文／蘭寶山·貴州航宇科技發(fā)展股份有限公司

TC4-DT 鈦合金是我國(guó)自行研制的一種典型的中高強(qiáng)損傷容限鈦合金。本文主要對(duì)TC4-DT 鈦合金鍛造工藝、熱處理工藝、微觀組織和力學(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，利用光學(xué)金相組織觀察、力學(xué)性能測(cè)試等研究手段，總結(jié)出不同鍛造工藝和熱處理工藝對(duì)該合金的組織和性能的影響規(guī)律。

TC4-DT 作為適應(yīng)現(xiàn)代材料科學(xué)發(fā)展的一種損傷容限合金，必須具備良好的綜合力學(xué)性能。鈦合金的性能和其組織形態(tài)關(guān)系密切，鈦合金的組織形態(tài)往往是由冶煉與后續(xù)的鍛造工藝和熱處理工藝決定的。鈦合金的熱處理強(qiáng)化的基本原理，既與鋁合金相似，屬于淬火時(shí)效強(qiáng)化類型，又與鋼的熱處理相似，也有馬氏體相變。

TC4-DT 合金的力學(xué)性能主要由冶煉過(guò)程、鍛造過(guò)程和熱處理過(guò)程決定。通過(guò)不同的鍛造和熱處理工藝可以獲得不同顯微組織的TC4-DT 合金，以獲得最優(yōu)的強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性，以滿足不同的使用要求。因此，探討TC4-DT 鈦合金的鍛造與熱處理工藝與顯微組織、力學(xué)性能之間的關(guān)系有著重要的意義。

TC4-DT 鍛造原材料

TC4-DT 原材料化學(xué)成分

鍛造用原材料(棒料)為西部超導(dǎo)提供的直徑d為300mm 的720℃退火態(tài)的車光棒，采用金相法測(cè)得該批TC4-DT 原材料的β 相變點(diǎn)為(970±5)℃。原材料化學(xué)成分見表1。

表1 TC4-DT 原材料化學(xué)成分(wt%)

TC4-DT 原材料超聲波探傷

由表2 可知，鍛造用TC4-DT 原材料超聲波探傷結(jié)果未見超標(biāo)單顯，但雜波水平超標(biāo)，φ1.2mm 平底孔半聲程雜波水平為-2dB ～+2dB，判定為組織不均勻造成的散射混響引起輕微的雜波水平超標(biāo)。

表2 TC4-DT 原材料超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)

TC4-DT 鍛件自由鍛工藝研究

鍛造工序后的鍛件尺寸要求見圖1，鍛造成形工步采用α+β 常規(guī)兩相區(qū)鍛造。鍛造坯料下料長(zhǎng)度為φ300mm×(623±3)mm，坯料倒角R15mm。鍛造設(shè)備為40MN油壓機(jī)，鍛造加熱采用普通的箱式電爐，控溫精度為±10℃，坯料到溫裝爐。為防止變形熱的急劇上升，要求操作的過(guò)程中控制鐓粗或整體壓扁的壓下間隔時(shí)間、壓下量和采用中等變形速率。

圖1 鍛件尺寸要求

除特別注明外，鐓粗壓下時(shí)間間隔為10 ～15s，當(dāng)鍛造坯料尺寸大于300mm 時(shí)，單次壓下量為小于20mm；當(dāng)鍛造坯料大于200mm 小于300mm 時(shí)，單次壓下量小于15mm；當(dāng)鍛造坯料小于200mm 時(shí)，單次壓下量小于10mm。拔長(zhǎng)時(shí)壓下間隔時(shí)間為5 ～10s，拔長(zhǎng)過(guò)程中不宜出現(xiàn)折疊缺陷，采用逐步送進(jìn)的方式進(jìn)行拔長(zhǎng)，不允許在同一位置連續(xù)壓扁拔長(zhǎng)。鐓粗和拔長(zhǎng)的過(guò)程中可以翻面交替進(jìn)行，為避免坯料和模具直接接觸和溫降過(guò)快，與油壓機(jī)接觸的坯料端面必須墊上石棉，如果石棉破碎或被壓成粉末狀應(yīng)進(jìn)行更換。鍛造的過(guò)程中如果出現(xiàn)裂紋、折疊等缺陷，應(yīng)排除缺陷后再加熱進(jìn)行鍛造，鍛造坯料修傷的寬深比大于10，圓滑過(guò)渡。本文共研究了3 種鍛造工藝，分別標(biāo)記為鍛造工藝A、鍛造工藝B 和鍛造工藝C。

鍛造工藝A

⑴鍛造工藝A 的技術(shù)參數(shù)。

鍛造工藝A 采用兩相區(qū)反復(fù)鐓拔工藝。溫度達(dá)到設(shè)定溫度裝入到箱式電阻爐，爐溫均勻性為±10℃，加熱溫度為(Tβ-40)℃，最短保溫時(shí)間按0.7min/mm×有效厚度計(jì)算，最長(zhǎng)保溫時(shí)間按小于1.2min/mm×有效厚度計(jì)算，趁熱回爐且保溫時(shí)間減半。終鍛溫度大于850℃，鍛后置于料架上風(fēng)冷或趁熱回爐。

⑵鍛造工藝A 的變形工步。

鍛造工藝A 變形工步見表3。

表3 鍛造工藝A 變形工步

鍛造工藝B

⑴鍛造工藝B 的技術(shù)參數(shù)。

鍛造工藝B 采用鈦合金兩相區(qū)鍛造+β 相區(qū)鍛造＋兩相區(qū)鍛造技術(shù)，最終兩相區(qū)成形。到溫裝入到箱式電阻爐，爐溫均勻性±10℃。兩相區(qū)加熱溫度為(Tβ-40)℃，最短保溫時(shí)間按0.7min/mm×有效厚度計(jì)算，最長(zhǎng)保溫時(shí)間按小于1.2min/mm×有效厚度計(jì)算，趁熱回爐保溫時(shí)間減半。終鍛溫度大于850℃，鍛后置于料架上風(fēng)冷或趁熱回爐，β 相區(qū)鍛造前1 火采用水冷工藝，為了保證冷卻效果，水箱的容積必須足夠。

β 相區(qū)加熱溫度(Tβ+20)℃，保溫時(shí)間按實(shí)際有效厚度×0.4min/mm 計(jì)算，坯料最長(zhǎng)保溫時(shí)間小于0.7min/mm。β 相區(qū)鍛造時(shí)不能在高溫(Tβ+20)℃爐中趁熱回爐，但可以回(Tβ-40)℃爐中保溫后，進(jìn)行后續(xù)工序鍛造或置于料架上分散風(fēng)冷。

β 相區(qū)鍛造時(shí)變形量控制：鐓粗壓下時(shí)間間隔為10 ～15s，當(dāng)鍛造坯料尺寸大于300mm 時(shí)，單次壓下量為小于30mm；當(dāng)鍛造坯料大于200mm 小于300mm 時(shí)，單次壓下量小于25mm；當(dāng)鍛造坯料小于200mm 時(shí)，單次壓下量小于20mm。

⑵鍛造工藝B 的變形工步。鍛造工藝B 變形工步見表4。

表4 鍛造工藝B 變形工步

鍛造工藝C

⑴鍛造工藝C 的技術(shù)參數(shù)。

鍛造工藝C 采用兩相區(qū)改鍛，兩相區(qū)成形工藝。每火次變形量小于30%，但應(yīng)避免落入臨界變形區(qū)。溫度達(dá)到設(shè)定溫度裝箱式電阻爐，爐溫均勻性±10℃。加熱溫度為(Tβ-40)℃，最短保溫時(shí)間按0.7min/mm×有效厚度計(jì)算，最長(zhǎng)保溫時(shí)間按小于1.2min/mm×有效厚度計(jì)算，趁熱回爐且保溫時(shí)間減半。終鍛溫度大于850℃，鍛后置于料架上風(fēng)冷或趁熱回爐。

⑵鍛造工藝C 的變形工步。

鍛造工藝C 變形工步見表5。

表5 鍛造工藝C 變形工步

TC4-DT 鍛件熱處理工藝研究

本文研究了在普通退火工藝下對(duì)材料微觀組織的影響，制定的熱處理工藝為普通退火750℃×120min/空冷。為獲得好的材料損傷容限值，控制準(zhǔn)β 退火工藝對(duì)材料微觀組織和性能的影響，制定的熱處理工藝為945℃×150min+985℃×25min/風(fēng)冷＋730℃×200min/空冷。另外，通過(guò)固溶與時(shí)效可以得到一定的強(qiáng)化效果，獲得良好的強(qiáng)度、塑性、斷裂韌性等性能的匹配，還制定了期望獲得較好的綜合力學(xué)性能930℃×60min/空冷＋550℃×360min/空冷的熱處理制度。

熱處理設(shè)備：高溫箱式電阻爐、中低溫箱式電阻爐，爐溫均勻性±10℃。準(zhǔn)β 退火工藝第二階段(β區(qū)加熱)爐溫均勻性±6℃。

普通退火對(duì)合金組織的影響

圖2為不同鍛造工藝在750℃退火后的顯微組織。從圖2 中可以看出，鍛造工藝A 和鍛造工藝B 相較鍛造工藝C 退火后的α 相含量相對(duì)較少，α 相尺寸更小，分布更加均勻。

圖2 不同鍛造工藝750℃退火后的顯微組織

準(zhǔn)β 退火對(duì)合金組織的影響

準(zhǔn)β退火應(yīng)得到網(wǎng)籃組織，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中因?yàn)橛绊懞辖鸾M織因素眾多，對(duì)準(zhǔn)β 退火熱處理工藝應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎使用，盡量縮短在β 相區(qū)的停留時(shí)間，可在α+β 相區(qū)上部保溫后，再升到β 區(qū)上部短時(shí)快速保溫。當(dāng)加熱到β 轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)，晶粒長(zhǎng)大迅速。

圖3 給出了不同鍛造工藝準(zhǔn)β 熱處理后的顯微組織，可以看出經(jīng)過(guò)準(zhǔn)β 熱處理后顯微組織為網(wǎng)籃組織，或網(wǎng)籃組織＋少量的等軸α 相。

圖3 不同鍛造工藝準(zhǔn)β 熱處理后的顯微組織

固溶、時(shí)效對(duì)合金組織的影響

在固溶處理的過(guò)程中，加熱溫度影響初生α 相的含量，加熱時(shí)間和保溫時(shí)間主要影響固溶體的過(guò)飽和度和固溶體的晶粒大小。固溶處理的時(shí)間不足，會(huì)造成固溶體的飽和度低，從而影響到隨后的時(shí)效處理，導(dǎo)致正常的時(shí)效硬度偏低。固溶時(shí)間偏長(zhǎng)，導(dǎo)致固溶體的晶粒長(zhǎng)大變粗，使材料的組織惡化和性能降低。

從圖4 可以看出，不同鍛造工藝固溶與時(shí)效后的顯微組織為雙態(tài)組織，鍛造工藝A 和鍛造工藝B 的α 相尺寸較鍛造工藝C 尺寸小，分布更均勻，可以認(rèn)為采用適當(dāng)增加鍛造變形量或在兩相區(qū)大變形鍛造后增加水冷工藝，再采用兩相區(qū)固溶、時(shí)效處理制度后能夠起到細(xì)化的晶粒作用。

圖4 不同鍛造工藝固溶與時(shí)效后的顯微組織

鍛造與熱處理工藝對(duì)合金拉伸性能的影響

表6 給出了經(jīng)過(guò)鍛造工藝A、B、C 和經(jīng)過(guò)普通退火750℃后的室溫拉伸性能。從表6 可以看出，采用普通退火工藝時(shí)，如在鍛造過(guò)程中采取較大的變形量或采用鍛后水冷工藝，有利于提高TC4-DT 合金的拉伸性能。

表6 經(jīng)過(guò)鍛造工藝A、B、C 和750℃退火后的室溫拉伸性能

表7 給出了經(jīng)過(guò)鍛造工藝A、B、C 以及準(zhǔn)β 退火工藝945℃+985℃+730℃后的室溫拉伸性能。從表7 可以看出，采用準(zhǔn)β 退火工藝時(shí)，如經(jīng)過(guò)鍛造工藝A，由于發(fā)生了再結(jié)晶，出現(xiàn)了混晶組織，降低了TC4-DT 合金的拉伸性能。鍛造工藝B 經(jīng)過(guò)大變形和水冷工藝及準(zhǔn)β 退火工藝時(shí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)再結(jié)晶混晶組織，可能是因?yàn)樵黾恿怂涔に?，產(chǎn)生了足夠多的晶體缺陷，在再結(jié)晶的過(guò)程中，形成了足夠多的晶核而并未出現(xiàn)二次或三次再結(jié)晶現(xiàn)象。鍛造工藝C 經(jīng)過(guò)小變形和準(zhǔn)β 退火工藝也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)二次或三次再結(jié)晶現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)鍛造工藝A，再經(jīng)過(guò)普通退火或兩相區(qū)固溶+時(shí)效熱處理后，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)二次和三次再結(jié)晶現(xiàn)象。所以，經(jīng)鍛造工藝A 和準(zhǔn)β 退火熱處理工藝出現(xiàn)的二次或三次再結(jié)晶，可能是因?yàn)殄懺旃に嘇變形產(chǎn)生的晶體缺陷和β相區(qū)加熱綜合因素造成。

表7 經(jīng)過(guò)鍛造工藝A、B、C 和945℃+985℃+730℃準(zhǔn)β 退火后的室溫拉伸性能

表8 給出了經(jīng)過(guò)鍛造工藝A、B、C，以及930℃+550℃固溶加時(shí)效熱處理后的室溫拉伸性能。從表8可以看出：

表8 經(jīng)過(guò)鍛造工藝A、B、C 和930℃+550℃固溶與時(shí)效后的室溫拉伸性能

⑴采用兩相區(qū)固溶＋時(shí)效工藝時(shí)，如在鍛造過(guò)程中采取較大的變形量或采用鍛后水冷工藝，有利于提高TC4－DT 合金的拉伸性能。

⑵比較表6、表7、表8 的拉伸性能可以看出：兩相區(qū)固溶＋時(shí)效工藝能得到較好的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)。

鍛造與熱處理工藝對(duì)合金斷裂韌性的影響

表9 給出了經(jīng)過(guò)鍛造工藝A、B、C 以及普通退火800℃、準(zhǔn)β 退火工藝945℃+985℃+730℃和930℃+550℃固溶加時(shí)效熱處理后的斷裂韌性。從表9 可以看出：

表9 斷裂韌性(MPa·mm1/2)

⑴采用普通退火工藝時(shí)，如在鍛造過(guò)程中采取較大的變形量或采用鍛后水冷工藝，有利于提高TC4-DT 合金的斷裂性能。

⑵β 退火工藝和兩相區(qū)固溶＋時(shí)效工藝能得到較好斷裂韌性指標(biāo)。

結(jié)論

本文主要研究了不同鍛造與熱處理工藝對(duì)TC4-DT 合金自由鍛件的顯微組織和力學(xué)性能的影響。不同的改鍛工藝、不同的變形程度以及不同的熱處理制度對(duì)TC4-DT 合金的組織演變規(guī)律，并探討了其對(duì)室溫拉伸性能、斷裂韌性的影響，得到以下結(jié)論：

⑴TC4-DT 兩相鈦合金在α+β 兩相區(qū)鍛造時(shí)，隨著變形量的增加，晶粒被逐步拉長(zhǎng)、破碎與變形。初生α 相將呈球化趨勢(shì)，部分發(fā)生β 轉(zhuǎn)變，α 相含量相對(duì)變少，且尺寸也相對(duì)變小，同時(shí)組織更加均勻。

⑵TC4-DT 兩相鈦合金在α+β 兩相區(qū)鍛造過(guò)程增加水冷工藝，組織中存在馬氏體轉(zhuǎn)變，在后續(xù)的變形過(guò)程中部分片層α 相得到破碎，并容易發(fā)生再結(jié)晶，能導(dǎo)致α 相含量相對(duì)增多，次生α 相長(zhǎng)寬比變小，后續(xù)的變形過(guò)程中產(chǎn)生許多細(xì)小晶粒。由此可知，水冷工藝能夠細(xì)化晶粒。

⑶在較大截面或大型TC4-DT 自由鍛件在大變形鍛造之后，由于變形不均勻，冷卻速度不均勻，晶格缺陷和位錯(cuò)密度增高或畸變能增高等綜合因素，在β相區(qū)加熱和冷卻后，為個(gè)別晶粒的粗大提供了條件。對(duì)于較大截面或大型的TC4-DT 自由鍛件應(yīng)避免采用β 相區(qū)加熱的熱處理工藝。如為獲得高的損傷容限值而必須采用時(shí)，可考慮采用多道次、小變形的鍛造方式或者熱處理時(shí)減少鍛件的有效截面，或者采用大變形量和鍛后水冷的鍛造工藝避免晶粒的局部粗大。

⑷采用適當(dāng)增加鍛造變形量或在兩相區(qū)大變形鍛造后增加水冷工藝，再采用兩相區(qū)進(jìn)行固溶、時(shí)效處理制度后能夠起到細(xì)化晶粒的作用。