航空工業(yè)用鈦合金鍛造工藝分析及應用實例

1、概述

隨著我國國民經濟、科學技術的大發(fā)展,航天、航空工業(yè)近年迎來了新的發(fā)展契機,尤其在國家“大飛機”項目立項后,民用航空制造產業(yè)將成為引領國民經濟發(fā)展的新的經濟增長點,有著廣闊的發(fā)展前景。民用航空制造企業(yè)為了不斷提高飛機的先進性、可靠性、適用性,增加國產飛機的國際市場競爭力,對航空制造材料的選擇要求越來越高;鈦合金的主要特點是比重小,強度高,同時具有良好的耐熱、耐腐蝕性能,成為現(xiàn)代飛機受力構件的主選材料,大大減輕了飛機重量,其中TC4(Ti-6AL-4V)和TB6鈦合金鍛件在航空制造中應用較多。

2、鈦合金及鍛造工藝的分類

根據(jù)室溫顯微組織,鈦合金可分為三種類型:α型合金、α+β型合金和β型合金,其中α和α+β型合金的熱塑性與變形速度關系不大,而β型合金有良好的可鍛性但溫度過低可能引起α相沉淀。鈦合金鍛造工藝按鍛造溫度與β轉變溫度的關系,分為常規(guī)鍛造與高溫鍛造。

2.1 鈦合金的常規(guī)鍛造

常用變形鈦合金通常都是在β轉變溫度以下鍛造的,稱為常規(guī)鍛造。根據(jù)坯料在(α+β)相區(qū)加熱溫度的高低,可細分為上兩相區(qū)鍛造與下兩相區(qū)鍛造。

2.1.1 下兩相區(qū)鍛造

下兩相區(qū)鍛造一般是在β轉變溫度以下40～50℃加熱鍛造,此時初生α相和β相同時參與變形。變形溫度愈低,參與變形的α相數(shù)量愈多。與β區(qū)變形相比,在下兩相區(qū)域β相的再結晶過程急劇加快,再結晶形成的新的β晶粒不僅沿變形的原始β晶界上析出,而且在β晶界內和α片層間的β中間層內出現(xiàn)。經這種工藝生產的鍛件強度很高,塑性較好,但其斷裂韌性與蠕變性能還有很大潛力。

2.1.2 上兩相區(qū)鍛造

它是在β/(α+β)相變點以下10-15℃的溫度下始鍛。其變形后的最終組織含有較多的β轉變組織,可提高組織的蠕變性能和斷裂韌性;使鈦合金塑性、強度、韌性兼得。

2.2 鈦合金的高溫鍛造

也稱為“β鍛”,分為兩種:第一種是坯料在β區(qū)加熱,在β區(qū)開始并完成鍛造的工藝方法;第二種是坯料在β區(qū)加熱,在β區(qū)開始鍛造,并控制很大變形量在兩相區(qū)完成鍛造的工藝方法,簡稱為“亞β鍛”。與兩相區(qū)鍛造相比,β鍛造能得到較高的蠕變強度和斷裂韌性,還有利于鈦合金周疲勞性能的提高。

2.3 鈦合金的等溫模鍛

該種工藝利用了材料的超塑性及蠕變機理來生產較復雜鍛件,要求模具預熱并保持在760～980℃的范圍內;液壓機以預定的值施加壓力,壓力機的工作速度由毛坯的變形抗力自動調節(jié)。由于模具改為加熱的,不需要采用那么快的活動橫梁去避免急冷。飛機上用的許多鍛件都具有薄壁和肋高的特征,故在航空制造中該種工藝得到了應用,如國產某型機的TB6鈦合金等溫精模鍛件工藝。

3、TC4鍛件缺陷分析及工藝改進

3.1 TC4鍛件缺陷的出現(xiàn)及分析

某廠按航標進行TC4鍛件試生產時,檢測出試件幾項鍛件性能指標不合格,其中“缺口應力斷裂”指標小于5小時,針對此問題,首先應從TC4的金相組織形態(tài)分析,然后從鍛造工藝找原因。

3.1.1 TC4的金相組織形態(tài)特征

TC4鈦合金屬α+β型鈦合金,組成為Ti―6AL―4V,退火組織為α+β相,含有6?的α穩(wěn)定元素鋁,通過固熔強化使α相的強度得到提高,釩穩(wěn)定β相的能力較小,因此退火組織中β相的數(shù)量較少,大約占7-10。

TC4合金在不同的熱處理和熱加工條件下,基本相α、β的比例、性質和形態(tài)是很不同的。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。如果加熱和變形同時作用,影響更加明顯,將TC4合金加熱到β轉變溫度以上,但變形較小,即形成魏氏組織。其組織特征是: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,但變形程度足夠大,則得到的組織特征是:α相勾劃出的β晶界部分被粉碎,條狀α相部分被扭曲,稱為網籃狀組織。其特征是塑性、沖擊韌性較魏氏組織好,近似于等軸細晶組織,高溫持久和蠕變性能較好。如果加熱溫度低于β轉變溫度,且變形程度足夠,即得到等軸組織。其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(qū)高溫部分變形后又經高溫退火就混合型組織,其綜合性能好。

從以上對金相組織的分析可判斷若TC4性能下降,可能由鍛造過程中兩個環(huán)節(jié)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。

3.1.2 TC4鍛造工藝分析

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,塑性下降;為了保證TC4鍛件具有良好的綜合性能,應在β轉變溫度以下鍛造。鈦合金變形抗力較高,但導熱性較差;鍛造時在合金劇烈流動和過重錘擊下,產生的變形可能使鍛件個別部位溫度超過β轉變溫度,還有變形程度過大、過小等因素都會引起晶粒粗大,使性能下降。綜合上述可初步確定可能引起TC4鍛件性能不合格的原因:

①該批鍛坯加熱時溫度過高、超過β轉變點;

②鍛造時單次錘擊過重,使單次變形程度過大,引起局部過熱和聚集再結晶,使性能下降。③鍛后熱處理溫度過高,使TC4鍛件溫度超過了β轉變點,形成魏氏組織,降低鍛件性能。3.2 TC4鍛造工藝參數(shù)改變及試驗結果

3.2.1 試驗參數(shù)的選取和結果

針對以上分析,改變TC4鍛造工藝參數(shù)同時鍛造時注意輕打快打。(注:下料尺寸￠50×113,鍛件尺寸50×65×65)

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。

3.2.2 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℃仍可鍛出合格件。

(2)試驗中采用單次錘擊輕打快打,試驗鍛件性能達標,證明輕打快打是改善鍛件性能的一個重要因素。

(3)鍛后熱處理溫度比原參數(shù)降低20℃,也可能是改善性能的一個因素,因為從溫度上看,若爐溫由于控溫偏差達到795℃,這就超過了生產說明書規(guī)定的780℃,就會導致鍛件性能下降。

3.2.3 試驗結果驗證及結論

為了進一步驗證試驗結果,又結合生產作了一個試驗,在錘擊時仍保持輕打快打的方法;結果鍛件檢測全部合格,“缺口應力斷裂”指標均大于5小時。

試驗前后TC4鈦合金鍛件力學性能見上。通過試驗得出結論:在進行TC4鈦合金鍛件生產時,應嚴格控制鍛造的工藝參數(shù);首先注意鍛造中輕打快打,降低單次錘擊變形量,其次鍛后熱處理溫度理論值應定在760～770℃范圍內,這樣才能保證TC4鍛件的鍛造質量。

4、鈦合金鍛造工藝的發(fā)展前景

鈦合金的鍛造工藝廣泛應用于航空、航天制造業(yè),等溫鍛造工藝已用于生產發(fā)動機的零件和飛機結構件上;也越來越受到汽車、電力和艦船等工業(yè)部門的歡迎。在國外,鈦合金的應用已發(fā)展到很高的水平,應用于更高溫度的TiAL合金及金屬間化合物已被人們所重視,并進行了大量的研究;為了更好地應用這些材料,同時對其變形工藝的也做了許多研究。人們還越來越重視對更高強度的亞β型鈦合金的研究。鈦合金的應用及鍛造工藝的研究仍將是一項熱門的課題。