楊玖錫，樊開(kāi)倫，羅學(xué)玉，戴愛(ài)麗，肖黔紅

貴州航天精工制造有限公司 貴州遵義 563125

1 序言

國(guó)產(chǎn)TC4和進(jìn)口Ti-6Al-4V鈦合金是一種中等強(qiáng)度的α-β型兩相鈦合金，含有wAl=6%（α穩(wěn)定元素）和wV=4%（β相穩(wěn)定元素）。TC4鈦合金的力學(xué)性能與初生α相數(shù)和形態(tài)有密切關(guān)系，一般講，初生α相含量越多，室溫拉伸性能和疲勞性能越好；初生α相數(shù)量越少，則高溫持久性能、蠕變性能和斷裂韌度越好。為了獲得優(yōu)異的綜合性能，初生α相含量通常希望控制在15%～50%。鑒于國(guó)產(chǎn)TC4和進(jìn)口Ti-6Al-4V鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度比剛度高、耐蝕性好、高溫力學(xué)性能優(yōu)異、抗疲勞和蠕變性能突出、無(wú)磁性可焊接等優(yōu)異的綜合性能，現(xiàn)已廣泛用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓力機(jī)的盤(pán)與葉片，以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的各種承力梁、框、接頭和緊固件等[1，2]。

鈦合金相變點(diǎn)以下小功率的近凈成形可以在一定程度上抑制鈦合金的動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為，改善微觀組織，提高材料綜合力學(xué)性能，但由于鈦合金小功率加熱低溫塑性變形能力差，易產(chǎn)生開(kāi)裂等加工缺陷，鈦合金相變點(diǎn)以下相對(duì)低溫材料行為的研究一直較少[3，4]。

鈦合金屬于組織敏感材料，其微觀組織與近凈成形行為密切相關(guān)，同時(shí)對(duì)宏觀材料性能影響很大，需重點(diǎn)研究[5]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文通過(guò)工藝研究，對(duì)國(guó)產(chǎn)TC4和進(jìn)口Ti-6Al-4V鈦合金相變點(diǎn)以下相對(duì)低溫的材料行為進(jìn)行了一定的探索，通過(guò)工藝驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)TC4和進(jìn)口Ti-6Al-4V鈦合金近凈成形過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變行為及組織演化特征，可為鈦合金相對(duì)低溫塑性近凈成形控制提供理論參考。

2 工藝驗(yàn)證

本試驗(yàn)原材料為真空自耗電弧爐冶煉生產(chǎn)的TC4鈦合金棒材，規(guī)格為φ5.5mm，退火狀態(tài)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GJB 2219—1994，合金化學(xué)成分見(jiàn)表1。Ti-6Al-4V材料規(guī)格為φ5.5mm，退火狀態(tài)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)MAS 4967。棒料通過(guò)車(chē)削兩端倒角、外圓磨削制成φ5.02-0-0.015m m×（2 5±0.1）m m、兩端倒角0.3mm×45°。采用高頻感應(yīng)加熱電源（WHVI-26）＋氣液增壓式壓力機(jī)/CPM-125，對(duì)TC4和Ti-6Al-4V采用同一設(shè)備、同一工藝參數(shù)，分別用3個(gè)不同功率進(jìn)行近凈成形工藝研究。加熱功率和加熱時(shí)間通過(guò)高頻感應(yīng)加熱器設(shè)置。加熱后將坯料放進(jìn)精密成形模具中進(jìn)行近凈成形。對(duì)頭部成形后的鈦合金螺栓，隨后進(jìn)行真空固溶處理。固溶處理后對(duì)試樣線(xiàn)切割取樣，進(jìn)行金相試驗(yàn)，采用徠卡光學(xué)顯微鏡（LEICADM×500M）進(jìn)行金相檢查。具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2，以觀察不同加熱功率對(duì)頭部近凈成形后的組織影響。

表1 TC4合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 螺栓頭部近凈成形參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 加熱功率對(duì)近凈成形的影響

加熱功率對(duì)螺栓頭部近凈成形的影響結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可看出：隨著加熱功率的降低，不論是國(guó)產(chǎn)TC4材料，還是進(jìn)口Ti-6Al-4V材料，螺栓頭部的成形性能都隨之降低，表現(xiàn)在頭部逐漸減小，飽滿(mǎn)度降低，粗糙度值變大。從研究結(jié)果來(lái)看，Ti-6Al-4V材料的近凈成形性能明顯優(yōu)于TC4。

表3 加熱功率對(duì)螺栓頭部近凈成形的影響結(jié)果

3.2 加熱功率對(duì)組織的影響

加熱功率對(duì)組織的影響可以參見(jiàn)圖1，不論加熱功率大小，進(jìn)口Ti-6Al-4V的初生α相數(shù)量明顯多于國(guó)產(chǎn)TC4的初生α相數(shù)量。

3.3 分析

隨著加熱功率的降低，加熱溫度也隨之降低，材料的塑性也相應(yīng)下降，導(dǎo)致材料的成形性能變差。因此，不論是國(guó)產(chǎn)TC4材料，還是進(jìn)口Ti-6Al-4V材料，螺栓頭部的成形性能都隨之降低。

從加熱功率的變化對(duì)組織的影響來(lái)看，不論加熱功率高低，進(jìn)口Ti-6Al-4V的初生α相數(shù)量明顯多于國(guó)產(chǎn)TC4的初生α相數(shù)量，說(shuō)明進(jìn)口材料對(duì)初生α相數(shù)量的控制較好，這也是值得國(guó)產(chǎn)材料需要改進(jìn)提升的地方。

圖1 不同加熱功率中組織的初生α相數(shù)量

4 結(jié)束語(yǔ)

驗(yàn)證結(jié)果表明：860W以下的加熱功率不論是國(guó)產(chǎn)TC4還是進(jìn)口Ti-6Al-4V鈦合金，都可實(shí)現(xiàn)HB6512螺栓的頭部近凈成形。但是，Ti-6Al-4V材料的近凈成形性能明顯優(yōu)于TC4，而且Ti-6Al-4V材料的初生α相數(shù)量明顯多于國(guó)產(chǎn)TC4材料。鈦合金初生α相數(shù)量的增加，有利于提高鈦合金螺栓的疲勞壽命。