TA12A鈦合金鍛造裂紋分析與對(duì)策

文／李貴全，陳陽，郭曉明，孔慶偉·沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司精密鍛造廠

TA12A鈦合金鍛造裂紋分析與對(duì)策

文／李貴全，陳陽，郭曉明，孔慶偉·沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司精密鍛造廠

李貴全，畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)鍛壓工程專業(yè)，長(zhǎng)期從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件鍛造技術(shù)及工藝研究工作。

通過對(duì)TA12A鈦合金鍛造裂紋產(chǎn)生原因的分析，找出主要影響因素，制定改進(jìn)控制對(duì)策。經(jīng)過生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證，證明分析結(jié)果正確。解決對(duì)策采用的鍛造工藝方法，完全可以消除鍛造裂紋，從而獲得合格的TA12A鈦合金鍛件。該分析與對(duì)策，可以為類似尺寸、形狀和材料的鍛件成形提供借鑒。

問題的提出

發(fā)動(dòng)機(jī)軌道座零件設(shè)計(jì)用材料為TA12A鈦合金，采用鍛造成形工藝方法，鍛件流線要求與棒材流線保持一致，力學(xué)性能符合規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。鍛件設(shè)計(jì)圖樣見圖1。

圖1 鍛件簡(jiǎn)圖

鍛造毛坯規(guī)格為φ70mm×47mm，車床平斷面、倒角R，表面粗糙度為Ra6.3μm（毛坯設(shè)計(jì)圖樣見圖2）；加熱設(shè)備采用箱式電阻爐，鍛造設(shè)備選用400kg空氣錘。本次試制數(shù)量分4個(gè)批次，共計(jì)40件。鍛造過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坯料鐓粗變形達(dá)到一定變形量時(shí)，沿著兩個(gè)端面的弧形周邊產(chǎn)生輕微的裂紋（見圖3），隨著變形量的增加，微裂紋擴(kuò)展，越來越嚴(yán)重，且裂紋數(shù)量增加。第一批加熱的10件毛坯因?yàn)榱鸭y而報(bào)廢。

裂紋產(chǎn)生的原因分析

通過對(duì)鍛件端面裂紋的形貌觀察可以看到，裂紋在端面邊緣上產(chǎn)生，基本上都是沿著一定的傾斜方向，即同錘擊方向形成一定的夾角，且裂紋數(shù)量不等。

圖2 坯料加工簡(jiǎn)圖

圖3 鍛造裂紋示意圖

TA12A鈦合金鍛造工藝特性分析

TA12A鈦合金是一種近α型鈦合金，靠α穩(wěn)定元素（Al）、中性元素（Sn、Zr）和少量的β穩(wěn)定元素來強(qiáng)化合金。其合金的特點(diǎn)：⑴具有α型鈦合金的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)金屬發(fā)生塑性變形時(shí)，滑移首先是沿著晶體中原子排列密集的晶面和晶向優(yōu)先產(chǎn)生；⑵加熱溫度越高，加熱時(shí)間越長(zhǎng)，鈦合金表面的污染深度越大，導(dǎo)致材料表面變脆，變形時(shí)富氧層形成微裂紋，使材料的熱穩(wěn)定性下降；⑶鈦合金的黏性大，摩擦系數(shù)大，鍛造時(shí)金屬流動(dòng)劇烈，由于金屬間的摩擦生熱會(huì)引起溫升，即熱效應(yīng)效果非常明顯；⑷鈦合金的鍛造溫度范圍窄，變形抗力大，需要用較大的作用力才能完成規(guī)定的變形量。所以，其力學(xué)性能正常情況下是室溫塑性、熱穩(wěn)定性能好，而高溫性能、斷裂韌性、抗裂紋擴(kuò)展能力差，鍛造時(shí)很容易產(chǎn)生裂紋。

毛坯規(guī)格特點(diǎn)分析

當(dāng)前我國(guó)城市小區(qū)治理中的問題和矛盾層出不窮，小區(qū)內(nèi)部業(yè)主維權(quán)運(yùn)動(dòng)此起彼伏，居委會(huì)與業(yè)委會(huì)、物業(yè)公司之間為爭(zhēng)奪小區(qū)治理權(quán)而沖突不斷，基層政府游離于小區(qū)的內(nèi)部治理，小區(qū)治理的相關(guān)法律法規(guī)不健全等。迄今為止，全國(guó)大多數(shù)小區(qū)尚未建立業(yè)主組織或業(yè)委會(huì)，不少小區(qū)的治理要么屬于居委會(huì)或物業(yè)公司的獨(dú)占式管理，要么陷入混亂狀態(tài)甚至無政府狀態(tài)。顯然，我國(guó)城市小區(qū)治理的現(xiàn)代化之路任重而道遠(yuǎn)。城市小區(qū)治理的困境反映了理論認(rèn)識(shí)上的分歧和混亂。

從圖2坯料加工簡(jiǎn)圖可以看出，坯料的高度尺寸為43mm，小于坯料直徑φ70mm。當(dāng)變形方向?yàn)閺较蜱叴謺r(shí)，坯料的柱面發(fā)生鼓形變形，受到剪切應(yīng)力的作用非常大；根據(jù)自由鍛鐓粗變形特點(diǎn)，坯料在錘擊力作用下大變形時(shí)，端面中心將會(huì)產(chǎn)生凹陷，即中心的形變遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于四周的形變；在坯料出爐轉(zhuǎn)移過程中，端面尖邊部位的溫降遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他部位的溫降，當(dāng)端面邊緣溫度下降到一定溫度時(shí)，在剪切應(yīng)力的作用下，出現(xiàn)微裂紋，隨著變形量的加大，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。當(dāng)一次錘擊變形量過大時(shí)，表層的變形速度大于端面中心處的變形速度，表層的大變形量對(duì)端面中心處的小變形區(qū)形成一個(gè)正拉應(yīng)力，當(dāng)該拉應(yīng)力超過臨界應(yīng)力時(shí)，端面也將產(chǎn)生裂紋，應(yīng)力越大，裂紋越嚴(yán)重。其裂紋走向是由鈦合金的晶體結(jié)構(gòu)和變形區(qū)分布決定的。

鍛造方式分析

鍛造時(shí)為了滿足設(shè)計(jì)要求的流線方向，鍛造方式上采用徑向鐓粗直接成形的方式。鍛造過程中發(fā)現(xiàn)，毛坯的端面邊緣溫度下降很快，而金屬內(nèi)部的溫度隨著錘擊的次數(shù)和變形量的增加，在某些部位幾乎沒有變化。隨著變形量加大，邊緣部位開始出現(xiàn)微裂紋并隨機(jī)擴(kuò)展成裂紋。這是因?yàn)橛捎跍囟炔顚?dǎo)致在溫度下降的邊緣處形成一個(gè)剪切應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力超過了臨界值，便產(chǎn)生了微裂紋，并隨即擴(kuò)展成45°方向裂紋。由于毛坯的高徑比為h/d≈0.614，所以在進(jìn)行徑向鐓粗時(shí)，表面的變形速度要大于中心的變形速度，為了不產(chǎn)生端面中心凹陷，就必須加大打擊力，隨著打擊力的增加，變形量增大，應(yīng)力也就增大，裂紋也就越來越嚴(yán)重。

變形量和變形速度因素分析

為了保證在進(jìn)行徑向鐓粗時(shí)端面中心不出現(xiàn)凹陷，同時(shí)又克服鍛造溫度范圍窄，黏性大的不利因素，操作上采用增加錘擊力的方法，通過增大每次錘擊的變形量，來提高端面中心的變形速度。然而在非等溫條件下，采用這樣的方法雖然滿足了端面中心具有足夠的變形量，但是卻帶來了坯料周邊因溫度降低而塑性下降，大而劇烈的變形加速了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

通過以上分析得知，導(dǎo)致TA12A鈦合金鍛造裂紋的原因有以下幾個(gè)方面：

⑴鍛造過程中，坯料的端面邊緣溫度下降嚴(yán)重，快速變形以及大變形量并不能使該部位的溫度提升；低溫的部位塑性差，導(dǎo)致變形量過大的部位產(chǎn)生裂紋。

⑵為了減緩溫降而采取的提高錘擊力，力量過大引起在邊緣處產(chǎn)生的剪切應(yīng)力超過臨界值。

⑶高徑比為h/d≈0.614的坯料在進(jìn)行徑向鐓粗，連續(xù)錘擊下產(chǎn)生形變時(shí)，表面變形量大，而中心部位的變形量小，由變形增量引起的拉應(yīng)力超過了臨界值。

⑷在連續(xù)錘擊下，表層的應(yīng)變速率快于中心的應(yīng)變速率，造成了變形的不均勻，由此在邊緣部位產(chǎn)生了拉應(yīng)力，隨著變形不均勻增大，導(dǎo)致拉應(yīng)力超過了臨界值，金屬開裂。

⑸坯料表面形成的α硬化層，在溫度下降后變得更脆，塑性非常差，在錘擊力的打擊下開裂，同時(shí)因α硬化層下的金屬變形對(duì)其產(chǎn)生拉應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致其開裂。

解決方案的制定

通過以上造成TA12A鈦合金鍛造裂紋影響因素的分析可以看出，裂紋主要是采用的鍛造方式引發(fā)各種影響因素在鍛造過程產(chǎn)生的作用所致。根據(jù)分析結(jié)果制定解決對(duì)策如下：

⑴改變形變方式。采用四周鐓粗法來提高坯料轉(zhuǎn)移過程中尖邊所下降的溫度；增加h/d的比值，通過增大h/d的比值來進(jìn)一步降低每次錘擊變形的不均勻性。

⑵改變錘擊方式。先小錘輕擊尖邊變形，使h/d達(dá)到一定值，保證隨后的鐓粗形變均勻。

⑶采用重錘慢打方式。利用鈦合金具有的熱效應(yīng)特點(diǎn)，保證變形體溫度基本均勻，進(jìn)一步提高塑性，降低變形抗力。

⑷縮短坯料轉(zhuǎn)移時(shí)間。減少高溫坯料在空中的停留時(shí)間，減慢或減緩尖邊部位的溫度下降，延遲坯料表層的α硬化層增厚。

試制驗(yàn)證

按照原加熱工藝將坯料加熱后，按照?qǐng)D4所示的變形方式進(jìn)行鍛造變形。變形后的坯料由于尖邊消失，避免了溫降，由于熱效應(yīng)使得坯料溫度基本上保持一致，徹底消除了因溫降帶來的塑性降低而產(chǎn)生的微裂紋。

按照?qǐng)D5所示的方向?qū)ε髁线M(jìn)行徑向鐓粗變形，變形采用重錘慢打擊的方式。重錘打擊可以保證坯料每一錘具有足夠的變形量，緩慢錘擊可以使重錘得到的熱效應(yīng)具有足夠的擴(kuò)散時(shí)間。這樣一來，既保證了坯料具有足夠變形量又不使其局部溫度升高，基本上保持均勻。

為了保證坯料從出爐到錘擊的空中轉(zhuǎn)移速度足夠快，取消專人取料，改由操作者自己將加熱的坯料取出直接放到錘砧上進(jìn)行鍛造變形，嚴(yán)格控制坯料溫降。

驗(yàn)證結(jié)果

通過采用上述的控制措施，對(duì)剩余的30件坯料進(jìn)行了3個(gè)批次的加熱和鍛造變形。在保證了鍛件具有足夠的變形量和流線方向的條件下，沒有一件鍛件產(chǎn)生裂紋。經(jīng)過對(duì)鍛件的形狀和尺寸檢查，100%合格；低倍流線檢查符合要求，力學(xué)性能檢測(cè)滿足鍛件技術(shù)條件要求。

圖4 沿端面周邊錘擊變形示意圖

圖5 徑向鐓粗變形示意圖

結(jié)論

通過對(duì)TA12A鈦合金鍛造裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，制定出改進(jìn)控制對(duì)策，經(jīng)過生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證，得到的結(jié)論如下：

⑴對(duì)TA12A鈦合金在鍛造過程產(chǎn)生裂紋的原因分析基本正確。

⑵通過生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證，制定的改進(jìn)控制對(duì)策正確，操作方法得當(dāng)。

⑶采用新制定的變形方法鍛造TA12A鈦合金鍛件，可以獲得形狀和尺寸合格，低倍流線和力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的鍛件。

⑷當(dāng)鍛造類似產(chǎn)品時(shí)，可以借鑒本文中所敘述的改進(jìn)后的鍛造工藝。