo)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(duì)顯微組織及拉伸性能的影響。

3.1、鍛造溫度對(duì)顯微組織及力學(xué)性能的影響

鍛造過程中，加熱溫度、變形量及保溫時(shí)間對(duì)鍛件顯微組織和力學(xué)性能有重要的影響[2，3]，其中第一火鍛造的目的主要是進(jìn)一步細(xì)化組織及預(yù)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(xiàng)區(qū)進(jìn)行，而最后成品鍛造溫度即第二火次鍛造溫度對(duì)最終顯微組織及力學(xué)性能的具有重要影響。當(dāng)采用I類鍛造工藝即第二火鍛造溫度在單項(xiàng)區(qū)時(shí)，加熱過程中β晶粒進(jìn)步長(zhǎng)大，隨后的鍛造過程中晶粒得不到破碎，從而導(dǎo)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(biāo)要求。當(dāng)采用Ⅱ類鍛造工藝即第二火鍛造溫度在兩相區(qū)時(shí)，加熱過程中第一火次鍛造遺留下來(lái)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a片層得到進(jìn)一步球化，從而細(xì)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(biāo)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，能夠得到較好拉伸性能的Ⅱ類鍛造工藝加熱溫度均在高溫兩相區(qū)，距離相變點(diǎn)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(dāng)?shù)诙鸺訜釡囟仍趦上鄥^(qū)較低溫度且變形量較小時(shí)，鍛件表面組織不均勻，局部具有粗大品粒，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(shí)第一火次鍛造遺留下來(lái)的組織尤其是晶界不能完全細(xì)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(shí)，鍛造過程中鍛件兩端接觸錘頭導(dǎo)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大變形量時(shí)，能夠細(xì)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合金異形鍛件顯微組織及力學(xué)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(qiáng)烈影響。坯料鍛造成形時(shí)最佳工藝為兩火次成形的鍛造工藝：其中第一火次在p單相區(qū)加熱變形，用于進(jìn)一步細(xì)化組織及預(yù)成形；第二火次應(yīng)在兩相區(qū)較高溫度加熱，并且鍛造時(shí)要求具有較大的變形量，目的是獲得較細(xì)及均勻的顯微組織，從而具有較好的力學(xué)性能。鍛造時(shí)采用換向鐓粗拔長(zhǎng)的鍛造方式，能夠保證異形鍛件具有均勻的宏觀組織。

參考文獻(xiàn)Referen ees

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作者：閻彩文，吳金滿，許永光，王晶

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