Ti2AlNb基合金薄壁構件熱成形工藝研究

史 科，劉 洋，武增臣，李保永，范小龍

(北京航星機器制造公司，北京 100013)

目前航空航天零部件正向輕量化、復雜化、異型化方向發(fā)展，并且飛行馬赫數(shù)越來越高，關鍵部位要求更耐熱，需大量采用輕質耐高溫材料.Ti2AlNb基合金具有較高的比強度、斷裂韌性、蠕變抗力等綜合力學性能，能在600～800℃內長時間使用，短時使用溫度達1 000℃左右，是目前最具工程應用前景的金屬間化合物之一，近年來已成為美國、日本等新材料領域研究的熱點之一［1－4］，例如美國已利用高強高韌的Ti2AlNb 基合金與鑄造γ－TiAl合金葉輪組合制成了新穎的雙金屬離心葉輪［5－7］.國內鋼鐵研究總院對 TiAl基、Ti3Al基以及Ti2AlNb基等金屬間化合物合金制備處于國際先進水平，研制出綜合力學性能良好的Ti2AlNb基合金［8］，與國內多家單位進行了合作研究了該類合金各種型材的鍛造、軋制、鈑金和連接等工藝.目前Ti2A1Nb基合金棒材、鑄錠已有較為成熟材料規(guī)范，對Ti2AlNb薄板尤其是冷軋薄板的制備技術較難，其工程應用還沒有開展過系統(tǒng)研究.

本文以Ti2A1Nb基合金的冷軋板材為研究對象，對其冷成形、焊接、熱成形、熱處理等工藝進行了較為系統(tǒng)的研究，成形出滿足設計要求的加強筋及錐筒零件，為該合金的工程化應用及航空航天構件的精密成形提供了依據(jù).

1 試驗

實驗材料是由鋼鐵研究總院提供的名義成分為(Ti－22Al－25Nb，原子數(shù)分數(shù)/%)的冷軋板材，板厚1 mm.對該材料進行了各種精密下料方式的比較分析，在JAMMES圈圓機上進行冷態(tài)卷曲試驗，在ACB FCC 500T熱成形機上進行熱校形、熱成形、熱處理試驗.用Leica MEF4A型顯微圖像分析儀(OM)進行了顯微組織分析，金相腐蝕液:體積分數(shù)20%HNO3+體積分數(shù)3%HF+H2O.其原始坯料組織形態(tài)如圖1所示，化學成分見表1.

圖1 Ti2A1Nb基合金原始坯料微觀組織

表1 Ti2A1Nb基合金化學成分(質量分數(shù)/%)

2 結果及分析

2.1 冷成形試驗

Ti2A1Nb基合金加工困難，室溫塑性低，冷成形易開裂且回彈嚴重［9］;切削力大、切削溫度高、刀具磨損劇烈;含鋁成分多，采用一般激光切割加工時反射率高，易對激光器造成損害.對該材料多種精密下料方式進行研究，下料效果見表2，結果顯示采用高壓水切割方式切割坯料外形效率高，斷口質量較好.水切割的坯料形貌如圖2所示，切割精度較高，斷口平整無開裂.

表2 下料效果對比

在JAMMES精密卷圓機上進行Ti2A1Nb基合金冷態(tài)卷曲試驗，通過調整壓力、間距、輥徑等參數(shù)經(jīng)反復冷圈圓后仍只能圈成半圓，圈圓后形貌如圖3所示.試驗結果顯示該材料室溫塑性低、回彈嚴重，對于較為復雜零件的預成形需采用其他方式實現(xiàn).

圖2 水切割下料形貌

2.2 熱成形試驗

2.2.1 熱成形工藝參數(shù)確定

Ti2A1Nb基合金性質活潑，高溫下易脆化產(chǎn)生裂紋，薄板熱成形工藝參數(shù)選擇及工藝過程控制難度大，此前國內還沒有實現(xiàn)過該類材料薄板熱成形工程零件的研制.據(jù)文獻顯示［10－14］，該材料在低溫區(qū)長時間加熱時，亞穩(wěn)態(tài)組織中B2相基體上析出次生O相板條并長大，使B2相硬化，降低了材料塑性，變形中產(chǎn)生開裂.Ti2A1Nb基合金的使用溫度為600～800℃，因此初步選定成形溫度在800℃以上不同溫度條件下進行熱翻邊成形試驗，試驗結果如表3所示.結果顯示該材料在835℃成形時易產(chǎn)生開裂，較為適合的熱成形溫度應不低于850℃.圖4顯示成形溫度870℃、壓下速度為0.2 mm/s條件下熱成形出的加強筋零件，顯示該條件下成形各部位成形效果良好.

表3 熱翻邊試驗結果

2.2.2 熱成形模具結構設計

鈦鋁金屬間化合物使用溫度高，其熱成形溫度也高，高溫狀態(tài)下零件材料與模具材料高溫下熱膨脹系數(shù)不同，模具結構設計需考慮尺寸縮放，縮放時按式(1)計算.最終設計的模具結構如圖5所示.

式中:Lcm、Lcj分別為常溫時模具、零件的名義尺寸;αm、αj分別為成形溫度時模具、零件的熱膨脹系數(shù);Δt為成形溫度和常溫的溫差.

圖4 870℃、0.2 mm/s成形的加強筋

圖5 錐筒熱成形模具結構

2.2.3 熱成形試驗

對于薄壁筒形類零件，若熱成形后進行焊接易產(chǎn)生變形，還需經(jīng)校形處理，因此對于帶有焊縫的零件熱成形工藝設計是關鍵技術之一.而鈦鋁金屬間化合物屬硬質易脆化材料，焊接方式的選擇與焊接工藝控制本身也較為困難.電子束焊接技術以其高能量密度、高熔透性以及焊接變形區(qū)小等優(yōu)點已成為連接Ti2A1Nb基合金的一種重要方法［13，15］.

錐筒零件制造工藝流程為:水切割下料→卷圓→涂高溫保護涂料→熱校形→電子束焊縱縫→熱翻邊→熱處理→取件.熱校形錐筒件如圖6所示.研究采用正交試驗法，優(yōu)選出了較佳的熱校形及熱成形工藝參數(shù)如下:熱校形溫度900℃，保溫2 h，空冷;熱成形溫度850～900℃，壓力300 kN，壓下速度0.4 mm/s，保壓600 s.最終獲得錐筒如圖7所示，結果顯示零件外形良好無裂紋等缺陷.圖8為熱成形后的電子束焊縫局部放大形貌，結果顯示采用電子束焊接焊縫窄，焊接質量較好，經(jīng)熱成形后未產(chǎn)生開裂現(xiàn)象.

圖6 熱校形錐筒

圖7 熱成形錐筒

圖8 熱成形后的電子束焊縫

2.3 熱處理試驗

Ti2AlNb基合金的微觀組織及性能十分敏感于熱機械加工和隨后熱處理工藝［5］，因此需對成形后的錐筒進行熱處理.為防止薄壁筒體在加熱過程中產(chǎn)生變形，熱處理過程在熱成形結束后在模具中保壓完成，可在一次熱循環(huán)內完成熱成形及熱處理，并可消除零件內部應力及焊接應力.根據(jù)文獻［13］顯示，Ti2AlNb基合金電子束焊接后經(jīng)850℃×2 h空冷處理的焊后接頭性能最佳，結合該材料的熱成形溫度分析，認為該熱處理制度較為適合.

對Ti2AlNb基合金錐筒零件的尺寸(包括直徑、圓度、錐度等)進行了測量，測試結果如表4所示，滿足設計尺寸要求.對成形后零件力學性能進行測試分析，試驗結果如表5所示，顯示零件成形后本體室溫拉伸性能達到原始坯料的91.1%，焊縫處室溫拉伸性能達到原始坯料的81.9%，結果表明采用電子束焊接工藝獲得的力學性能可滿足使用要求.

表4 零件尺寸測量

表5 零件力學性能測試

3 結論

1)Ti2AlNb合金薄板采用高壓水切割下料效率高、斷口質量較好，其室溫成形性能差，卷圓后回彈嚴重.

2)設計的一套熱校形/熱成形/熱處理一體化工裝模具設計方法，可在一套模具上實現(xiàn)以上功能，并保障了零件的尺寸精度與組織性能，實現(xiàn)了Ti2AlNb合金大尺寸零件的工程化應用.

3)采用900℃×2 h的熱校形工藝參數(shù)可使Ti2AlNb合金薄板筒體獲得較好的校形效果;采用熱成形方法可加工出Ti2AlNb合金加強筋與錐筒零件，需保證熱成形溫度在不低于850℃.

4)獲得的一套Ti2AlNb合金熱成形工藝規(guī)范，奠定了工程化應用基礎，可為該類材料及結構件的應用研究提供參考依據(jù).

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