鍛造工藝對大規(guī)格TC11鈦合金環(huán)件的力學性能與組織影響

TC11鈦合金的名義成分為Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.25Si，是一種綜合性能良好的α+β型熱強鈦合金。這種合金具有優(yōu)異的熱強性能，主要用于制作工作溫度在500℃以下的 關(guān)鍵零部件，是目前航空發(fā)動機的壓氣機盤、葉片及武器裝備上應用最廣泛的鈦合金之一。本文主要針對大規(guī)格TC11鈦合金環(huán)件的組織均勻性差、力學性能匹配差等問題，通過不同變形鍛造工藝對比，研究其對室溫力學性能、顯微組織的影響。制定合理可行的工藝方案，從而最終獲得各個部位組織均勻一致、力學性能完全符合標準及用戶使用要求的Φ640*420*45mm大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件。

1、試驗材料及實驗方法

1.1試驗材料

試驗材料選用攀鋼集團攀枝花鈦材有限公司的優(yōu)質(zhì)細顆粒海綿鈦及合金原材料，真空等離子焊接的自耗電極采用三次真空自耗電弧爐熔煉，熔煉鑄錠尺寸為Φ750mm，試驗材料的化學成分符合GB/T3620-2007標準要求。試驗材料的（α+β）/β轉(zhuǎn)變溫度為1025~1030℃。

1.2試驗方法

試驗材料采用同一成分的鑄錠，在攀鋼集團攀枝花鈦材有限公司江油分公司的45MN鍛壓機上鍛造，執(zhí)行相同的鑄錠開坯工藝后鋸切平分三節(jié)后分別按A、B、C三種工藝方法進行Φ640*420*45mm大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件鍛造，鍛造變形工藝見表1。

2、試驗結(jié)果與討論

2.1低倍組織分析

通過上述三種鍛造方案鍛制的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件的低倍組織，見圖1。

從圖中可以看出，工藝A鍛造的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件的低倍組織有明顯的清晰晶，而工藝B、C鍛造的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件低倍組織為模糊晶。通過β鍛造開坯的坯料，經(jīng)過兩相區(qū)內(nèi)總鍛造變形超過80%后，低倍組織由清晰晶向模糊晶轉(zhuǎn)變。

2.2力學性能分析

大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件經(jīng)950℃/1.5h.AC+530℃/6h.AC熱處理后，分別在三種鍛制工藝得到的成品環(huán)件的外邊緣、中心、內(nèi)邊緣位置取橫向試樣，見圖2，進行室溫力學性能檢測，檢測結(jié)果見表2。

從表2可以看出，工藝A鍛造的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件在同一截面相鄰的各部位力學性能差異較大，中心部位的強度及塑性都高于環(huán)件內(nèi)外邊緣，中心與環(huán)件內(nèi)外邊緣相比較，抗拉強度相差約為25MPa。經(jīng)分析認為，這是由于鍛造變形（鐓粗、擴孔）過程中心部位變形更充分，組織更細小。而按工藝B、C鍛制的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件同一截面上內(nèi)邊緣、中心、外邊緣各點力學性能均無明顯差異，環(huán)件整體力學性能均勻性較好，抗拉強度差小于10MPa。工藝B、C鍛制的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件室溫力學性能明顯優(yōu)于工藝A鍛制的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件。分析原因為工藝B、C在兩相區(qū)內(nèi)變形量相同且高于工藝A，各個部位的變形更充分，組織更均勻、更細小。而細小組織可以起到“細晶強化”作用

2.3顯微組織分析

分別對上述三種鍛造工藝所得到的成品環(huán)件在其對應的內(nèi)邊緣、中心、外邊緣各點取橫向試樣，得到各部位的顯微組織，如圖3所示：

從圖3中可以看出，按工藝A鍛制的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件在同一截面上內(nèi)、外邊緣的組織為少量等軸α+大量長條α+轉(zhuǎn)變β，中心組織為大量等軸α+少量長條α+轉(zhuǎn)變β，因中心部位含有大量的等軸α其塑性相對較高；工藝B鍛制的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件在同一截面上內(nèi)、外邊緣為等軸α+轉(zhuǎn)變β，初生α含量在50%左右，心部為等軸α+拉長α+轉(zhuǎn)變β，初生α含量在30%左右，認為心部拉長α的產(chǎn)生原因為環(huán)件在鐓粗過程中，其心部變形劇烈，溫度升高造成的組織晶粒長大；工藝C鍛制的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件在同一截面上為

均勻的等軸α+短棒狀α+轉(zhuǎn)變β，初生α含量在30~40%之間，認為減少“鐓粗-擴口”的變形過程，能有效防止心部溫度劇烈升高，變形均勻性更好，其組織均勻性優(yōu)于工藝A、B。工藝B、C有較高的機械力學性能是由于具有特殊組織形態(tài)有關(guān)，該組織的特點是在轉(zhuǎn)變β基體上分布著等軸α及短棒狀α，能提高材料的機械力學性能。

這是由于工藝B、C鍛制的大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件在兩相區(qū)內(nèi)變形更充分，鍛造過程變形均勻，且變形量大于80%，已滿足把單相區(qū)不均勻變形生產(chǎn)的少部分的不均勻組織進行充分的變形，所以得到了組織均勻性好的TC11合金Φ640*420*45mm大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件。

3、結(jié)論

（1）通過β鍛造開坯（變形量大于60%）和兩相區(qū)內(nèi)大變形，變形量大于80%的鍛造工藝，可以獲得組織均勻性好、力學性能完全符合標準及用戶使用要求的φ640*420*45mm大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件。

（2）大規(guī)格鈦合金TC11環(huán)件在兩相區(qū)鍛造后進行多重退火（950℃/1.5h.AC+530℃/6h.AC），可以獲得具有等軸初生α+短棒狀α+轉(zhuǎn)變β，初生α含量在30~50%之間的組織，具有足夠高的塑性，滿足使用要求。

（3）在兩相區(qū)內(nèi)成品鍛造工藝取采用“拔長（變形≥70%）→鐓粗→沖孔→擴孔、整形”相比“拔長（變形≥50%）→鐓粗→沖孔→擴孔、整形→鐓粗→擴孔、整形”，其鍛造變形流程縮短，操作難度減低。

參考文獻：

［1］《中國航空材料手冊》編輯委員會，《中國航空材料手冊》第2版第4卷，2002.（1）

［2］王小龍，董潔，權(quán)亞平，白文輝.TC11鈦合金Φ320mm棒材鍛造工藝研究.中國鈦業(yè)，2011，（3）

［3］王瑩，何明，張寶昌.β和近β熱處理對TC11鈦合金組織和性能影響的研究.稀有金屬，1986，（6）