文／葉寧，姚彥軍·陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司

TC2 是一種具有中等強(qiáng)度和較好塑性的近α型高溫鈦合金材料，主要應(yīng)用于高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片。TC2 含有4%α 穩(wěn)定元素Al和1.5%β 穩(wěn)定元素Mn，名義化學(xué)成分為Ti-4Al-1.5Mn。這種合金不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，只能在退火狀態(tài)下使用。TC2 具有較好的工藝塑性、焊接性和熱穩(wěn)定性，長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)350℃，短時(shí)使用溫度為750℃，在航空工業(yè)、宇航工業(yè)、化工工業(yè)、造船業(yè)等方面日益得到廣泛的應(yīng)用。

等溫鍛造是近年來發(fā)展起來的一種高效、可靠的新工藝。與常規(guī)鍛造相比，等溫鍛造工藝不僅能夠有效減小或消除模具激冷和材料應(yīng)變硬化的影響，顯著降低變形抗力與提高材料的成形性能，并能在一定的變形溫度和速度下實(shí)現(xiàn)超塑性變形，已經(jīng)成為當(dāng)前鈦合金鍛件生產(chǎn)工藝的一個(gè)重要發(fā)展方向。

本文以某型機(jī)TC2 合金葉片鍛件為研究對(duì)象，研究了等溫模鍛TC2 合金葉片低倍組織亮線現(xiàn)象的原因及改善措施，從而為TC2 鈦合金等溫鍛造葉片生產(chǎn)工作提供技術(shù)保障。

試驗(yàn)過程

原材料明細(xì)

TC2 鈦合金等溫鍛葉片試驗(yàn)所用原材料為采購(gòu)到的兩種棒材，可稱為棒材1 和棒材2，規(guī)格為φ150mm×180mm，原材料明細(xì)見表1，化學(xué)成分見表2。

表1 原材料明細(xì)

表2 化學(xué)成分(wt%)

鍛造試制方案

鍛件二維簡(jiǎn)圖見圖1，為保證足夠的加工余量(葉身單邊包絡(luò)4mm)，葉片總長(zhǎng)度為480mm，葉身最大弦寬約84mm，最大厚度15mm，葉片投影面積0.1m2，鍛件重量6.01kg。

圖1 鍛件二維簡(jiǎn)圖

根據(jù)鍛件的具體形狀和坯料尺寸，綜合考慮變形量，再結(jié)合鍛件各處的應(yīng)力應(yīng)變，鍛件充型能力等，為棒材1、棒材2 設(shè)計(jì)合理的荒形(圖2)和預(yù)鍛件(圖3、圖4)，荒形葉身經(jīng)過拔長(zhǎng)后，設(shè)計(jì)預(yù)鍛模分配鍛造變形量(圖5、圖6)。

圖2 制坯荒形

圖3 預(yù)鍛1 火

圖4 預(yù)鍛2 火

圖5 預(yù)鍛1 火縱向應(yīng)變模擬

圖6 預(yù)鍛2 火縱向應(yīng)變模擬

預(yù)鍛1 火變形量，P1：35%、P2：53%、P3：34%、P4：27%、P5：29%、P6：57%、P7：29%。

預(yù)鍛2 火變形量，P1：47%、P2：55%、P3：31%、P4：47%、P5：30%、P6：30%、P7：33%、P8：58%、P9：29%、P10：25%。

等溫終鍛變形量(圖7)，P1：12%、P2：33%、P3：43%、P4：50%、P5：49%、P6：49%、P7：41%、P8：24%。

圖7 等溫終鍛縱向應(yīng)變模擬

主要鍛造參數(shù)如下，

荒形鍛造設(shè)備：2t 電液錘；

預(yù)鍛制坯設(shè)備：8000t 壓力機(jī)；

等溫模鍛設(shè)備：油壓機(jī)；

鍛造溫度：Tβ－35℃；

保溫系數(shù)：0.8min/mm；

預(yù)鍛參數(shù)，1 火：自由下落1 錘，約在50%打擊能量下打擊1 ～2 錘；2 火：約在60%打擊能量下打擊1 ～2 錘；

等溫終鍛壓制速度：0.1 ～0.3mm/s；

熱處理：780℃環(huán)境下保溫60min 后出爐空冷，散開空冷。

試驗(yàn)結(jié)果

⑴棒材1。

1)高低倍試驗(yàn)。

對(duì)棒材1 生產(chǎn)后的鍛件進(jìn)行理化縱向低倍測(cè)試，經(jīng)腐蝕(HF:HNO3:H2O=10:15:75)后發(fā)現(xiàn)低倍上有亮線顯示，呈沿縱向流線分布，如圖8 所示。

圖8 縱向低倍結(jié)果

將切取的高倍試樣，分別磨制縱向面與橫向面，并經(jīng)腐蝕(HF:HNO3:H2O=5:12:83)后，宏觀組織照片見圖9，高倍組織照片見圖10。

由圖9 可見，亮線沿縱向流線方向分布，橫向面也存在亮線；亮線呈現(xiàn)半清晰晶形態(tài)，沿金屬流線分布，較為細(xì)小。

圖9 高倍試樣的宏觀組織照片

由圖10 可見，低倍亮線處的高倍組織(紅圈圈示意圖)中初生α 相含量較少，亮線處等軸初生α相大量減少，亮線寬度為40 ～50μm。

圖10 高倍試樣的高倍組織照片

2)能譜試驗(yàn)。

對(duì)高倍試樣進(jìn)行能譜測(cè)試，結(jié)果如圖11 所示。

圖11 高倍試樣的縱向面與橫向面EDS 圖

高倍試樣縱向EDS 分布見表3：高倍縱向試樣“亮線”區(qū)，Mn 元素最大值為1.83，平均值為1.696；正常區(qū)最小值為1.26，平均值為1.356；Mn 元素極差值為0.57，平均差值為0.34；其他元素含量幾乎無明顯差異。

表3 高倍試樣縱向EDS 元素分布表(wt%)

高倍試樣橫向EDS 元素分布見表4：高倍橫向試樣“亮線”區(qū)，Mn 元素最大值為1.78，平均值為1.65；正常區(qū)最小值為1.39，平均值為1.5；Mn 元素極差值為0.39，平均差值為0.15；其他元素含量幾乎無明顯差異。

表4 高倍試樣橫向EDS 元素分布表(wt%)

比較可知，縱向試樣Mn 元素的波動(dòng)比橫向的高。

⑵棒材2。

1)高低倍試驗(yàn)。

由圖12 可見，棒材2 生產(chǎn)后的鍛件，其縱、橫向低倍組織均勻，無亮線出現(xiàn)。

圖12 縱橫向低倍組織

由圖13 可見，棒材2 生產(chǎn)后的鍛件，其縱、橫向高倍組織為初生α 相＋基體，高倍組織均勻。

圖13 縱橫向高倍組織

2)能譜試驗(yàn)。

對(duì)高倍試樣進(jìn)行能譜測(cè)試(圖14、表5)。由表5 可見，四個(gè)EDS 采點(diǎn)區(qū)，Mn 元素含量無明顯差異，極差值為0.14，小于標(biāo)準(zhǔn)供料異常區(qū)值。

圖14 高倍試樣EDS 圖

表5 高倍試樣EDS 元素分布表(wt%)

試驗(yàn)分析

TC2 合金為近α 相合金，主要合金元素為Al、Mn。在TC2 鑄錠的真空自耗熔煉過程中，由于鋁、錳屬于易揮發(fā)組元，在真空冶煉條件下大量揮發(fā)，除相當(dāng)部分被真空機(jī)抽出外，大部分在鑄錠周邊和頂部富集，尤其是Mn 元素偏析更為嚴(yán)重，鑄錠表層的含錳量可高達(dá)中心部位的15 倍，造成鑄錠化學(xué)成分不均勻，產(chǎn)生嚴(yán)重的錳偏析。Fe、Mn、Cr 為β 相慢共析型元素，在鈦錠凝固時(shí)，合金成分會(huì)降低凝固溫度，使凝固點(diǎn)有一個(gè)很大的溫度范圍，還將導(dǎo)致鑄錠凝固期間的溶質(zhì)偏析。Fe、Mn、Cr 的偏析會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域β 相轉(zhuǎn)變溫度的降低，在最終產(chǎn)品中，這些區(qū)域顯示了不同的微結(jié)構(gòu)，有時(shí)在接近正常的β 相變溫度處理后，這些溶質(zhì)富集區(qū)在材料中清晰可見，一般稱為β 斑。β 斑對(duì)鍛件疲勞強(qiáng)度有害，因?yàn)樗鼈兊膹?qiáng)度較低，易優(yōu)先變形，導(dǎo)致早期的形核裂紋。

采用棒材1 生產(chǎn)后的鍛件，分析其縱向低倍流線異常情況，查詢相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圖片(圖15)，對(duì)比TC2 合金與易產(chǎn)生偏析的TC6 與TC4 合金鍛件低倍組織流線，可以看出：

⑴TC2 葉片縱向低倍組織流線區(qū)“亮線”，類似于圖15 中TC6 以及TC4 鍛件中局部偽大晶粒加偏析條帶，此偏析條帶正好類似鍛件低倍組織流線中的β 斑偏析。

圖15 標(biāo)準(zhǔn)中疑似“流線”β 斑

⑵結(jié)合高倍組織、低倍組織以及EDS 結(jié)果，認(rèn)為TC2 鈦合金等溫鍛件縱向低倍組織“亮線”，可能為Mn元素的局部偏析導(dǎo)致的類似鍛件流線的偏析條帶。

⑶采用超導(dǎo)棒材2 試驗(yàn)的鍛件，低倍組織無明顯異常。通過EDS 分析，高倍試樣Mn 元素分布均勻，而采用同一種鍛造工藝試制的鍛件，其超導(dǎo)鍛件低倍組織正常，進(jìn)一步驗(yàn)證了原材料中Mn 元素的局部偏析是形成鍛件低倍組織亮線的主要原因。

實(shí)用功能：生活照明

擺放方式：有臺(tái)擺式

示例原屬：宮廷器具

示例名稱：長(zhǎng)信宮燈

名詞解釋： 仕女跪坐玉階前 手持金罩把風(fēng)擋火光清亮無油煙 長(zhǎng)信宮內(nèi)華燈掌

結(jié)束語

⑴采用棒材1 試驗(yàn)的鍛件，通過高低倍試驗(yàn)及EDS 分析，Mn 元素不均勻；

⑵采用棒材2 試驗(yàn)的鍛件，通過高低倍試驗(yàn)及EDS 分析，Mn 元素均勻性好；

⑶本批鍛件低倍組織亮線可能是由原材料中Mn元素的不均勻，導(dǎo)致出現(xiàn)類似鍛件流線的偏析條帶造成的。