供稿|張偉，李巍，李渭清，段曉輝，劉繼雄，龐洪 / ZHANG Wei, LI Wei, LI Wei-qing, DUAN Xiao-hui,LIU Ji-xiong, PANG Hong

Ti-6AL-4V鈦合金是典型的α+β兩相鈦合金，是應(yīng)用最為廣泛的鈦合金之一?？捎糜谥圃祜w機(jī)的承力結(jié)構(gòu)件、鍛件、鈑金件等。在Ti-6AL-4V合金基礎(chǔ)上改進(jìn)的Ti-6AL-4V ELI鈦合金是一種損傷容限型鈦合金，具有中等強(qiáng)度、高損傷容限和長(zhǎng)疲勞壽命等特點(diǎn)。與其他中等強(qiáng)度鈦合金相比，在強(qiáng)度和塑性水平相當(dāng)?shù)那闆r下，Ti-6Al-4V ELI鈦合金具有相當(dāng)高的斷裂韌度和抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力，廣泛地應(yīng)用于制造深潛器耐壓殼體。

鈦合金成品板材對(duì)組織均勻性要求較高，在實(shí)際地生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)一些組織不均勻現(xiàn)象，造成成品板材不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因鈦合金具有組織遺傳性，因此鍛造板坯的組織形態(tài)和均勻性對(duì)軋制的成品板材具有決定性的影響。

本文主要研究板坯鍛造工藝及變形參數(shù)對(duì)板坯組織形態(tài)和性能的影響。目的在于選出較合理的板坯鍛造工藝，提高板坯質(zhì)量，為后期成品板材軋制奠定基礎(chǔ)。

試驗(yàn)

試驗(yàn)選材及工藝設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用寶鈦股份生產(chǎn)的規(guī)格為φ920 mm/7200 kg的Ti-6Al-4V ELI鑄錠，鑄錠經(jīng)三次真空自耗電弧爐熔煉，以保證鑄錠成分均勻，最終扒皮去除表面缺陷。其化學(xué)成分符合GB/T3620的規(guī)定。

采用寶鈦股份鍛造廠擁有的80/100 MN快鍛機(jī)進(jìn)行鍛造。為保證板坯的組織均勻性，工藝設(shè)計(jì)為在單相區(qū)采用多火次鐓拔工藝，保證總變形大于80%，從而使鑄態(tài)組織充分破碎，晶粒細(xì)化。兩相區(qū)采用多火次鐓拔工藝，保證總變形大于70%的變形量，繼續(xù)細(xì)化晶粒，保證組織均勻性，并且使原直徑φ920 mm鑄錠墩粗至φ1150 mm，同時(shí)為使板坯寬度滿足≥1750 mm尺寸要求，采用橫向?qū)捳梗磁髁祥L(zhǎng)度方向與錘頭長(zhǎng)度方向平行；利用最小阻力原理，逐步展寬，最終得到滿足軋制工藝設(shè)計(jì)要求寬幅板坯。橫向?qū)捳构に嚾鐖D1所示，最終鍛造出軋制用板坯的規(guī)格為230 mm×1750 mm×≥4000 mm。

圖1 橫向?qū)捳故疽鈭D

鍛造工藝可行性分析

整個(gè)鍛造工藝中，兩相區(qū)的鐓粗鍛造因坯料溫度低、變形抗力大，所需要的力最大。通過(guò)對(duì)鍛造過(guò)程中所需的壓力進(jìn)行驗(yàn)證，以檢測(cè)現(xiàn)有設(shè)備是否滿足。其墩粗力P(N)的大小由下式?jīng)Q定。

式中，C—材料變形時(shí)的約束系數(shù)；(由坯料和幾何形狀以及摩擦條件決定，當(dāng)摩擦系數(shù)為0.5時(shí)，C=1+D/6H，D、H為墩粗終了時(shí)鍛件的直徑和高度。)

σb—材料在變形溫度下的峰值應(yīng)力；

F—坯料與工具的接觸面積，mm2。

2-1式中峰值應(yīng)力σb值，根據(jù)工藝參數(shù)設(shè)定要求分別對(duì)不同溫度下最大變形壓力計(jì)算，通過(guò)熱模擬實(shí)驗(yàn)得出Ti-6AL-4V ELI鈦合金在850 ℃、950 ℃、1150 ℃；應(yīng)變速率(/s)為0.001、0.01、0.1下的峰值應(yīng)力，如圖2所示。

通過(guò)圖2可得出Ti-6AL-4V ELI鈦合金板坯在兩相區(qū)鐓拔時(shí)應(yīng)變速率為0.01/s時(shí)，經(jīng)2-1公式計(jì)算得出所需最大變形壓力為56 MN，橫向?qū)捳棺畲笞冃螇毫?2 MN，即表明利用80/100 MN快鍛機(jī)，采用鐓拔加橫向?qū)捳构に嚨腻懺旆椒ㄊ强尚械摹?/p>

實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)備系統(tǒng)顯示實(shí)測(cè)最大變形壓力為62 MN，由此說(shuō)明Ti-6AL-4V ELI鈦合金熱模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是可信的，并且80/100 MN快鍛機(jī)滿足生產(chǎn)需求。

圖2 Ti-6AL-4V ELI鈦合金不同溫度、不同應(yīng)變速率峰值應(yīng)力

結(jié)果討論

通過(guò)對(duì)板坯不同部位進(jìn)行取樣，通過(guò)典型的熱處理狀態(tài)下，對(duì)不同部位的顯微組織，和力學(xué)性能檢測(cè)。熱處理制度為：750 ℃/保1.5 h.AC。

鍛造工藝對(duì)顯微組織的影響

鑄錠通過(guò)單相區(qū)大的變形對(duì)鑄態(tài)組織充分破碎，兩相區(qū)大的變形是組織進(jìn)一步細(xì)化，再延軸線壓扁拔長(zhǎng)。從圖3中(a)~(d)板坯整體組織觀察，為典型的α＋β加工組織。(a)和(c)為邊部和心部縱向顯微組織，組織呈長(zhǎng)條狀，并呈現(xiàn)一定的流線分布；(b)和(d)為完全球狀等軸組織。說(shuō)明鍛造過(guò)程中金屬的主變形方向是沿著縱向進(jìn)行，這與工藝設(shè)定均為相符。得到縱、橫向顯微組織都很均勻，方便板坯后續(xù)軋制。

室溫力學(xué)性能

表1所示為T(mén)i-6Al-4VELI鈦合金寬幅板坯不同方向的力學(xué)性能。表中數(shù)據(jù)表明，通過(guò)工藝設(shè)計(jì)鍛造方法生產(chǎn)出的寬幅板坯的力學(xué)性能已經(jīng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)板坯軋制奠定了基礎(chǔ)。

圖3 鍛造板坯顯微組織。(a)心部縱向；(b)心部橫向；(c)邊部縱向；(d)邊部橫向

表1 室溫力學(xué)性能

板材無(wú)損探傷

Ti-6Al-4VELI鈦合金板材的心部、邊部超聲波探傷雜波水平到平底孔Φ2.0 -6 dB，進(jìn)一步表明板材組織均勻性和冶金質(zhì)量良好。

結(jié)論

(1) 通過(guò)80/100 MN油壓機(jī)采用橫向?qū)捳瑰懺旃に嚳缮a(chǎn)出尺寸規(guī)格為230 mm×1780 mm×≥4000 mm的 Ti-6AL-4V ELI鈦合金寬幅板坯。

(2) 經(jīng)過(guò)充分變形后組織為典型的兩相區(qū)變形組織，由等軸或長(zhǎng)條的α相和β轉(zhuǎn)變組織組成；板坯抗拉強(qiáng)度大于900 MPa,延伸率大于14%；超聲波探傷雜波水平到平底孔Φ2.0 -6 dB。

(3) 通過(guò)合理的鍛造工藝和變形參數(shù)，使板坯組織均勻，性能滿足要求，為軋制奠定基礎(chǔ)。

圖4 Ti-6Al-4VELI鈦合金板材探傷水平

[1] 莫畏. 鈦. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2008

[2] 羅皎, 李淼泉, 李宏, 等. TC4鈦合金高溫變形行為及其流動(dòng)應(yīng)力模型. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2008, 18(8): 1395

[3] 張毅, 劉建忠. Ti-6Al-4V合金在快鍛液壓機(jī)上鍛造工藝的計(jì)算分析, 科技信息, 2011, (3): 476