Ti3Al合金葉片鍛造工藝研究（上）

文/邰清安，周浩浩，關(guān)紅，王丹·沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司技術(shù)中心

Ti3Al合金葉片鍛造工藝研究（上）

文/邰清安，周浩浩，關(guān)紅，王丹·沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司技術(shù)中心

邰清安，研究員級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)任中航工業(yè)黎明首席技術(shù)專家，中航發(fā)動(dòng)機(jī)模鍛專業(yè)首席專家，中航工業(yè)高溫合金專業(yè)一級(jí)專家。曾獲得國防工業(yè)、冶金部、航空部、航空工業(yè)總公司、中航工業(yè)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)數(shù)十項(xiàng)，發(fā)明和實(shí)用新型專利數(shù)十項(xiàng)，在國內(nèi)期刊發(fā)表科技論文數(shù)十篇。

本文通過壓扁試樣和葉片不同鍛造溫度、不同變形量及不同熱處理溫度對Ti3Al合金組織、性能影響的分析和等溫鍛造成形試驗(yàn)，確定了Ti3Al基合金葉片的鍛造工藝參數(shù)，并試制出葉片典型件，測試出基本性能和組織，實(shí)現(xiàn)了金屬間化合物葉片鍛件的鍛造成形，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研制生產(chǎn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

Ti3Al具有耐高溫、抗氧化和密度低（4.7g/cm3）的特點(diǎn)，而且彈性模量、抗蠕變性能比鈦合金好得多，密度只有鎳基合金一半。因此，它與其他TiAl系合金一樣被認(rèn)為是一種理想的富有開發(fā)應(yīng)用前景的航空、航天、軍事及民用的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。國內(nèi)相關(guān)合金近十幾年來在塑化、韌化方面取得了重大進(jìn)展，合金的室溫塑性、斷裂韌性和沖擊韌性等指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，現(xiàn)已在我國航天領(lǐng)域多項(xiàng)工程中得到應(yīng)用。未來的高推比發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、葉片等高溫部件有可能采用Ti3Al基合金制造，而目前各單位對TiAl系合金，包括塑性較好的Ti3Al的工程化研究均顯不足，因此有必要對其進(jìn)行進(jìn)一步工程化應(yīng)用工藝試驗(yàn)。

試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用Ti3Al基合金材料采用三次真空電弧自耗熔煉工藝，鑄錠成品規(guī)格為φ220mm。在開坯鍛造前進(jìn)行了均勻化處理，三鐓三拔后改鍛成φ95mm的棒坯；再經(jīng)二火軋制、車光外圓后達(dá)到所需φ28mm的棒材。試驗(yàn)材料相變點(diǎn)1100℃，各化學(xué)成分含量如下：Al-12.03%，Nb-30.17%，O-0.064%，N-0.0068%，H-0.0008%，Ti-余量。高低倍組織見圖1，高倍組織為三相雙態(tài)組織，其中α2體積百分含量在15%～20%，低倍組織未見缺陷。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

鍛造工藝性試驗(yàn)

⑴試驗(yàn)方案。

采用兩種變形量的楔形試樣在壓力機(jī)上進(jìn)行壓扁試驗(yàn)，大變形的楔形試樣變形量按0%～80%，試樣尺寸由20mm遞減到4mm，壓扁到（4±0.5）mm，試樣編號(hào)為1～4；小變形的楔形試樣變形量按0%～30%，試樣尺寸由11.5mm遞減到7.5mm，壓扁到（7.5±0.5）mm，試樣編號(hào)為6～9。變形溫度分別?。?000±10）℃、（1020±10）℃、（1040±10）℃、（1060±10）℃，試驗(yàn)方案見表1，楔形試樣表面噴涂高溫合金用玻璃潤滑劑GDS-17。

圖1 棒材的高倍和低倍組織圖

表1 楔形試樣試驗(yàn)要求

楔形試樣熱處理為1040℃固溶→保溫2h→油冷→850℃時(shí)效→保溫16h→空冷。每組鍛件縱向切開，一半作低倍組織檢查，另一半按5%～80%的變形量切取高倍組織試樣進(jìn)行高倍組織檢查，通過高倍組織分析確定最佳的鍛造加熱溫度和變形量。

⑵試樣低倍組織。

圖2 所示為4組變形溫度下不同變形量的楔形試樣低倍組織圖。加熱溫度低于1020℃和變形量超過70%時(shí)出現(xiàn)了鍛造裂紋（圖3），說明變形量超過70%時(shí)不易鍛造，加熱溫度也應(yīng)控制在1020℃以上。

圖2 不同變形溫度的楔形試樣低倍組織

圖3 不同變形量的低倍組織

⑶高倍組織。

由圖4可看到，加熱溫度為1040℃和1020℃的組織比較均勻，變形量在70%以下均無裂紋產(chǎn)生。從獲得均勻的組織考慮，Ti3Al基合金葉片的鍛造變形程度選擇在70%以下、加熱溫度選1020℃更為適宜。

圖4 不同溫度、變形量的高倍組織圖

《Ti3Al合金葉片鍛造工藝研究（下）》見2016年第5期