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度，密度為4.54g/cm3 ，同時具有較好的熱穩(wěn)定性和高溫強度。但在鍛件生產(chǎn)過程中，由于TC4材料組織在變形過程中對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度，這些不合格組織如粗大晶粒、魏氏組織等對于宇航軍工產(chǎn)品來說是致命的隱患 [1] ，因此近些年來有效控制TC4鈦鍛件的組織成為研究熱點。
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/T2965-2007 要求，鍛造生產(chǎn)時 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的清晰晶粒，按照標(biāo)準(zhǔn) GJB2744A-2007 評級為 5 級，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)評級圖中的 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)品報廢，計劃開展4組工藝試驗研究，試驗變量為始鍛溫度和變形量，所有產(chǎn)品不檢測高低溫力學(xué)性能、不進(jìn)行探傷工序，其余按照 Ι-GJB2744A-2007驗收，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 組工藝試驗參數(shù)變量如表 1 所示。
2、開展鍛造試驗
2.1 鍛件原材料質(zhì)量分析
原材料組織對于鍛件組織具有一定的遺傳特性，此次工藝試驗所用原材料標(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
試驗件在 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，鍛造試驗現(xiàn)場如圖 4 所示。
4組試驗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 1~4 組試驗鍛件剖切取樣，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 驗收。
由表 4 可以看出，低溫大變形條件下（試驗組 4）對力學(xué)性能各項指標(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；而試驗組 3 力學(xué)性能存在超差現(xiàn)象，如圖 6 所示，試驗組 3 低倍評級 5 級、高倍 7 類，鍛件纖維組織存在穿流和渦流現(xiàn)象，會對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 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 個變形區(qū)的高倍組織示意。
如圖 8 所示，3 個變形區(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展的直接通道，有利于裂紋的擴展，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)計與金相分析
按圖 5 進(jìn)行剖切取樣，試驗組 1-4 熱處理后低倍評級統(tǒng)計如表 5 所示。
由表5第1組試驗的低倍組織評級結(jié)果分析可知，在高溫常規(guī)改鍛情況下，熱處理后會出現(xiàn)高低倍組織超差的現(xiàn)象；初步分析原因為：鍛造溫度過高，且變形量不足，變形所累計的再結(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，高溫高速變形會使鍛件局部溫升過高，溫升會促使難變形區(qū)和變形死區(qū)顯微組織中 β相轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧詈推瑺?α 相，且因變形死區(qū)變形量不足而使 β 晶界未完全破碎 [10] ，這種情況下即會形成不合格的組織，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，說明高溫變形下的不合格低倍組織會對鍛件的力學(xué)性能指標(biāo)造成一定影響。
對比 1、3 組試驗低倍組織檢測情況，如圖 9 所示，大變形對低倍組織有一定改善作用；由試驗組 3 鍛件取樣理化檢測結(jié)果可知，試驗件低倍檢測評級與取樣方向有關(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合格率明顯改善，結(jié)果優(yōu)于其他鍛造生產(chǎn)工藝，驗收指標(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 hypersonicaircraft 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]. AerospaceManufacturing Technology, 2018 (9): 7-10.
[3] 張常娟, 等. 鑄錠成分對TC4鈦合金相變點及鍛造組織的影響[J]. 熱加工工藝, 2017(6): 21-23.
Zhang Changjuan, et al. Influence of ingot composition on phasetransformation 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, 2020(3):185-186.
Zhang Zhixiong, et al. Research progress of multi-directional forgingprocess 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 andhigh reinforced component[J]. Aerospace Manufacturing Technology,2017 (6): 11-14.
[6] 權(quán)國輝, 等. TC4 鈦合金熱鍛雙相及晶粒時空演變分析[J]. 模具工業(yè)
2020(10): 39-41.Quan Guohui, et al. Analysis of dual phase and grain space-time evolutionin 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 andproperties 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)值模擬及實驗研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2017.
Gong Longqing, et al. Numerical simulation and experimental research onmulti-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 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 介
宮 成（1988-），男，工程師，主要研究方向為航天領(lǐng)域金屬材料塑性成形工藝。
劉 浩（1989-），男，工程師，主要研究方向為鍛造熱加工。
劉曉霏（1986-），男，高級工程師，主要研究方向有色金屬材料熱處理。
高新亮（1992-），男，工程師，主要研究方向為金屬材料熱處理。
張國慶（1987-），男，工程師，主要研究方向為黑色金屬與有色金屬組織檢測與力學(xué)性能分析。
相關(guān)鏈接
