自由鍛造TC17鈦合金餅材（鈦合金鍛件）的組織與性能研究

1、 前言

TC17 鈦 合 金（ 即 Ti-17）名 義 成 分 為 Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr[1]，是一種高強(qiáng)、高韌性和高淬透性的近 β型兩相鈦合金。TC17 合金是由美國(guó)在 20 世紀(jì) 70 年代開發(fā)研制，廣泛的應(yīng)用于眾多先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)整體葉盤鍛件[2]。

TC17 鈦合金餅材通常采用傳統(tǒng)模鍛（即模內(nèi)成型），而通過自由鍛壓方式的則相對(duì)較少。這是因?yàn)橄啾扔趥鹘y(tǒng)模鍛工藝，自由鍛造工藝對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作要求更高，操作難度大，但 自由鍛生產(chǎn)成本較低，可操作性較大，可以通過鍛造工藝的控制得到不同的組織結(jié)構(gòu)。本文研究了在不同的自由鍛造工藝下，設(shè)計(jì)制備 TC17 鈦合金餅材，并通過分析其高倍顯微 組織與室溫力學(xué)性能，對(duì)比不同鍛造工藝下自由鍛得到的餅材的顯微組織與力學(xué)性能。

2、 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用寶鈦集團(tuán)通過三次真空熔煉生產(chǎn)的 TC17鈦合金鑄錠（鑄錠名義尺寸 Φ720），主要化學(xué)成分如表 1 所示。測(cè)得其相變點(diǎn)溫度為 902℃ ~905℃。鑄錠通過開坯鍛 造、中間鍛造多火次鐓粗、拔長(zhǎng)，自由鍛壓至 Φ250mm 棒材。在相當(dāng)于鑄錠頭部位置切取 20mm 樣片，經(jīng)切割設(shè)備制備出高倍試樣，在金相顯微鏡下觀察其高倍顯微組織如圖 1所示，制坯棒材高倍顯微組織為 α+β 兩相區(qū)組織，初生 α相平均尺寸為 8μm 左右，初生 α 相體積分?jǐn)?shù)在 60% 以上，無原始 β 晶界，無粗大、連續(xù)、網(wǎng)狀晶界 α。

2.2 試驗(yàn)方法

將制備好的 250mm 坯料鋸切下料，在 31.5MN 鍛造機(jī)上通過自由鍛壓的方式，將鋸切坯料通過路線 1 與路線 2 兩種鍛造工藝方案進(jìn)行成品鍛造。

路線 1 ：將鋸切坯料加熱到相變點(diǎn)以下 30℃ ~60℃（Tβ-30~60℃）進(jìn)行鐓拔、滾圓、整形（變形量約 50%），最終通過機(jī)械加工得到成品餅材。

路線 2 ：①將鋸切坯料加熱到相變點(diǎn)以下 20℃（Tβ-20℃）保溫一定時(shí)間后升溫至相變點(diǎn)以上 30℃（Tβ+30℃）進(jìn)行鐓拔、滾圓（變形量約 30%）。②加熱到相變點(diǎn)以下30℃ ~60℃（Tβ-30℃ ~60℃）進(jìn)行鐓滾、整形（變形量約20%），最終最終通過機(jī)械加工得到成品餅材。

對(duì)兩種不同鍛造工藝路線制備的餅材，鍛后進(jìn)行固溶時(shí)效熱處理，熱處理制度為 840℃ /2h.AC+800℃ /4h.WC+630℃ /8h.AC。對(duì)餅材分別線切割破開取縱向試樣，機(jī)械加工制取高倍及力學(xué)性能試樣，進(jìn)行顯微組織分析和力學(xué)性能分析。在 INSTRON5581 型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)獲得不同鍛造工藝下室溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)采用氫氟酸、硝酸、水按 1:3:10 比例的酸液腐蝕試樣后，在 OLYMPUS GX71 型金相顯微鏡上觀察其高倍顯微組織，獲得不同鍛造工藝下的高倍顯微組織。

3、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 顯微組織

對(duì)兩種不同工藝方案鍛造制備的 TC17 餅材，對(duì)高倍試樣進(jìn)行磨光、腐蝕，其高倍顯微組織如圖 2 所示 ：（①）與（②）為路線 1 餅材的高倍顯微組織，可見其顯微組織是典型 的 α+β 兩相區(qū)組織，主要由等軸 α 相與 β 轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成，初生 α 相平均尺寸為 10μm 左右，初生 α 相體積分?jǐn)?shù)在50% 左右，并且伴有少量的次生 α 相。 （③）與 ( ④ ) 為路線 2 餅材的高倍顯微組織，可見其顯微組織為均勻的網(wǎng)籃組織，初生 α 相平均尺寸為 4μm 左右，初生 α 相體積分?jǐn)?shù)在 30% 左右，片狀 α 相細(xì)小且均勻， 并且不存在完整的原始 β 晶界或粗大、連續(xù)、網(wǎng)狀晶界 α。

由此可見將加熱溫度提升到 β 相區(qū)，采用恰當(dāng)?shù)腻懺旃に嚕刂?β 相區(qū)的變形量，可以將原始 β 晶界充分破碎，得到均勻、細(xì)小的網(wǎng)籃組織[3]。

3.2 力學(xué)性能

兩種鍛造工藝路線生產(chǎn)的 TC17 鈦合金餅材力學(xué)性能如表 2 所示。由兩種工藝路線方案中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知 ：等軸組織餅材的斷后伸長(zhǎng)率（δ/%）與斷面收縮率（Ψ/%）均優(yōu)于網(wǎng)籃組織餅材，可以看出等軸組織的塑性性能明顯比網(wǎng)籃組織要好。這是由于在等軸組織中初生 α 相含量（50% 左右）明顯大于網(wǎng)籃組織中初生 α 相含量（30%左右）。在拉伸變形過程的初始階段，等軸 α 相與 β 轉(zhuǎn)變組織上會(huì)形成空洞，隨著拉伸過程的進(jìn)行，這些空洞會(huì)隨之?dāng)U展長(zhǎng)大，而 α 相對(duì)空洞成長(zhǎng)起著阻礙作用[4]。由此可得，初生 α 相含量越多，則空洞擴(kuò)展長(zhǎng)大所遇到的阻礙就越多，斷后伸長(zhǎng)率與斷面收縮率就越高，合金材料塑性性能越好[5]。

路線 2 制備的餅材的室溫抗拉強(qiáng)度（σb）、屈服強(qiáng)度（σ0.2）以及沖擊性能（αkU）均優(yōu)于路線 1 餅材。這就證明了網(wǎng)籃組織相對(duì)于等軸組織具有更高的室溫強(qiáng)度及沖擊性能。在網(wǎng)籃組織高倍顯微組織中可以看出，網(wǎng)籃組織中擁有細(xì)小、均勻的片狀 α 相，片狀 α 相對(duì)裂紋的連續(xù)擴(kuò)展起到了阻礙作用，當(dāng)片狀 α 層的厚度大于一定數(shù)值后，裂紋擴(kuò)展 則會(huì)無法直接穿透片狀 α 層區(qū)，從而改變?cè)辛鸭y擴(kuò)展的方向與路線。因此網(wǎng)籃組織中的片狀 α 相在增強(qiáng)合金材料強(qiáng)度與改變裂紋擴(kuò)展方向的同時(shí)，為合金材料斷裂過程提供 了更高的能量，從而增強(qiáng)了材料的沖擊性能[3,6]。

4、 結(jié)論

（1）通過自由鍛造的方式，采用在相變點(diǎn)以下 20℃保溫一段時(shí)間后升溫到相變點(diǎn)以上 30℃，在此溫度下變形量為30%，在相變點(diǎn)以下 30℃ ~60℃溫度下變形量為 20% 鍛壓 工藝，可以得到組織均勻、細(xì)小的網(wǎng)籃組織 TC17 鈦合金鍛件。

（2）對(duì)于采用不同自由鍛壓工藝路線生產(chǎn)的餅材，網(wǎng)籃組織餅材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及沖擊性能均高于等軸組織餅材，而等軸組織具有相對(duì)于網(wǎng)籃組織更好的塑性性能。

參考文獻(xiàn)：

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[3]董軼 ; 馬宏剛 ; 李渭清等自由鍛造 TC18 鈦合金薄壁環(huán)材的組織與性能研究 [J]- 世界有色金屬 ,2016-09-05 0

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[6]王通 , 張朋 , 王九清 , 龐輝勇等 , 原始組織對(duì) 690MPa 級(jí)海工鋼亞溫淬火后強(qiáng)韌性的影響 , 鋼鐵 ,2020-09-211