鈦合金因其優異的綜合力學性能,在航空航天、兵器裝備、海洋工程、石油化工和醫療健康等領域的應用日益廣泛[1-5]。鍛造是獲得各種性能優異的鈦合金產品的主要手段。隨著對鈦合金材料的使用要求不斷提高,其高合金化、變形抗力大、鍛造窗口窄和鍛透性差等特性對鍛造工藝及變形過程控制均提出了更高的要求。對于難變形鈦合金,生產過程中易產生多種鍛造缺陷,給生產效率、成材率和產品質量等帶來較大影響,嚴重時可導致產品報廢[6]。鑒于此,對公司曾經發生的難變形鈦合金鍛造缺陷實例及相應的鍛造工藝過程控制和優化改進等展開分析討論和實踐驗證,以不斷提升公司難變形鈦合金的鍛造水平和產品質量,并為行業存在的難變形鈦合金鍛造缺陷解決及預防提供一定的參考和幫助。
1、鍛造缺陷描述
1.1 開裂缺陷
開裂是鈦合金鍛造中比較常見的一種缺陷,開裂形式多樣,危害嚴重。航空發動機用Ti3Al和Ti2AlNb等金屬間化合物以及IMI834、T9S和高氧TC4等難變形鈦合金牌號,在鍛造過程中極易發生開裂且裂紋較難清除,部分塑性差的合金還存在邊打磨邊開裂的現象,嚴重影響生產效率和產品質量。
某民用3t級T9S鈦合金板坯第1火1150℃一鐓一拔后,在第2火1100℃打扁方拔長時側面發生多處橫向開裂,裂口較長較寬,見圖1a。某高氧含量TC4鈦合金(O含量(質量分數)接近0.20%)在2000t快鍛機開坯、鍛造至Φ100mm后轉5t電液錘多火次打四方、倒棱拔長并滾圓成形至Φ65mm棒材,在鋸切面發現嚴重內裂,裂紋較寬較深,呈不規則“十”字形,具體形貌見圖1b。
1.2 心部粗晶
某α+β鈦合金Φ300mm以上大規格棒材在2000t快鍛機經多火次鐓拔、拔長和滾圓成形后,鍛態低倍檢查發現四周晶粒細小,為模糊晶,心部晶粒粗大,呈半清晰晶,粗細晶粒區存在明顯界限,見圖2a。某航空用Ti6246鈦合金Φ150mm棒材,其探傷要求按AA級驗收,坯料經多火次鐓拔改鍛、打扁方、銑削后超聲探傷監控,心部雜波為Φ1.2(+5~+7)dB,邊部雜波為Φ1.2(-10~-6)dB,心部晶粒異常粗大,且按照傳統打四方、倒八方拔長方式增加火次,心部粗晶不僅難以消除,反而越來越嚴重,見圖2b。
1.3 細晶亮帶
為得到均勻細化的等軸β晶粒,某新型近β鈦合金試驗料在2000t快鍛機完成單相區1120℃開坯,并逐火次以20~50℃降低至850℃,進行鐓粗、打扁方鍛造工藝,發現晶粒逐漸細化,除局部點狀偏析夾雜外,并無異常。但鍛造成形前,低倍檢查發現異常,升溫到930℃多火次返修,心部異常仍存在。由圖3a可看出:邊部晶粒正常,呈半清晰晶、大小均勻性尚可;而心部異常,存在明顯亮帶區域,且范圍較大、界限清晰。將邊部正常和心部異常部位,即圖3a中方框標識A和B處取試樣進行顯微組織檢查,邊部晶粒尺寸約50~150μm,均勻性略差,但彎曲狀β晶界清晰可辨;心部晶粒細小,未見晶界存在,見圖3b和圖3c。后期返修結果證實,該細晶亮帶比較頑固,較難返修成功。
1.4 變形流線明顯
某亞穩β鈦合金棒坯,在2000t快鍛機完成單相區3火次鐓拔鍛造(打四方、倒棱拔長),進行低倍監控時發現存在清晰的變形流線,詳見圖4。
由圖4可以看出,該鈦合金坯料四面呈近似半圓弧形對稱壓入坯料內部,宏觀低倍組織沿四方對角線呈清晰的不規則“十”字形,且“十”字形內纖維狀花紋組織明顯。
1.5 陰陽面
某四方鈦合金坯料鍛造過程中,長度方向上走料不均勻,一面走料快,相對一面走料慢。鍛造結束后,坯料長度方向不一致,側面呈梯形,長度差可達總長度的10%~20%,詳見圖5。發現陰陽面后,將坯料立起鐓粗約20%并拔長修整,可以一定程度上減輕長度差異,但效果并不理想,坯料陰陽面不能完全消除。如果最后一火成形發生該類缺陷,有可能因為較短一面長度不夠而導致產品報廢。
2、鍛造缺陷產生原因分析
2.1 開裂原因分析
1.1節所述Ti3Al和Ti2AlNb等鈦合金牌號屬于難變形鈦金屬間化合物,含有質量分數為13%以上的Al、25%以上的Nb,以及少量其他合金元素,高合金化使得材料的塑性差。此外,鍛造過程中坯料表面溫降及氧化也是導致其嚴重脆性開裂的主要原因,裂紋較深且較難清除,存在遺傳性特點,多火次連續開裂[7]。圖1a為某T9S鈦合金爐號,其化學成分配比為Ti-8.1Al-1.2V-0.25Fe-0.22Si-0.12O,合金成分中Al含量高達8.1%(質量分數),先天性易開裂,鍛造過程中表面氧化和溫降等原因致其開裂加重。某高氧TC4棒材內裂的主要原因為:O含量高,接近0.20%(質量分數);坯料截面尺寸在100mm以下,5t電液錘打四方、倒棱拔長,倒棱、掉頭不及時,棱角處降溫快,心部散熱不充分,導致最大剪切帶的十字花紋中產生內裂。
2.2 心部粗晶原因分析
1.2節所述某α+β鈦合金的β轉變溫度Tβ為880~890℃,過程坯料尺寸在Φ400mm以上。通過對其生產過程進行追溯,分析其心部粗晶的產生原因,其在1150℃開坯鍛造,單相區第3火(Tβ+80℃)加熱鍛造后直接轉兩相區(Tβ-40℃)加熱改鍛。一是經單相區3火次鍛造,晶粒仍比較粗大;二是快鍛機壓力為2000t,坯料規格較大,轉兩相區加熱溫度驟降,變形抗力增加,四方、八方拔長僅表面變形,變形力難以傳遞到坯料心部,心部粗大晶粒破碎不充分而被遺留下來。Ti6246高溫鈦合金(名義成分為Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo)的需求多為Φ100~Φ210mm大規格棒材,心部粗晶產生原因為:(1)該合金的變形抗力大、鍛透性差;(2)兩相區鍛造,心部為劇烈變形區,且熱導率低、散熱慢,易溫升過熱;(3)單純增加常規鍛造火次,變形不均勻程度累加,心部晶粒越來越粗。
2.3 細晶亮帶原因分析
對1.3節所述的鈦合金β鍛造過程進行追溯,發現該厚度為220mm的合金坯料的β轉變溫度Tβ僅為827℃,在800℃預熱110min(加熱系數按0.5min·mm-1計算)后升溫至850~930℃保溫45~65min(加熱系數按0.2~0.3min·mm-1計算),加熱溫度偏低,但坯料已充分熱透[8]。結合該合金坯料的鍛造過程控制和宏觀、顯微組織檢測結果,缺陷產生的主要原因為:工藝設計中每火次變形量偏大(至少兩拔一鐓甚至兩鐓兩拔);該近β合金表面降溫快,尤其是第2次拔長時,料溫已明顯偏低,坯料表面的變形抗力增大,流動性差,晶粒破碎不充分;β區鍛造時,心部散熱慢,料溫高,抗力小,變形相對劇烈,晶粒破碎比較充分。多火次變形差異累積,最終導致心部晶粒較邊部細小,反映在宏觀組織上即呈現亮帶區域。
2.4 變形流線明顯原因分析
1.4節所述某β鈦合金的名義成分為Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr,其β轉變溫度Tβ僅為730℃,通過分析,發生變形流線明顯缺陷的主要原因為:(1)加熱溫度850℃偏低,恰逢冬季廠房溫度低,坯料表面降溫快,變形抗力大,流動性小;(2)打四方、倒棱拔長方式單一;(3)合金化程度高,β穩定元素Mo的熔點高,存在一定程度上的宏觀偏析。微觀上是由于經過大量變形,金屬發生云紋狀流動,而未再結晶的反常粗大的β晶粒獲得了空間彎曲和相互交織的纖維形狀并最終導致缺陷產生[9]。
2.5 陰陽面原因分析
1.5節所述某鈦合金坯料出現陰陽面缺陷的主要原因為:料溫不均勻,測溫儀現場監測發現料溫較高一面比其他面高出50~100℃,冬季廠房溫度低,此現象尤為嚴重。現場觀察料溫不均勻主要是坯料出爐慢導致的,即爐門被提起的一瞬間,爐膛溫度開始降低,坯料四周暴露在空氣中開始降溫,但接觸爐底耐火磚部位降溫慢,一旦夾料不順利,起料超過10s,坯料便會產生溫差;其次,多次出爐,爐膛的整體溫度偏低,尤其靠近爐門處坯料表面溫降最嚴重,但與爐底接觸部位的溫降少,溫差越來越大;最后,鍛造過程走料不均勻,修整效果不明顯,最終導致坯料產生陰陽面缺陷。
3、鍛造缺陷預防措施
3.1 開裂預防
針對1.1節所述Ti3Al、Ti2AlNb和T9S等塑性差、易開裂的材料,可采取以下措施預防鍛造開裂:
(1)加熱過程中在坯料表面噴涂適宜的防氧化劑涂料,減少加熱表面氧化;(2)確保工裝預熱至規定溫度(350~400℃,較其他常規鈦合金鍛造工裝預熱溫度高100℃左右),推薦采取包棉鍛造,鍛造過程及時添加保溫棉,減少表面熱量損失,確保鍛造終鍛溫度;(3)開坯及前3火次加熱溫度盡量高(1100~1200℃),設備噸位及變形力足夠大,提升鍛造操作水平,利用溫升抵消溫降[10];(4)打磨開裂格外注意,可采取先大砂輪機打磨裂紋,待裂紋變淺后,轉手動小砂輪機打磨,打磨力度足夠小,禁止出現局部過熱導致冷卻后裂紋處因應力原因繼續開裂,必要時,待坯料冷卻至室溫后進行著色檢查。最后,對此類合金進行鍛造時,推薦采用連續鍛造(確保坯料溫度始終保持在約200℃),因為根據現場經驗,坯料如果完全冷卻后再裝爐加熱鍛造,其開裂程度會比連續鍛造嚴重。難變形鈦合金包棉鍛造過程及鍛造開裂情況見圖6,由圖6a可以看出,包棉鍛造過程料溫損失小,表面開裂少。包棉鍛造結束后,坯料表面開裂明顯減少,見圖6b。
對于1.1節所述TC4等小規格棒材(直徑小于Φ90mm),首先打四方拔長鍛造時,棱角處冷卻最快,而鍛造過程需多次翻轉棒坯,需及時倒棱,以免產生尖銳角。此外,錘上鍛造時,需不斷調節錘擊力,開始階段要輕打,變形程度為5%~8%,隨后再逐步加大變形量[11],推薦采用多道次連續甩圓拔長的方式進行鍛造。最后,坯料需要掉頭鍛造部位存在溫差,容易導致內裂,將坯料夾持部位包棉并及時掉頭鍛造。兩相區的加熱溫度低(β轉變溫度Tβ以下40~50℃),對組織性能影響不大,后續仍有精鍛、熱軋、拉拔等變形時,可以先鍛造坯料長度的一半,返爐加熱后繼續鍛造另外一半。
3.2 心部晶粒粗大預防
針對1.2節所述某α+β鈦合金發現的問題,該成分合金后續爐號生產過程中在原定單相區(加熱溫度在β轉變溫度Tβ以上)3火次鍛造基礎上,降溫50℃(加熱溫度仍在β轉變溫度Tβ以上30℃),增加一鐓一拔,設置該火次鍛造非常重要,坯料粗大片層組織進一步細化再轉兩相區(加熱溫度在β轉變溫度Tβ以下20~50℃)鍛造,可有效減輕兩相區加熱溫度低、變形抗力大、心部晶粒較難破碎的影響。此外,也可以采取“高-低-高”鍛造工藝,經兩相區鐓拔2~3火次后再升溫至單相區(Tβ+30℃),坯料晶粒適當長大、均勻化后再轉兩相區繼續鍛造。最后,打四方、倒八方拔長改為打六方、棱面交替變換拔長。通過以上調整,組織改善效果明顯。圖7為工藝改進后產品的宏觀及顯微組織,由圖7a可以看出,宏觀組織均勻細化、呈模糊晶;顯微組織為等軸組織,主要由等軸初生α相和分布于基體的少量片狀β相轉變組織組成,心部、1/2R(R為圓棒半徑)、邊部位置的等軸初生α相的含量為60%~70%,基本一致,且晶粒尺寸為3~5μm,大小均勻,詳見圖7b~圖7d。
針對1.2節所述Ti6246鈦合金心部粗晶,且增加火次難以消除的問題,需改變傳統打四方、倒八方拔長方式,采取兩個面交替鐓粗、打扁方、收寬拔長,并穿插鐓粗、打四方、倒八方拔長。一是打扁方拔長時,坯料可以鍛造至厚度250mm左右,比打四方和倒八方鍛造的截面尺寸330mm小很多,心部更容易鍛透;二是交替變形方式可以輪番轉移金屬強烈流動區,控制合適的變形量,獲得均勻的低倍模糊晶和均勻、細小的球狀α組織,并可預防心部粗晶、中心亮線等缺陷的產生[12]。此外,在坯料鐓撥鍛造結束后,確定是否撥長鍛造時,對坯料進行超聲探傷檢測,發現心部探傷結果較差,如果需要分料,可以沿縱向等分,將心部粗晶外移至坯料表面,直接變形細化,以保證組織整體均勻性。
打扁方鍛造需注意兩點:(1)打扁方時應合理控制送進量(≤100mm為宜)并分多道次壓下,切忌滿錘快速壓下;(2)合理設計并控制坯料寬厚比≤2(確保收寬時,心部無凹心)。實踐證明,打扁方鍛造效果明顯,不僅鍛造火次大大減少,坯料組織不均勻性也得到明顯改善。某Ti6246鈦合金坯料打扁方鍛造過程示意圖如圖8所示。
3.3 細晶亮帶預防
鈦合金鍛造過程控制不當,會導致心部細晶亮帶,可采取如下措施返修:根據發現缺陷的火次加熱溫度及缺陷程度,將坯料重新升溫至Tβ以上50~150℃加熱,晶粒統一長大后鐓拔改鍛,再依次降溫30~50℃加熱、鐓拔細化晶粒。為確保返修過程受控,可每1~2火進行高低倍監控,直至心部異常消失,坯料整體細化、均勻。此外,某些情況下也可設計適當的β熱處理工藝,通過熱處理來消除細晶亮帶并獲得符合要求的組織。
在該類鈦合金鍛造過程中每隔2~3火次進行宏觀和顯微組織監控,可以發現,出現細晶亮帶缺陷的概率并不是很高,但一旦發生細晶亮帶缺陷,升溫至Tβ以上加熱返修鍛造,該類缺陷難以消除。預防該類缺陷的方法為:(1)在Tβ以上鍛造時,采取包棉、大噸位壓機鍛造等,盡量減少坯料表面溫降,減少與心部料溫差異;(2)合理設計并盡量減少每火次鍛造總變形量,一鐓一拔即可;(3)保證終鍛溫度,合理控制鍛造速度,增大料溫低、變形流動性差的邊部變形,減少料溫高、變形劇烈的心部變形,確保邊部和心部變形程度均勻,降低變形不均勻的累積效應。
3.4 明顯變形流線預防
針對1.4節所述高合金化β鈦合金(名義成分為Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr),首先,加強合金熔煉工藝控制,確保鑄錠化學成分均勻,無偏析、夾雜缺陷;其次,加熱溫度低,尤其是冬季廠房溫度低時,可適當采取包棉鍛造,減少坯料表面溫降;最后,將傳統的拔長方式打四方、倒棱改為打四方、倒棱和打四方、棱變面交替進行。經過以上調整,該成分合金后續爐號生產過程中再未發現此類缺陷。
3.5 陰陽面預防
對1.5節所述鈦合金坯料陰陽面進行補救的措施為:(1)下一火裝爐時,將尺寸較短一面朝下靠近爐底板,詳見圖9,出爐鐓粗拔長,較短一面靠近爐底板,料溫偏高,拔長走料快;(2)發現陰陽面時,及時將坯料立起,鐓粗修整,并利用上錘砧走料快的特點,增加較短一面朝上拔長次數。以上兩項措施特別是第1項可以有效減輕坯料陰陽面程度。而預防坯料陰陽面產生的最重要一點是提高坯料出爐速度,尤其是冬季鍛造時,取料操作人員應提前啟動取料車,爐門提起后,在加熱工指揮下,迅速夾起坯料(10s以內),以減少坯料表面溫差;其次,連續出爐時,在工藝規定加熱時間范圍內,適當延長保溫時間,確保靠近爐門坯料料溫恢復后,再出爐鍛造。
4、結論
(1)難變形鈦合金的生產過程易產生開裂、心部粗晶、細晶亮帶、明顯變形流線和陰陽面等多種鍛造缺陷,危害嚴重,需引起技術、生產、質量等相關人員高度重視。
(2)難變形鈦合金所述5種鍛造缺陷產生的主要原因分別總結如下:材料本身合金化程度高、塑性差,小規格棒材降溫快、未及時倒棱、掉頭鍛造;單相區晶粒細化不夠、加熱溫度低、變形抗力大,鍛透性差、心部易溫升;總變形量大、坯料內外溫差大、變形不均勻;坯料表面降溫快、流動性差、拔長方式單一;坯料出爐慢、表面溫度不均。
(3)可采取以下措施預防難變形鈦合金鍛造缺陷:塑性差、易開裂鈦合金包棉連續鍛造、提升操作水平,小規格棒材內裂及時倒棱、多道次甩圓拔長、及時掉頭;對于心部粗晶,增加單相區晶粒細化程度、棱面轉換六方拔長,鍛造打扁方及打四方、倒八方交替進行;對于細晶亮帶,可減少每火次鐓拔次數、降低坯料內外溫差、控制變形均勻;對于明顯變形流線,棱面轉換打四方拔長;對于陰陽面,提高出爐速度、減少坯料表面溫差等,從而不斷提升難變形鈦合金的鍛造能力和質量水平。
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