某特殊需求的大規(guī)格TC4鈦合金棒材制備工藝研究

張豐收，王凱旋，雷錦文，高玉社，丁永峰，史蒲英，劉向宏

(西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)

某特殊需求的大規(guī)格TC4鈦合金棒材制備工藝研究

張豐收，王凱旋，雷錦文，高玉社，丁永峰，史蒲英，劉向宏

(西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司，陜西 西安 710018)

為給某特殊鍛件提供滿足缺口應(yīng)力斷裂性能的大規(guī)格TC4鈦合金棒材，將3次真空自耗熔煉得到的5 t重的φ720 mm TC4鈦合金鑄錠，分別采用β相區(qū)開(kāi)坯+兩相區(qū)直拔鍛造和β相區(qū)開(kāi)坯+兩相區(qū)鍛造(鐓拔+直拔)兩種工藝，制成φ350 mm TC4鈦合金棒材。第二種工藝制備的鍛棒組織的均勻性及等軸化程度、超聲波探傷水平均優(yōu)于第一種工藝制備的棒材;普通退火處理后棒材的室溫塑性和缺口應(yīng)力斷裂性能也較好;各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

TC4鈦合金;棒材;鍛造;缺口應(yīng)力斷裂性能

0 引言

TC4鈦合金具有良好的室溫及高溫力學(xué)性能，被廣泛用于制造航空結(jié)構(gòu)件和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、鼓筒等，已占到航空用鈦合金總量的50%以上。飛機(jī)的諸多承力結(jié)構(gòu)件，尤其是變截面結(jié)構(gòu)件要求原材料棒材具有很好的缺口應(yīng)力斷裂性能，目的在于保證零件在高應(yīng)力集中的狀態(tài)下具有較強(qiáng)的抑制裂紋萌生和擴(kuò)展的能力，而不致于斷裂失效。國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中該類(lèi)型TC4鈦合金棒材規(guī)格的上限為φ220 mm。目前，未見(jiàn)國(guó)內(nèi)外關(guān)于要求缺口應(yīng)力斷裂性能的TC4鈦合金棒材制備工藝研究的公開(kāi)報(bào)道。一般認(rèn)為，TC4鈦合金中的氫含量較高或者組織均勻性較差會(huì)降低其室溫缺口應(yīng)力斷裂性能［1］。在工業(yè)化批量生產(chǎn)中，因工藝不當(dāng)導(dǎo)致此類(lèi)棒材的缺口應(yīng)力斷裂性能不合格的現(xiàn)象也較為常見(jiàn)。

某特殊鍛件的原材料采購(gòu)合同要求按照現(xiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供超規(guī)格范圍的φ350 mm TC4鈦合金棒材，在保證力學(xué)性能指標(biāo)不變的前提下，要求超聲波探傷水平由原較小規(guī)格棒材的GB/T 5193中的B級(jí)提高至A級(jí)，因此開(kāi)展了特殊需求的大規(guī)格TC4鈦合金棒材制備的相關(guān)工藝研究。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用海綿鈦、中間合金制備5 t自耗電極，通過(guò)德國(guó)進(jìn)口的ALD真空自耗電弧爐，經(jīng)3次真空自耗熔煉得到φ720 mm的TC4鈦合金鑄錠。由于高應(yīng)力狀態(tài)下氫的微觀偏聚會(huì)降低缺口應(yīng)力斷裂性能［1］，實(shí)驗(yàn)中對(duì)鑄錠的原料選擇和熔煉過(guò)程均采取了一定的措施來(lái)針對(duì)性地控制鑄錠的氫含量。在鑄錠頭部、中部和尾部的表面取樣測(cè)試其化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表1，滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。在鑄錠頭部 取樣，經(jīng)金相法測(cè)得其相變點(diǎn)為990～995℃。

表1 TC4鈦合金鑄錠的化學(xué)成分(w/%)Table 1 Chemical composition of TC4 titanium alloy ingot

鍛造設(shè)備為4 500 t快鍛機(jī)。將鑄錠沿長(zhǎng)度方向鋸切成3等份，選其中兩段分別采用兩種不同的鍛造工藝制備φ350 mm TC4鈦合金棒材。工藝1的路線為:鑄錠單相區(qū)開(kāi)坯(鐓粗+拔長(zhǎng))至550 mm方坯→兩相區(qū)平砧拔長(zhǎng)→兩相區(qū)摔圓至φ360 mm棒坯→機(jī)加車(chē)光至φ350 mm成品棒材。工藝2的路線為:鑄錠單相區(qū)開(kāi)坯(鐓粗+拔長(zhǎng))至550 mm方坯→兩相區(qū)鐓粗+拔長(zhǎng)+型砧直拔→兩相區(qū)摔圓至φ360 mm棒坯→車(chē)光至φ350 mm成品棒材。其主要差異在于工藝1在兩相區(qū)采取平砧直拔變形，工藝2在兩相區(qū)采取鐓拔和型砧直拔相結(jié)合的變形方式，且工藝1在兩相區(qū)的總變形量小于工藝2。

分別在采用兩種工藝鍛造得到的φ350 mm TC4鈦合金成品棒材上沿縱向切取長(zhǎng)度為75 mm的棒材進(jìn)行兩種溫度的普通退火處理，退火制度分別為M1(720℃ ×2 h/AC)和M2(790℃ ×2 h/AC)。用肉眼觀察鍛后棒材的低倍組織;分別在鍛造態(tài)和退火處理后的棒材上1/2半徑處沿橫向截取金相試樣，采用OLMPUS光學(xué)顯微鏡觀察其微觀組織。在退火處理后的棒材1/2半徑處沿縱向線切割得到試樣坯，機(jī)械加工成符合標(biāo)準(zhǔn)的室溫拉伸和缺口應(yīng)力斷裂性能的測(cè)試試樣，采用Instron-4507拉伸試驗(yàn)機(jī)和DN2缺口拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，觀察缺口應(yīng)力斷裂試樣缺口區(qū)域的顯微組織。采用SONIC-138VFD超聲波探傷儀對(duì)兩種工藝鍛造得到的TC4鈦合金成品棒材進(jìn)行超聲波無(wú)損探傷檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 低倍組織

采用兩種工藝制備的φ350 mm TC4鈦合金棒材鍛造態(tài)的低倍組織見(jiàn)圖1。從圖1可以看出，采用工藝1制備的TC4鈦合金棒材的低倍組織均勻性較差，呈現(xiàn)從邊緣部位的模糊晶逐漸向中心部位的半清晰晶過(guò)渡的現(xiàn)象;采用工藝2制備的棒材低倍組織均勻性良好，整個(gè)試樣均為模糊晶狀態(tài)。這說(shuō)明采用工藝1進(jìn)行鍛造，鑄錠和中間坯料心部組織被破碎和細(xì)化的程度不夠，這與其總變形量較小直接相關(guān)，由于鈦合金變形抗力較大，加之大規(guī)格棒材坯料的體積大，單一直拔變形也很難保證坯料心部變形充分。而工藝2充分利用4 500 t快鍛機(jī)的大噸位鍛造壓力，使大規(guī)格坯料在兩相區(qū)經(jīng)過(guò)鐓拔變形，保證了坯料的鍛透性，且利用型砧拔長(zhǎng)減少了坯料變形“死區(qū)”，使坯料不同部位均得到了充分變形，獲得了破碎細(xì)化良好且一致性較好的組織。

圖1 兩種不同工藝制備的φ350 mm TC4鈦合金棒材鍛造態(tài)的低倍組織Fig.1 Macrostructures of φ350 mm TC4 titanium alloy bars in forged condition produced by two different processes

2.2 顯微組織

采用兩種工藝鍛造得到的TC4鈦合金棒材鍛造態(tài)和不同溫度退火處理后的顯微組織分別見(jiàn)圖2和圖3。從圖2可以看出，采用工藝1鍛造得到的TC4鈦合金棒材鍛造態(tài)的顯微組織為非等軸組織，α相以短棒狀為主，且在一定區(qū)域內(nèi)具有較強(qiáng)的方向性;采用工藝2制備的棒材鍛造態(tài)的顯微組織為等軸組織。這與低倍試樣表現(xiàn)出的組織特征是一致的，因?yàn)楣に?兩相區(qū)變形量較小，很難使單相區(qū)析出的初生α相等軸化和細(xì)化。從圖3可以看出，由于普通退火溫度遠(yuǎn)低于相變點(diǎn)，TC4鈦合金退火處理后顯微組織的類(lèi)型和初生α相含量與鍛造態(tài)相比變化不明顯。采用工藝1鍛造得到的TC4鈦合金棒材退火后的顯微組織中出現(xiàn)了少許等軸α相，這是由于存儲(chǔ)了一定變形畸變能的短棒狀α相在退火過(guò)程中發(fā)生了靜態(tài)再結(jié)晶［2］;對(duì)比圖3a和c，在相對(duì)較高的溫度退火后等軸α相含量相對(duì)較多，這是因?yàn)闇囟仍礁撸拥臄U(kuò)散能力越強(qiáng)，α相的靜態(tài)再結(jié)晶越顯著。采用工藝2鍛造得到的TC4鈦合金棒材退火后，基體β相中析出了一定量的片層狀次生α相;相比720℃退火(圖3b)，790℃退火(圖3d)后棒材組織中片層狀次生α相尺寸相對(duì)較大。

圖2 兩種不同工藝制備的φ350 mm TC4鈦合金棒材鍛造態(tài)顯微組織Fig.2 Microstructures of φ350 mm TC4 titanium alloy bars in forged condition produced by two different processes

圖3 兩種不同工藝制備的φ350 mm TC4鈦合金棒材退火態(tài)顯微組織Fig.3 Microstructures of φ350 mm TC4 titanium alloy bars after annealing treatment produced by two different processes

綜合來(lái)看，經(jīng)不同溫度退火后，采用工藝1和工藝2制備的棒材顯微組織均可以滿足相關(guān)技術(shù)要求，但采用工藝2制備的棒材經(jīng)790℃ ×2 h/AC退火后的顯微組織更加理想。

2.3 力學(xué)性能和超聲波探傷水平

采用工藝1和工藝2鍛造得到的TC4鈦合金棒材的室溫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，兩種鍛造工藝制備的棒材經(jīng)不同溫度退火處理后的室溫拉伸性能均可滿足供貨技術(shù)要求。采用工藝1制備的棒材塑性相對(duì)較低，這是其顯微組織中初生α相的等軸化程度差以及方向性較強(qiáng)所導(dǎo)致的;采用工藝2制備的棒材經(jīng)不同溫度退火處理后的缺口應(yīng)力斷裂性能均達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求的5 h未斷，而采用工藝1制備的棒材經(jīng)不同溫度退火后的缺口應(yīng)力斷裂性能測(cè)試結(jié)果均不合格。這在一定程度上也表明，鍛造態(tài)良好的等軸化組織對(duì)提高棒材缺口應(yīng)力斷裂性能十分有利，而后續(xù)普通退火處理對(duì)缺口應(yīng)力斷裂性能的影響較小。

表3 兩種不同工藝制備的φ350 mm TC4鈦合金棒材的室溫力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of φ350 mm TC4 titanium alloy bars produced by two different processes

在外加應(yīng)力作用下，缺口根部因承受三向拉應(yīng)力，應(yīng)力集中最明顯，因此缺口根部是導(dǎo)致試樣斷裂的優(yōu)先區(qū)域。為了分析顯微組織對(duì)缺口應(yīng)力斷裂性能的影響，對(duì)測(cè)試后的工藝1+M2試樣和工藝2+M2試樣的缺口根部顯微組織進(jìn)行了對(duì)比，其顯微組織見(jiàn)圖4。

圖4 缺口應(yīng)力斷裂試樣缺口區(qū)域的顯微組織Fig.4 Microstructures in note root of the samples

一般而言，等軸組織可以緩解裂紋尖端的應(yīng)力集中而具有較強(qiáng)的抑制裂紋萌生的能力，片層組織具有較強(qiáng)的抑制裂紋擴(kuò)展的能力。采用工藝1制備的棒材經(jīng)退火后的顯微組織主要是方向一致性較強(qiáng)的短棒狀初生α相，抑制裂紋萌生的能力較差，而方向一致性且較強(qiáng)的組織給裂紋擴(kuò)展提供了有利的“平直”路徑，這也就是采用工藝1制備的棒材相對(duì)采用工藝2制備的棒材缺口應(yīng)力斷裂性能較低的原因。

對(duì)采用工藝1和工藝2鍛造的φ350 mm TC4鈦合金成品棒材進(jìn)行了超聲波無(wú)損探傷檢測(cè)。結(jié)果表明，采用工藝1制備的棒材超聲波探傷結(jié)果可滿足GB/T 5193中的B級(jí)要求，采用工藝2制備的棒材可滿足GB/T 5193中的A級(jí)要求。采用工藝2制備的棒材超聲波無(wú)損探傷水平達(dá)到了供貨的技術(shù)要求。

3 結(jié)論

(1)采用β相區(qū)開(kāi)坯和兩相區(qū)鐓拔+直拔的鍛造工藝，可制備出組織、性能和探傷水平均滿足供貨技術(shù)要求的φ350 mm大規(guī)格TC4鈦合金棒材。

(2)初生α相等軸化良好的組織有利于提高室溫缺口應(yīng)力斷裂性能，方向一致性較強(qiáng)的短棒狀α相組織會(huì)降低缺口應(yīng)力斷裂性能。

［1］沈桂琴，傅作義，王小舟.TC4鈦合金顯微組織對(duì)室溫缺口應(yīng)力斷裂性能的影響［J］.稀有金屬，1986(3):181－185.

［2］Stefansson N，Semiatin S L，Eylon D.The kinetics of static globularization of Ti-6Al-4V［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，2002，33(11):3527－3534.

［3］Semiatin S L，Stefansson N，Doherty R D.Prediction of the kinetics of static globularization of Ti-6Al-4V［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，2005，36(5):1372－1376.

［4］王凱旋.TC17鈦合金片層組織演變與性能關(guān)系的定量研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2010:66～68.

Research on Preparation of Large-sized TC4 Titanium Alloy Bar for Special Needs

Zhang Fengshou，Wang Kaixuan，Lei Jinwen，Gao Yushe，Ding Yongfeng，Shi Puying，Liu Xianghong
(Western Superconducting Technologies Co.，Ltd.，Xi’an 710018，China)

To meet the notch stress fracture property needs of some special forgings，the φ720 mm TC4 titanium alloy ingot weighed 5 t was produced by triple VAR(vacuum arc remelting)process，and φ350 mm bars were forged by the β forging+(α + β)drawing，and the β forging+(α + β)upsetting and drawing，respectively.The bar forged by the second process has more uniformity and equiaxed microstructure and better noise level in ultrasonic testing than which forged by the first process.After the annealing，the bars forged by latter process has better plasticity and the notch stress fracture property，which can accord with the requirement of the standard.

TC4 titanium alloy;bar;forging;notch stress fracture property

10.13567/j.cnki.issn1009-9964.2014.03.007

2014－03－12

張豐收(1965—)，男，高級(jí)工程師。