侯 鵬，文 娜，贠鵬飛，馬士峰，張 哲，謝 強(qiáng)，母果路

（西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西西安 710201）

·材 料·

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片用TC4棒材研制

侯 鵬，文 娜，贠鵬飛，馬士峰，張 哲，謝 強(qiáng)，母果路

（西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西西安 710201）

為了獲得綜合性能良好的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣轉(zhuǎn)子葉片用TC4棒材，采用相變點(diǎn)以上大變形和相變點(diǎn)以下多火次小變形兩種變形方式相結(jié)合的工藝路線，制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片用TC4 Φ20 mm、Φ40 mm棒材，通過力學(xué)數(shù)據(jù)、金相組織及超聲波探傷檢驗(yàn)的試驗(yàn)手段進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明：（1）按照試驗(yàn)路線生產(chǎn)的TC4棒材，低倍組織均為模糊晶，不存在裂紋、折疊、氣孔、金屬或非金屬夾雜、偏析、縮尾和其它肉眼可見的缺陷；高倍組織分布均勻，晶粒尺寸細(xì)小，沒有流線形成，均為等軸雙態(tài)組織；（2）按照試驗(yàn)路線生產(chǎn)的TC4棒材，室溫力學(xué)性能、高溫力學(xué)性能等綜合性能良好，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且性能穩(wěn)定；（3）按照試驗(yàn)路線生產(chǎn)的TC4棒材，超聲波探傷檢驗(yàn)滿足Φ0.8～12 dB雜波水平要求，無(wú)缺陷波。

鈦合金；低倍組織；高倍組織；力學(xué)性能；超聲波探傷

鈦及鈦合金是20世紀(jì)40年代才開始投入商業(yè)生產(chǎn)的金屬結(jié)構(gòu)材料，由于其熔點(diǎn)高、密度小及強(qiáng)度高等主要特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中，如制造壓氣機(jī)盤、葉片等承受大壓力的旋轉(zhuǎn)件［1］。其中TC4鈦合金是目前應(yīng)用最廣的一種（α＋β）兩相鈦合金［2］，其名義成分為Ti－6Al－4V，具有良好的強(qiáng)度、塑性及韌性等綜合力學(xué)性能，適合于各種壓力加工成型，可用于制作工作溫度400℃以下的各類零件［3，4］。轉(zhuǎn)子葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件中的關(guān)鍵零部件之一，由于其為高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)部件，數(shù)量多、形體單薄、載荷狀況嚴(yán)酷、工作環(huán)境復(fù)雜［5］，使其一直成為發(fā)動(dòng)機(jī)使用和試驗(yàn)中故障率最高的零部件之一。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)其占發(fā)動(dòng)機(jī)故障率的40%以上，而且轉(zhuǎn)子葉片的損壞還對(duì)整機(jī)性能影響很大，有的可能導(dǎo)致嚴(yán)重的事故?，F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片大多采用鈦合金鍛制而成，為了促進(jìn)其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的發(fā)展，提高其安全可靠性，對(duì)其進(jìn)行研究試驗(yàn)成為生產(chǎn)技術(shù)工作者所關(guān)心的問題。壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片屬于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下工作的零件，自身質(zhì)量在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力是其工作時(shí)承受的最大、最主要的應(yīng)力，為了使葉片能克服這種應(yīng)力，如何加工生產(chǎn)具有良好的綜合性能的轉(zhuǎn)子葉片目前成為問題的關(guān)鍵。本文采用相變點(diǎn)以上大變形＋相變點(diǎn)以下多火次小變形的工藝路線，制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片用TC4Φ20 mm、Φ40 mm棒材，通過力學(xué)性能、金相組織及超聲波探傷檢驗(yàn)的試驗(yàn)手段對(duì)其進(jìn)行分析研究，對(duì)相關(guān)方面的實(shí)際生產(chǎn)具有一定的參考依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司真空自耗電弧爐三次熔煉生產(chǎn)的TC4鈦合金鑄錠，經(jīng)扒皮、探傷、切除冒口和頂?shù)住⑷雍?，尺寸為：?90 mm×2 710 mm，凈重4 600 kg，如圖1所示。

圖1 Φ690 mm TC4鈦合金成品鑄錠

其化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB／T 3620.1－2007［6］及GB／T 3620.2－2007［7］的要求，鑄錠化學(xué)成分見表1。采用差熱法測(cè)得該合金的（α＋β）／β相變點(diǎn)為993℃。

表1 TC4合金的化學(xué)成分%

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用相變點(diǎn)以上大變形＋相變點(diǎn)以下多火次小變形兩種變形方式相結(jié)合的工藝路線，相變點(diǎn)以上大變形目的是為了充分破碎鑄態(tài)組織，為后面變形提供良好的組織基礎(chǔ)，相變點(diǎn)以下多火次小變形目的是改善組織由內(nèi)到外整體的均勻性及細(xì)化晶粒的效果，相變點(diǎn)以下單火次大變形容易造成材料變形不均勻和變形熱的產(chǎn)生，從而大大降低材料的綜合性能，影響材料的使用壽命甚至造成材料報(bào)廢。

1.2.1 相變點(diǎn)以上大變形

試驗(yàn)采用2500 T壓機(jī)對(duì)TC4鑄錠在β區(qū)進(jìn)行開坯鍛造，電爐加熱，尺寸變化：Φ690 mm→Φ300 mm，過程中采用大壓下量大變形，單次壓下量≥200 mm，終端溫度≥850℃，鍛后空冷后，修磨坯料表面缺陷。

1.2.2 相變點(diǎn)以下多火次小變形

1.2.2.1 鐓拔＋拔長(zhǎng)、滾圓

分兩火次完成，第一火在β－（10℃～50℃）進(jìn)行加熱，坯料執(zhí)行三鐓三拔工藝，鍛比＝1.6，尺寸變化：Φ300 mm→Φ230 mm；第二火在β－（30℃～70℃）進(jìn)行加熱，經(jīng)拔長(zhǎng)、滾圓工序，尺寸變化：Φ230 mm→Φ160 mm。過程中單次壓下量≤100 mm，終端溫度≥750℃，鍛后空冷、修磨。

1.2.2.2 精鍛＋矯直

采用奧地利制造的SX－16徑向鍛造機(jī)進(jìn)行精密鍛造，如圖2（a）所示，電爐加熱溫度β－（50℃～90℃），精鍛分兩火次完成，每火次道次變形量控制在約12%，第一火精鍛尺寸變化：Φ160 mm→Φ85 mm，鍛后空冷，修磨表面缺陷；第二火精鍛尺寸變化：Φ85 mm→Φ46 mm，每火次終端溫度≥800℃，鍛后余熱矯直，終矯溫度≥600℃，矯直設(shè)備為七輥矯直機(jī)，如圖2（b）所示。

圖2 TC4棒材精鍛與矯直

1.2.2.3 軋制＋矯直

從精鍛后的棒材中取出一部分棒材，對(duì)每支棒材進(jìn)行外觀檢查與裂紋、折疊、起皮等修磨，保證熱軋前表面無(wú)宏觀缺陷。采用250軋機(jī)進(jìn)行軋制，電爐加熱溫度β－（70℃～110℃），一火五道次完成Φ22 mm×L成品規(guī)格毛棒熱軋加工，終軋溫度≥800℃，軋后余熱矯直。軋制過程中注意控制送料速度，防止變形熱影響材料組織。

采用扒皮機(jī)、車床、無(wú)心磨床對(duì)Φ46 mm、Φ22 mm棒材進(jìn)行機(jī)械冷加工，外徑尺寸及公差分別為Φ40±0.6 mm和Φ20±0.4 mm，切除棒材兩端爛頭，端面平齊倒角，去除毛刺。

2 試驗(yàn)結(jié)果

在成品棒材上按照標(biāo)準(zhǔn)要求分別截取試樣，檢測(cè)試樣的熱處理制度為800℃／1 h AC處理，按照GJB 493－88［8］要求測(cè)試TC4棒材產(chǎn)品的橫向高、低倍組織。

2.1 低倍組織

兩種規(guī)格的TC4棒材的橫向低倍組織測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出兩種規(guī)格棒材的低倍組織均為模糊晶，不存在裂紋、折疊、氣孔、金屬或非金屬夾雜、偏析、縮尾和其它肉眼可見的缺陷。

圖3 Φ40 mm、Φ20 mm TC4棒材低倍

2.2 高倍組織

兩種規(guī)格的TC4棒材的橫向高倍組織測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出Φ40mm、Φ20mmTC4合金棒材高倍組織為等軸狀態(tài)組織，由初生α相和次生α相組成，α相等軸化程度好，組織分布均勻，沒有流線形成。Φ20 mm的棒材由于比Φ40 mm的棒材多了一道軋制工序，變形量大，所以晶粒尺寸更加細(xì)小均勻。

圖4 Φ40 mm、Φ20 mm TC4棒材高倍組織

2.3 力學(xué)性能

按照GJB 493－88要求委托紅原航空鍛鑄工業(yè)公司中心實(shí)驗(yàn)室和西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司理化檢測(cè)中心測(cè)試兩種規(guī)格TC4棒材產(chǎn)品的縱向室、高溫力學(xué)性能。

2.3.1 室溫力學(xué)性能

兩種規(guī)格的TC4棒材試樣的室溫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表2。由表2可以看出兩種規(guī)格TC4棒材的室溫力學(xué)性能（拉伸、沖擊、硬度）均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。Φ20 mm比Φ40 mm抗拉強(qiáng)度高十幾兆帕，其它性能基本相同，結(jié)合高倍組織，說明當(dāng)變形量、晶粒尺寸達(dá)到一定程度時(shí)，變形量與強(qiáng)度不再呈現(xiàn)線性關(guān)系。

2.3.2 高溫力學(xué)性能

兩種規(guī)格的TC4棒材試樣的高溫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見表3。由表3可以看出兩種規(guī)格TC4棒材的兩種規(guī)格TC4棒材的高溫力學(xué)性能（400℃高拉、持久）均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且高拉超過標(biāo)準(zhǔn)一百多兆帕，性能穩(wěn)定。

表2 TC4合金棒材室溫力學(xué)性能

表3 TC4合金棒材高溫力學(xué)性能

2.4 超聲波探傷

采用USN60探傷儀對(duì)兩種規(guī)格的TC4棒材進(jìn)行水浸法探傷，探頭規(guī)格：C－25 10MHZ；標(biāo)準(zhǔn)試樣：Φ0.8平底孔；檢驗(yàn)級(jí)別：Φ0.8～12 dB。結(jié)果顯示：棒材均未出現(xiàn)大于靈敏度反射波。通過超聲波探傷檢驗(yàn)說明棒材組織均勻，差異性小，內(nèi)部不存在缺陷。

通過高低倍組織、力學(xué)性能及超聲波探傷分析表明，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的工藝路線比較合理，相變點(diǎn)以上大變形使得材料的鑄態(tài)得到充分破碎，相變點(diǎn)以下采用精鍛、軋制的鍛造方式本身具有變形量小、變形均勻的優(yōu)點(diǎn)，兩種方式相結(jié)合，生產(chǎn)的TC4棒材金相組織均勻，差異性小，晶粒細(xì)小，沒有流線趨向，沒有過熱組織，組織形貌為等軸雙態(tài)組織，等軸雙態(tài)組織相比其它組織形貌可以使材料獲得良好的強(qiáng)度、塑性及高溫持久性能，材料綜合性能穩(wěn)定，探傷水平良好，為轉(zhuǎn)子葉片提供了安全可靠的質(zhì)量保證。態(tài)組織。

2.按照試驗(yàn)路線生產(chǎn)的TC4棒材，室溫力學(xué)性能、高溫力學(xué)性能等綜合性能良好，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且性能穩(wěn)定。

3.按照試驗(yàn)路線生產(chǎn)的TC4棒材，超聲波探傷檢驗(yàn)滿足Φ0.8～12 dB雜波水平要求，無(wú)缺陷波。

3 結(jié) 論

1.按照試驗(yàn)路線生產(chǎn)的TC4棒材，低倍組織均為模糊晶，不存在裂紋、折疊、氣孔、金屬或非金屬夾雜、偏析、縮尾和其它肉眼可見的缺陷；高倍組織分布均勻，晶粒尺寸細(xì)小，沒有流線形成，均為等軸雙

［1］ 汪波，曾衛(wèi)東，彭雯雯.不同鍛造工藝對(duì)TC4鈦合金棒材顯微組織與力學(xué)性能的影響［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2014，31（5）：14－18.

［2］ 王蕊寧，楊建朝，呂利強(qiáng)，等.不同熱處理工藝對(duì)TC4合金板材組織和性能的影響［J］.鈦工業(yè)進(jìn)展，2010，27（6）：27－29.

［3］ 李小勇，趙西成.單相區(qū)變形量對(duì)TC4鈦合金組織和探傷水平的影響［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015，（3）：27－28.

［4］ 王敏，郭鴻鎮(zhèn).TC4鈦合金晶粒細(xì)化及超塑性研究［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2008，4（15）：154－158.

［5］ 傅國(guó)如，禹澤民，王洪偉.航空渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片常見失效模式的特點(diǎn)與規(guī)律［J］.失效分析與預(yù)防，2006，1（1）：18－24.

［6］ GB／T 3620.1－2007，鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分［S］.

［7］ GB／T 3620.2－2007，鈦及鈦合金加工產(chǎn)品化學(xué)成分允許偏差［S］.

［8］ GJB 493－88，航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片用TC4鈦合金棒材［S］.

Experimental Study of TC4 Bars for Rotor Blades of Aero Engine

HOU Peng，WEN Na，YUN Peng-fei，MA Shi-feng，ZHANG Zhe，XIE Qiang，MU Guo-lu
（Western Titanium Technologies Co.，Ltd.，Xi＇an 710201，China）

In order to obtain TC4 bars for aero engine high-pressure compressor rotor bladeswith good comprehensive properties，this paper adopts the process route of combining two deformation modeswith large deformation above the transformation points and multi fire small deformation under the transformation point，prepared the TC4Φ20 mm and Φ40 mm bars for rotor blades of the aero engine，analyzed by the experimental means of mechanical data，microstructure and ultrasonic testing.The results show that：（1）According to the experimental routes for the production of TC4 bars，macrostructure is fuzzy crystal，and there are no cracks，folding，stomata，metal or nonmetallic inclusions，segregation，shrinkage and other macroscopic defects；Microstructure distributes uniformly，grain size is small，there are no streamline form，organization is equiaxed duplex microstructure.（2）The TC4 bars produced according to the experimental route have good comprehensive properties at room temperature mechanical properties and high temperaturemechanical properties，allmeet the standard requirements，and the performance is stable.（3）According to the experimental route production of TC4 bar，ultrasonic testing tomeet theΦ0.8～12dB clutter level requirements，no defectwave.

titanium alloy；macrostructure；microstructure；mechanical properties；ultrasonic testing

TG146.23

A

1003－5540（2017）04－0039－05

2017－05－18

侯 鵬（1984－），男，工程師，主要從事鈦及鈦合金的鍛造工藝研究工作。