TC4-DT鈦合金鍛件組織與拉伸性能研究

劉 衛(wèi)

(西安三角防務(wù)股份有限公司質(zhì)量保證部，陜西710089)

鈦合金具有比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)性好等特點(diǎn)，被廣泛用于汽車、航空航天、艦船、電力以及化工等眾多領(lǐng)域[1]。TC4-DT鈦合金為增強(qiáng)國內(nèi)航空能力而研制的新型中強(qiáng)高損傷容限型鈦合金[2]。目前對(duì)于TC4-DT鈦合金的研究大多集中于斷裂韌性(KIC)和裂紋擴(kuò)展速率(da/dn)。拉伸性能作為TC4-DT鈦合金室溫性能的主要指標(biāo)，在保證TC4-DT鈦合金鍛件質(zhì)量方面同樣起到至關(guān)重要的作用。我公司利用不同鍛造工藝參數(shù)生產(chǎn)某大型梁類模鍛件，本文主要研究鍛造工藝參數(shù)對(duì)TC4-DT鈦合金鍛件組織和拉伸性能的影響。

1 原材料及工藝方法

TC4-DT鈦合金鍛件所用原材料均使用西部超導(dǎo)公司生產(chǎn)的?380 mm棒材，原材料化學(xué)成分和高、低倍相片分別見表1和圖1。從圖1可以看出，鈦合金原材料高倍組織為等軸組織，原材料低倍組織均勻，無冶金缺陷，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可正常投產(chǎn)使用。TC4-DT鈦合金原材料相變點(diǎn)參照HB 6623.1—1992淬火金相法測得，將TC4-DT鈦合金原材料組織中3%以下的初生α相的淬火溫度作為Tβ。TC4-DT鈦合金鍛件生產(chǎn)工序?yàn)椋涸牧舷铝稀杂慑憽ｅ憽鸁崽幚?。自由鍛、模鍛分別在我公司31.5 MN快鍛機(jī)和400 MN大型模鍛液壓機(jī)上進(jìn)行，熱處理在我公司均勻度為±5℃的臺(tái)車式熱處理爐進(jìn)行。我公司采用3種鍛造工藝生產(chǎn)這種梁類模鍛件，工藝1：自由鍛2火，鍛造溫度為Tβ-30℃；模鍛2火，鍛造溫度為Tβ-30℃。工藝2：自由鍛12火，鍛造溫度為Tβ-30℃；模鍛2火，鍛造溫度為Tβ-30℃。工藝3：自由鍛12火，鍛造溫度為Tβ-55℃；模鍛2火，鍛造溫度為Tβ-55℃。3種工藝熱處理制度均為：Tβ-30℃，120 min，Tβ+15℃，30 min，空冷+730℃，130 min，空冷。

2 組織與拉伸性能結(jié)果分析

2.1 TC4-DT鈦合金鍛件低倍組織分析

圖2為3種工藝生產(chǎn)的TC4-DT鈦合金鍛件低倍相片，低倍試樣均取自TC4-DT鈦合金鍛件的相同位置。從圖2可以看出，3種工藝生產(chǎn)的TC4-DT鈦合金鍛件低倍組織均為清晰晶組織，無冶金缺陷，均符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但也可以看出3種工藝所生產(chǎn)的TC4-DT鈦合金鍛件低倍也存在一定差異。

表1 TC4-DT 鈦合金原材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of TC4-DT titanium alloy raw material (mass fraction, %)

圖1 TC4-DT 鈦合金原材料高、低倍組織Figure 1 Microstructure and macrostructure of TC4-DT titanium alloy raw material

圖2 TC4-DT 鈦合金鍛件低倍組織Figure 2 Macrostructure of TC4-DT titanium alloy forgings

工藝1中TC4-DT鈦合金鍛件低倍組織不均勻，且在低倍試樣心部清晰可見鍛造流線。這主要是因?yàn)楣に?自由鍛造火次較少，在保證總變形量的前提下，每火次變形量較大，梁類鍛件各部分截面不同，受力不均導(dǎo)致組織不均勻。鍛件心部由于大的變形量，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而使得組織細(xì)化，局部應(yīng)力集中導(dǎo)致出現(xiàn)鍛造流線。

工藝2中TC4-DT鈦合金鍛件由于鍛造火次多，鍛造溫度較高，低倍組織比較均勻，晶粒也比較大。

工藝3中TC4-DT鈦合金鍛件由于鍛造溫度較低，阻礙了晶粒長大，使得鍛件晶粒較小。

2.2 TC4-DT鈦合金鍛件顯微組織分析

圖3為3種工藝生產(chǎn)的TC4-DT鈦合金鍛件顯微組織相片，顯微試樣均取自TC4-DT鈦合金鍛件的相同位置。從圖3可以看出，3種工藝生產(chǎn)的TC4-DT鈦合金鍛件顯微組織均為片層組織，無冶金缺陷，均符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

工藝1中TC4-DT鈦合金鍛件變形不均勻，鍛件3個(gè)位置顯微組織中均出現(xiàn)不同含量的殘余初生α相，含量均小于5%，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。由于變形不均勻，鍛造過程中工藝1中鍛件顯微組織中初生α相破碎程度也不一樣，導(dǎo)致最終鍛件的初生α相含量也不盡相同。

工藝2和工藝3中TC4-DT鈦合金鍛件顯微組織中已經(jīng)沒有初生α相，可以說明鍛造火次影響鍛件最終組織中的初生α相含量，鍛造火次增加則鍛件顯微組織中初生α相含量減少。

對(duì)比3種工藝的鍛件顯微組織可以看出，工藝3鍛件顯微組織中次生α相比較短小。這主要與鍛造溫度有關(guān)，工藝3鍛件鍛造溫度較低，在保證相同變形量的前提下，使鍛件顯微組織中次生α長大的驅(qū)動(dòng)力降低。

2.3 TC4-DT鈦合金鍛件拉伸性能分析

經(jīng)熱處理后，在TC4-DT鍛件不同位置切取理化試料，然后測試力學(xué)性能，表2為3種工藝方法生產(chǎn)的TC4-DT鍛件拉伸性能測試結(jié)果，測試取樣部位均為鍛件相同位置。由表2可見，TC4-DT鈦合金鍛件的力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。工藝1中TC4-DT鈦合金鍛件力學(xué)性能均高于其它兩種工藝的鍛件，具有較高的拉伸強(qiáng)度和塑性，這主要與工藝1中TC4-DT鈦合金鍛件顯微組織中殘余的初生α相有關(guān)。工藝1中TC4-DT鈦合金鍛件拉伸變形是在初生α相的個(gè)別晶粒中以滑移開始的，隨變形量增加，滑移將占據(jù)越來越多的α晶粒，并向周圍的β轉(zhuǎn)變組織擴(kuò)展，因而空洞形核、連接和擴(kuò)展較遲，斷裂前將產(chǎn)生更大的變形，因此拉伸性能較好[3]。但同時(shí)可以看出，工藝1中TC4-DT鈦合金鍛件拉伸性能相對(duì)其它兩種工藝比較不均勻，與低倍、高倍組織結(jié)果一致，主要是由于鍛造火次較少，變形不均勻?qū)е碌摹?/p>

圖3 TC4-DT鈦合金鍛件顯微組織相片F(xiàn)igure 3 Microstructure picture of TC4-DT titanium alloy forgings

表2 TC4-DT 鈦合金鍛件拉伸性能測試結(jié)果Table 2 Tensile properties results of TC4-DT titanium alloy forgings

由表2也可以看出，工藝2中TC4-DT鈦合金鍛件拉伸性能數(shù)據(jù)較均勻，與低倍組織結(jié)果一致，工藝2中鍛件拉伸性能強(qiáng)度整體優(yōu)于工藝3的鍛件。組織決定性能，相比工藝3，工藝2中鍛件低倍組織晶粒較大，顯微組織中次生α相比較長。片層組織轉(zhuǎn)變組織中有較多的次生條狀α相，尺寸較大的集束決定了晶體具有很大的滑移長度，因在晶界和不同位集的交界處發(fā)生滑移堵塞，從而使拉伸性能提高。

3 討論

由于變形條件不同，TC4-DT鈦合金鍛件組織和拉伸性能存在較大差異。鍛造火次影響鍛件的組織均勻性。本文中由于TC4-DT鈦合金鍛件尺寸較大，鍛件各部位截面相差較大，在保證相同變形量條件下，鍛件各部位組織產(chǎn)生較大差異，拉伸

性能也不盡相同。工藝1中由于鍛造火次較少，鍛件組織不均勻，拉伸性能也不均勻。但工藝1中鍛件鍛造火次較少，顯微組織中存在一定的殘余初生α相，導(dǎo)致鍛件拉伸性能提高。鍛造溫度對(duì)于TC4-DT鈦合金鍛件組織和性能也有重要影響。隨著鍛造溫度升高，TC4-DT鈦合金鍛件晶粒尺寸增大，顯微組織中次生α長度增加，鍛件的拉伸強(qiáng)度升高。

4 結(jié)論

(1)鍛造火次影響TC4-DT鈦合金鍛件的均勻性，鍛造火次增加，鍛件的組織和拉伸性能均勻性增加。

(2)TC4-DT鈦合金鍛件顯微組織中殘余一定量的初生α相有利于提高拉伸性能。

(3)鍛造溫度升高，TC4-DT鈦合金鍛件拉伸強(qiáng)度增加。

參考文獻(xiàn)

[1] 王以華，林健，吳振清，等.鈦合金的應(yīng)用前景及其鍛壓技術(shù)[J].金屬加工，2009(21)：12-28.

[2] 史小云，付寶全，王文盛，等.鍛造溫度對(duì) TC4-DT 鈦合金棒材力學(xué)性能及顯微組織的影響[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2010(10)：79-82.

[3] 劉超平.熱加工工藝對(duì)鈦合金組織和性能的影響[D].沈陽：東北大學(xué)，2011.