于忠斌 王小軍 王長健 曹泉波

(1.海裝重慶局，重慶400042；2.中國二重檢測中心，四川618013)

現(xiàn)代生產技術的許多領域正朝著承受高溫、高速和強烈化學介質的方向發(fā)展?，F(xiàn)代航空不但要求飛機速度快，還要求性能好、壽命長、安全可靠，這就給航空材料提出了更高的要求。由于鈦合金具有強度高、耐熱性好、抗腐蝕性好等優(yōu)點，合理地采用鈦合金是減輕飛機結構重量，提高飛機的推重比，改善飛機性能，提高機體可靠性的重要技術措施之一。

鈦合金模鍛件的生產制造主要存在以下幾個特性：(1)鈦合金的鍛造方式有α+β兩相區(qū)鍛造(β轉變溫度以下一定溫度)、準β鍛造，另外熱處理方式也包括α+β兩相區(qū)熱處理(β轉變溫度以下一定溫度)、β熱處理。鍛造工藝溫度和熱處理工藝溫度制定的關鍵依據是β轉變溫度，目前β轉變溫度的測定方法一般采用金相法，因此每批鍛件在生產前首先需要采用金相法測定材料的β轉變溫度，才能制定鍛造工藝和熱處理工藝進行生產；(2)鍛造工藝變形量和鈦合金低倍組織(低倍晶粒大小)、顯微組織級別有明顯的關系。棒材原始低倍組織和顯微組織的不同，鐓拔工藝就要隨之進行相應的調整和改變，因此在制定鍛造工藝(變形量、鍛造火次)時首先要考慮材料的低倍、高倍組織情況；(3)鈦合金的組織和性能有明顯的關系，顯微組織決定力學性能，當需要調整力學性能時，首先就要確定材料的顯微組織，方可調整產品的熱處理工藝。由此可見，鈦合金的生產，無論是鍛造還是熱處理都與金相分析有著密切的關系，需要充分應用金相分析結果。

本文總結了金相分析技術在鈦合金模鍛件產品的鍛造和熱處理實際生產中的應用情況，從而為今后制定鈦合金工藝技術規(guī)范奠定了一定的基礎。

1 β相變點測試的準確性對鈦合金組織性能的影響

新型飛機采用損傷容限設計，為得到高強高韌組織，通常鍛造工藝采用準β、近β鍛造工藝或準β熱處理，即在β轉變溫度附近進行鍛造或熱處理，如TC21、TC18、TC25、TC4-DT。若溫度測試準確，可以得到組織均勻細密的網籃組織，見圖1。若溫度測試偏高，組織粗化晶界連續(xù)，將降低鍛件塑性指標，見圖2。若溫度測試偏低，則僅得到等軸組織，斷裂韌性指標將不合格，見圖3。

根據上述分析，如果相變點測試不準確，將直接影響鈦合金產品的組織與性能，從而導致產品的報廢。因此在制定鈦合金鍛造工藝前確定準確測試相變點是極其關鍵的。

2 金相法測試鈦合金β相變點

采用金相法測試鈦合金相變點一直是個難點，其中關鍵在于試樣的腐蝕方法。金相分析人員先后采用多種腐蝕劑配方，效果均不理想，試樣上假象較多，降低了相變點評定的準確性，見圖4。

圖1 網籃組織Figure 1 Basketweave microstructure

圖2 晶界粗化的片狀組織Figure 2 The lamellar microstructure of coarse grain boundary

圖3 等軸組織Figure 3 Equiaxed structure

圖4 氫氟酸+硝酸+水腐蝕后的金相組織Figure 4 The metallographic structure after corrosion by HF + HNO3 + water

圖5 硝酸+雙氧水腐蝕后的金相組織Figure 5 The metallographic structure after corrosion by HNO3 +H2O2

某爐號的TC4-DT按國家標準推薦的腐蝕液進行腐蝕，腐蝕液為氫氟酸、硝酸、水的混合溶液，評定結果為相變點溫度983℃。經過我們反復試驗后，采用硝酸、雙氧水的混合溶液熱腐蝕后，試樣上的α相清晰，沒有假象，評定的準確性提高，評定結果為978℃，見圖5。

3 原材料復驗低倍組織、顯微組織對鈦合金改鍛工藝的影響

鈦合金的鍛造一般分為三個過程：第一個過程為鐓拔，即將不同低倍組織、顯微組織的原材料改鍛后得到所需要的均勻的兩相區(qū)組織，例如TC18鈦合金經改鍛后須得到均勻的等軸組織或雙態(tài)組織，為最終的β鍛進行準備；第二個過程是鍛荒，即將工件鍛成一定形狀，為下一步的β模鍛成形做準備，而這個過程，組織不變；第三個過程是β模鍛成形，即經過前兩個過程的組織準備和形狀準備后，最終β模鍛成形，得到所需要的鍛件產品。

鐓拔工藝是鍛造過程的第一步，需要根據原材料復驗時的低倍組織、顯微組織的評定情況進行制定。原材料低倍晶粒較大時，在改鍛時就需要增加鍛造火次，加大鍛造變形量，使得原始組織中的晶界α相充分破碎。例如某爐號的TC18鈦合金棒料，原材料復驗時低倍組織為10級不合格，見圖6，顯微組織為4類b級不合格，見圖7。根據原材料復驗結果，為確保最終鍛件高倍組織達到8類以內，低倍組織達到5級，我們從改鍛工藝上下工夫。首先在α+β兩相區(qū)進行一鐓一拔大變形，將網籃組織轉變?yōu)榈容S或雙態(tài)組織，同時對材料成分不均勻引起的粗大低倍組織進行細化，再在β單相區(qū)進行多次鐓拔，通過相變及大變形充分細化原始坯料的高低倍組織，最后再在α+β兩相區(qū)進行多次鐓拔，破碎已經較為均勻細小的網籃組織，得到更加均勻細密的等軸組織。這一實踐為今后大規(guī)格復雜形狀鍛件多火次鍛造后獲得良好組織性能奠定了基礎。

若原材料復驗時低倍組織、顯微組織的評定結果都良好，則不需要加大變形量，增加火次。例如某爐號的TC18鈦合金棒材，低倍6級合格(見圖8)，高倍1類b級合格(見圖9)。根據原材料復驗結果，該爐鍛件高倍組織較好，球狀α均勻細小，低倍組織較為均勻，但晶粒較粗，因此還須進行改鍛工藝。進行α+β兩相區(qū)多次鐓拔，就得到晶粒更細、球狀α更加均勻細小的等軸組織。

4 中間狀態(tài)高倍組織對鍛造工藝參數的影響

改鍛工藝的目的是得到所需要的顯微組織，為最終的模鍛成形工藝做好組織準備。因此在模鍛成形前進行組織檢驗時，如果中間坯組織檢驗結果良好，模鍛成形工藝按原計劃進行，但如果中間坯組織檢驗結果不理想，就需要調整模鍛成形工藝。例如TA15鈦合金，通過在α+β兩相區(qū)改鍛后，初生α相含量為15%～30%就可以獲得良好的組織性能。若中間坯高倍檢查α相含量太高，超過30%以上則模鍛成形時應適當提高鍛造溫度，從而提高最終鍛件強度指標。若中間坯高倍檢查α相含量太低，模鍛成形時應適當降低鍛造溫度，增大鍛件變形量，調整初生α相含量，從而提高最終鍛件塑性指標。

5 鈦合金組織分析在性能分析中的應用

鈦合金的組織主要分為四類：片狀、網籃、雙態(tài)、等軸，每一種組織都有相對應的力學性能，見表1。當性能結果異常時，應運用組織決定性能的關系，進行金相組織分析，確定究竟是工藝存在問題，還是性能實驗操作存在問題。

圖6 TC18原材料晶粒粗大的低倍組織Figure 6 Macrostructure of coarse grain of TC18 raw material

圖7 TC18原材料有晶界α相的顯微組織 500×Figure 7 The microstructure of TC18 raw material withαphase grain boundary 500×

圖8 低倍組織較好Figure 8 Good macrostructure

圖9 高倍組織較好 500×Figure 9 Good microstructure 500×

組織類型室溫拉伸熱穩(wěn)定性高溫性能斷裂韌性疲勞性能強度塑性強度塑性拉伸持久蠕變KICda/dN低周高周等軸好最好好好一般差差最差快較差好雙態(tài)與等軸組織同一水平高于等軸較好較快較好高于等軸網籃高于等軸差好差高于雙態(tài)好慢高于等軸差片狀較差最差差最差較差差最快差差

某爐號的TA15鈦合金，性能檢驗時，室溫塑性指標Z僅為15%(標準要求≥25%)，不符合標準要求，而另一件試樣Z合格。對Z不合格的拉伸試樣進行金相組織分析，金相組織按標準評定為3級合格，見圖10。根據組織決定性能的原理，該鍛件塑性應合格，重新取樣雙倍復試，Z均達到40%以上。

某爐號TC18鈦合金，性能檢驗時，斷裂韌性KIC僅為49.537 MPa·m1/2(標準要求≥60 MPa·m1/2)，不符合標準要求，運用組織決定性能的原理，該鍛件組織為等軸組織(標準要求為網籃組織)，見圖11，不符合標準要求。而等軸組織的KIC比網籃組織差，所以鍛件的KIC指標就低于標準要求了。導致產生等軸組織的原因主要在于鍛造工藝溫度或者熱處理溫度偏低。調整了熱處理工藝，提高熱處理固溶溫度后，KIC指標即達到了標準的要求。

6 結論

很多產品諸如大型鑄鍛件、加氫容器、核電產品等，僅在產品的最終檢驗中有金相檢驗項目，甚至有的產品根本就沒有金相檢驗項目，那么在生產工藝控制過程中就更沒有應用金相分析技術。本項目充分發(fā)揮了金相分析的作用，應用組織決定性能的原理，將金相分析技術充分應用到鈦合金生產工藝中的每一個環(huán)節(jié)，從而確保了產品的合格率。

圖10 TA15鈦合金雙態(tài)組織 500×Figure 10 The duplex microstructure of TA15 titanium alloy 500×

圖11 TC18鈦合金等軸組織 500×Figure 11 The equiaxed structure of TC18 titanium alloy 500×