Ti-6AL-4V ELI寬幅板坯鍛造工藝研究

供稿|張偉，李巍，李渭清，段曉輝，劉繼雄，龐洪 / ZHANG Wei, LI Wei, LI Wei-qing, DUAN Xiao-hui,LIU Ji-xiong, PANG Hong

Ti-6AL-4V鈦合金是典型的α+β兩相鈦合金，是應(yīng)用最為廣泛的鈦合金之一?？捎糜谥圃祜w機(jī)的承力結(jié)構(gòu)件、鍛件、鈑金件等。在Ti-6AL-4V合金基礎(chǔ)上改進(jìn)的Ti-6AL-4V ELI鈦合金是一種損傷容限型鈦合金，具有中等強(qiáng)度、高損傷容限和長疲勞壽命等特點(diǎn)。與其他中等強(qiáng)度鈦合金相比，在強(qiáng)度和塑性水平相當(dāng)?shù)那闆r下，Ti-6Al-4V ELI鈦合金具有相當(dāng)高的斷裂韌度和抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力，廣泛地應(yīng)用于制造深潛器耐壓殼體。

鈦合金成品板材對組織均勻性要求較高，在實際地生產(chǎn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)一些組織不均勻現(xiàn)象，造成成品板材不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因鈦合金具有組織遺傳性，因此鍛造板坯的組織形態(tài)和均勻性對軋制的成品板材具有決定性的影響。

本文主要研究板坯鍛造工藝及變形參數(shù)對板坯組織形態(tài)和性能的影響。目的在于選出較合理的板坯鍛造工藝，提高板坯質(zhì)量，為后期成品板材軋制奠定基礎(chǔ)。

試驗

試驗選材及工藝設(shè)計

試驗選用寶鈦股份生產(chǎn)的規(guī)格為φ920 mm/7200 kg的Ti-6Al-4V ELI鑄錠，鑄錠經(jīng)三次真空自耗電弧爐熔煉，以保證鑄錠成分均勻，最終扒皮去除表面缺陷。其化學(xué)成分符合GB/T3620的規(guī)定。

采用寶鈦股份鍛造廠擁有的80/100 MN快鍛機(jī)進(jìn)行鍛造。為保證板坯的組織均勻性，工藝設(shè)計為在單相區(qū)采用多火次鐓拔工藝，保證總變形大于80%，從而使鑄態(tài)組織充分破碎，晶粒細(xì)化。兩相區(qū)采用多火次鐓拔工藝，保證總變形大于70%的變形量，繼續(xù)細(xì)化晶粒，保證組織均勻性，并且使原直徑φ920 mm鑄錠墩粗至φ1150 mm，同時為使板坯寬度滿足≥1750 mm尺寸要求，采用橫向?qū)捳?，即坯料長度方向與錘頭長度方向平行；利用最小阻力原理，逐步展寬，最終得到滿足軋制工藝設(shè)計要求寬幅板坯。橫向?qū)捳构に嚾鐖D1所示，最終鍛造出軋制用板坯的規(guī)格為230 mm×1750 mm×≥4000 mm。

圖1 橫向?qū)捳故疽鈭D

鍛造工藝可行性分析

整個鍛造工藝中，兩相區(qū)的鐓粗鍛造因坯料溫度低、變形抗力大，所需要的力最大。通過對鍛造過程中所需的壓力進(jìn)行驗證，以檢測現(xiàn)有設(shè)備是否滿足。其墩粗力P(N)的大小由下式?jīng)Q定。

式中，C—材料變形時的約束系數(shù)；(由坯料和幾何形狀以及摩擦條件決定，當(dāng)摩擦系數(shù)為0.5時，C=1+D/6H，D、H為墩粗終了時鍛件的直徑和高度。)

σb—材料在變形溫度下的峰值應(yīng)力；

F—坯料與工具的接觸面積，mm2。

2-1式中峰值應(yīng)力σb值，根據(jù)工藝參數(shù)設(shè)定要求分別對不同溫度下最大變形壓力計算，通過熱模擬實驗得出Ti-6AL-4V ELI鈦合金在850 ℃、950 ℃、1150 ℃；應(yīng)變速率(/s)為0.001、0.01、0.1下的峰值應(yīng)力，如圖2所示。

通過圖2可得出Ti-6AL-4V ELI鈦合金板坯在兩相區(qū)鐓拔時應(yīng)變速率為0.01/s時，經(jīng)2-1公式計算得出所需最大變形壓力為56 MN，橫向?qū)捳棺畲笞冃螇毫?2 MN，即表明利用80/100 MN快鍛機(jī)，采用鐓拔加橫向?qū)捳构に嚨腻懺旆椒ㄊ强尚械摹?/p>

實際生產(chǎn)中設(shè)備系統(tǒng)顯示實測最大變形壓力為62 MN，由此說明Ti-6AL-4V ELI鈦合金熱模擬實驗數(shù)據(jù)是可信的，并且80/100 MN快鍛機(jī)滿足生產(chǎn)需求。

圖2 Ti-6AL-4V ELI鈦合金不同溫度、不同應(yīng)變速率峰值應(yīng)力

結(jié)果討論

通過對板坯不同部位進(jìn)行取樣，通過典型的熱處理狀態(tài)下，對不同部位的顯微組織，和力學(xué)性能檢測。熱處理制度為：750 ℃/保1.5 h.AC。

鍛造工藝對顯微組織的影響

鑄錠通過單相區(qū)大的變形對鑄態(tài)組織充分破碎，兩相區(qū)大的變形是組織進(jìn)一步細(xì)化，再延軸線壓扁拔長。從圖3中(a)~(d)板坯整體組織觀察，為典型的α＋β加工組織。(a)和(c)為邊部和心部縱向顯微組織，組織呈長條狀，并呈現(xiàn)一定的流線分布；(b)和(d)為完全球狀等軸組織。說明鍛造過程中金屬的主變形方向是沿著縱向進(jìn)行，這與工藝設(shè)定均為相符。得到縱、橫向顯微組織都很均勻，方便板坯后續(xù)軋制。

室溫力學(xué)性能

表1所示為Ti-6Al-4VELI鈦合金寬幅板坯不同方向的力學(xué)性能。表中數(shù)據(jù)表明，通過工藝設(shè)計鍛造方法生產(chǎn)出的寬幅板坯的力學(xué)性能已經(jīng)能夠滿足設(shè)計要求，為后續(xù)板坯軋制奠定了基礎(chǔ)。

圖3 鍛造板坯顯微組織。(a)心部縱向；(b)心部橫向；(c)邊部縱向；(d)邊部橫向

表1 室溫力學(xué)性能

板材無損探傷

Ti-6Al-4VELI鈦合金板材的心部、邊部超聲波探傷雜波水平到平底孔Φ2.0 -6 dB，進(jìn)一步表明板材組織均勻性和冶金質(zhì)量良好。

結(jié)論

(1) 通過80/100 MN油壓機(jī)采用橫向?qū)捳瑰懺旃に嚳缮a(chǎn)出尺寸規(guī)格為230 mm×1780 mm×≥4000 mm的 Ti-6AL-4V ELI鈦合金寬幅板坯。

(2) 經(jīng)過充分變形后組織為典型的兩相區(qū)變形組織，由等軸或長條的α相和β轉(zhuǎn)變組織組成；板坯抗拉強(qiáng)度大于900 MPa,延伸率大于14%；超聲波探傷雜波水平到平底孔Φ2.0 -6 dB。

(3) 通過合理的鍛造工藝和變形參數(shù)，使板坯組織均勻，性能滿足要求，為軋制奠定基礎(chǔ)。

圖4 Ti-6Al-4VELI鈦合金板材探傷水平

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