引 言
目前鈦合金鍛件產(chǎn)品被大量用于宇航、軍工和汽車等領(lǐng)域，鈦合金材料具有較高的比強(qiáng)度，密度為4.54g/cm3，同時(shí)具有較好的熱穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)度。但在鍛件生產(chǎn)過(guò)程中，由于TC4材料組織在變形過(guò)程中對(duì)變形溫度和變形程度極為敏感，容易出現(xiàn)大批量高低倍組織不合格的現(xiàn)象，進(jìn)而影響鈦合金材料的塑性和高溫強(qiáng)度，這些不合格組織如粗大晶粒、魏氏組織等對(duì)于宇航軍工產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是致命的隱患[1]，因此近些年來(lái)有效控制TC4鈦鍛件的組織成為研究熱點(diǎn)。
1、鍛造工藝策劃
1.1 鍛件產(chǎn)品不合格現(xiàn)象分析
以中國(guó)某鍛壓企業(yè)大批量生產(chǎn)的某零件（鍛件規(guī)格為Ф100×75 mm）為例，原材料為符合GB/T 2965-2007要求，鍛造生產(chǎn)時(shí)1次鐓粗成形，始鍛溫度為970 ℃、終鍛溫度為850 ℃，此材料在經(jīng)鍛造和熱處理后力學(xué)性能、金相不合格現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，廢品率較高，如圖1所示。
從圖1可以看出，低倍組織有肉眼可見(jiàn)的清晰晶粒，按照標(biāo)準(zhǔn)GJB2744A-2007評(píng)級(jí)為5級(jí)，屬于不合格組織；高倍組織中初生α相含量小于5%，所有β晶界未α充分破碎，符合標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖中的7類，也屬于不合格組織，初步分析為鍛造溫度和變形程度參數(shù)選取不當(dāng)所致。
1.2 試驗(yàn)流程及方案
為改善鈦合金鍛件質(zhì)量，避免因高低倍不合格引起大批量產(chǎn)品報(bào)廢，計(jì)劃開(kāi)展4組工藝試驗(yàn)研究，試驗(yàn)變量為始鍛溫度和變形量，所有產(chǎn)品不檢測(cè)高低溫力學(xué)性能、不進(jìn)行探傷工序，其余按照Ι-GJB2744A-2007驗(yàn)收，成形尺寸為Ф（115±3） mm×（75±3） mm，鍛件生產(chǎn)流程如圖2所示。
鍛件鍛后熱處理退火溫度為750 ℃，4組工藝試驗(yàn)參數(shù)變量如表1所示。
2、開(kāi)展鍛造試驗(yàn)
2.1 鍛件原材料質(zhì)量分析
原材料組織對(duì)于鍛件組織具有一定的遺傳特性，此次工藝試驗(yàn)所用原材料標(biāo)準(zhǔn)為GB/T2965-2007，供應(yīng)狀態(tài)為退火態(tài)（M），復(fù)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
原材料高倍組織如圖3所示。
原材料棒材為退火態(tài)，由圖3可以看出，原材料高倍組織不同部位有一定差別，主要是初生α相含量從邊緣到中心部逐漸增多，晶粒尺寸逐漸較小，原因是隨著變形量的增加初生α相晶粒的尺寸變小，β轉(zhuǎn)變組織所占的比重有所減小[2]。
2.2 鍛造試驗(yàn)
試驗(yàn)件在400 kg空氣錘上進(jìn)行鍛造，原材料使用電爐加熱，加熱溫度及變形量如表1所示，鍛造試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。
4組試驗(yàn)件熱處理制度為完全再結(jié)晶退火，退火溫度750 ℃，保溫1 h后空冷。
3、結(jié)果分析
熱處理后對(duì)1~4組試驗(yàn)鍛件剖切取樣，每組第1件剖切橫向拉伸試樣和沖擊試樣，第2件在3個(gè)區(qū)（Ι-易變形區(qū)、Ⅱ-難變形區(qū)、Ⅲ-變形死區(qū)）切取高、低倍（Z-軸向、Q-切向）組織，取樣示意如圖5所示。
3.1 力學(xué)性能分析
力學(xué)性能指標(biāo)比照表3驗(yàn)收。
1~4試驗(yàn)鍛件力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)如表4所示。
由表4可以看出，低溫大變形條件下（試驗(yàn)組4）對(duì)力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)較為有利，按照變形工藝力學(xué)指標(biāo)從好到壞依次為：低溫大變形＞低溫常規(guī)變形＞高溫常規(guī)變形＞高溫大變形；而試驗(yàn)組3力學(xué)性能存在超差現(xiàn)象，如圖6所示，試驗(yàn)組3低倍評(píng)級(jí)5級(jí)、高倍7類，鍛件纖維組織存在穿流和渦流現(xiàn)象，會(huì)對(duì)抗拉和屈服有不良影響[3]。
大塑性變形條件下，如果變形速率高，則其溫升效應(yīng)逐漸凸顯，溫升較大且溫降比較小，極容易導(dǎo)致變形溫度超過(guò)β相變轉(zhuǎn)變溫度，導(dǎo)致等軸α相變成針狀或片層狀α相，且存在比較明顯的魏氏組織和晶界α相，這也是力學(xué)指標(biāo)超差的主要原因[5,6]。
3.2 高倍組織分析
圖7為4組試驗(yàn)鍛件剖切后Ⅲ區(qū)的高倍組織。
從圖7a、7c可以看出，在970 ℃不同變形程度條件下晶界破碎程度和初生α相含量是不同的；對(duì)比圖7b、7d可知：變形量越大、變形溫度越低越容易形成初生α相。
圖8為3個(gè)變形區(qū)的高倍組織示意。
如圖8所示，3個(gè)變形區(qū)初生α相含量隨變形量減少而逐漸減少，圖8c因變形量較低，原始β晶界未充分破碎，存在連續(xù)、平直的晶界α相，該相的存在是裂紋擴(kuò)展的直接通道，有利于裂紋的擴(kuò)展，因此導(dǎo)致TC4材料的塑性指標(biāo)有所降低[7]。
3.3 低倍組織結(jié)果統(tǒng)計(jì)與金相分析
按圖5進(jìn)行剖切取樣，試驗(yàn)組1-4熱處理后低倍評(píng)級(jí)統(tǒng)計(jì)如表5所示。
由表5第1組試驗(yàn)的低倍組織評(píng)級(jí)結(jié)果分析可知，在高溫常規(guī)改鍛情況下，熱處理后會(huì)出現(xiàn)高低倍組織超差的現(xiàn)象；初步分析原因?yàn)椋哄懺鞙囟冗^(guò)高，且變形量不足，變形所累計(jì)的再結(jié)晶激活能不夠充足，再結(jié)晶晶粒少，少部分晶粒異常長(zhǎng)大后，金相組織發(fā)生異常[8,9]，如圖9a、9b所示。 而大變形情況下，高溫高速變形會(huì)使鍛件局部溫升過(guò)高，溫升會(huì)促使難變形區(qū)和變形死區(qū)顯微組織中β相轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧詈推瑺瞀料啵乙蜃冃嗡绤^(qū)變形量不足而使β晶界未完全破碎[10]，這種情況下即會(huì)形成不合格的組織，如圖9c所示，這種現(xiàn)象和表X力學(xué)性能指標(biāo)的優(yōu)劣排序是相符的，說(shuō)明高溫變形下的不合格低倍組織會(huì)對(duì)鍛件的力學(xué)性能指標(biāo)造成一定影響。
對(duì)比1、3組試驗(yàn)低倍組織檢測(cè)情況，如圖9所示，大變形對(duì)低倍組織有一定改善作用；由試驗(yàn)組3鍛件取樣理化檢測(cè)結(jié)果可知，試驗(yàn)件低倍檢測(cè)評(píng)級(jí)與取樣方向有關(guān)連，切向一般好于軸向。
4、結(jié) 論
a）鍛造變形溫度和變形程度嚴(yán)重影響TC4鈦合金的高低倍組織和力學(xué)性能指標(biāo)，在鍛造溫度950 ℃和大變形工藝情況下（變形量不小于70%），鍛件高低倍及理化檢測(cè)合格率明顯改善，結(jié)果優(yōu)于其他鍛造生產(chǎn)工藝，驗(yàn)收指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GJB 2744A-2007標(biāo)準(zhǔn)要求。
b）低溫大變形有利于細(xì)化晶粒組織、提高鍛件產(chǎn)品力學(xué)性能，改善鍛件高倍組織，且變形溫度越低、變形程度越大，越容易出現(xiàn)初生α相組織。
c）高低倍組織對(duì)力學(xué)性能指標(biāo)有影響，低倍組織穿晶、渦流和高倍組織出現(xiàn)魏氏組織會(huì)使產(chǎn)品力學(xué)性能指標(biāo)降低，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用性能。
參考文獻(xiàn)
[1] 李曙光, 等. 國(guó)外高超音速飛行器現(xiàn)狀及有關(guān)工藝技術(shù)研究[J]. 航天制造技術(shù), 2017(6): 11-14. Li Shuguang, et al. The research of current situation of foreign hypersonic aircraft and related technology[J]. Aerospace Manufacturing Technology, 2017(6): 11-14.
[2] 劉奇先, 等. 鈦合金的研究進(jìn)展與應(yīng)用[J]. 航天制造技術(shù), 2018(9): 7-10. Liu Qixian, et al. Progress and application of titanium alloy[J]. Aerospace Manufacturing Technology, 2018 (9): 7-10.
[3] 張常娟, 等. 鑄錠成分對(duì)TC4鈦合金相變點(diǎn)及鍛造組織的影響[J]. 熱加工工藝, 2017(6): 21-23.Zhang Changjuan, et al. Influence of ingot composition on phase transformation point and forging structure of TC4 titanium alloy[J]. Thermal Processing Technology, 2017(6): 21-23.
[4] 張志雄, 等. 鈦合金多向鍛造工藝研究進(jìn)展[J]. 塑性工程學(xué)報(bào), 2020(3): 185-186. Zhang Zhixiong, et al. Research progress of multi-directional forging process of titanium alloy[J]. Journal of Plastic Engineering, 2020(3): 185-186.
[5] 劉飛, 等 TC4薄腹高筋構(gòu)件等溫塑性成形研究[J]. 航天制造技術(shù), 2017(6): 11-14. Liu Fei, et al. Research on isothermal plastic forming of TC4 thin web and high reinforced component[J]. Aerospace Manufacturing Technology, 2017 (6): 11-14.
[6] 權(quán)國(guó)輝, 等. TC4鈦合金熱鍛雙相及晶粒時(shí)空演變分析[J]. 模具工業(yè)2020(10): 39-41. Quan Guohui, et al. Analysis of dual phase and grain space-time evolution in hot forging of TC4 titanium alloy[J]. Mold Industry, 2020(10): 39-41.
[7] 張闖, 等. TC4合金風(fēng)扇葉片鍛造工藝及組織性能研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2018. Zhang Chuang, et al. Research on forging process, microstructure and properties of TC4 alloy fan blade[D]. Harbin: Harbin University of Technology, 2018.
[8] 龔龍清, 等. 鈦合金多向鍛造數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2017. Gong Longqing, et al. Numerical simulation and experimental research on multi-directional forging of titanium alloy[D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2017.
[9] 宮敏利, 等. TC4鈦合金鍛件缺陷分析[J]. 熱加工工藝, 2016(6): 14-16. Gong Minli, et al. The defect analysis of TC4 titanium forging[J]. Thermal Processing Technology, 2016(6): 14-16.
[10] 田喜明, 等 鍛造變形量對(duì)TC4-DT鈦合金鍛件組織與力學(xué)性能的影響[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2013(9): 19-21. Tian Ximing, et al. Effect of forging deformation on microstructure and mechanical properties of TC4-DT titanium alloy forgings[J]. The Progress of Titanium Industry, 2013(9): 19-21.
作 者 簡(jiǎn)
介 宮 成（1988-），男，工程師，主要研究方向?yàn)楹教祛I(lǐng)域金屬材料塑性成 形工藝。
劉 浩（1989-），男，工程師，主要研究方向?yàn)殄懺鞜峒庸ぁ?nbsp;
劉曉霏（1986-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向有色金屬材料熱處理。
高新亮（1992-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧蠠崽幚怼?/span>
張國(guó)慶（1987-），男，工程師，主要研究方向?yàn)楹谏饘倥c有色金屬組織 檢測(cè)與力學(xué)性能分析。
相關(guān)鏈接
