鍛造工藝對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金鍛件β晶粒組織均勻性的影響研究

文/代光華，王哲，張書(shū)美·陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司

鈦及鈦合金因其具有比強(qiáng)度高、耐熱性好、耐腐蝕性能優(yōu)等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、船舶以及化工等領(lǐng)域。Ti-6Al-4V鈦合金是目前應(yīng)用最廣泛的一種α+β兩相型鈦合金，具有良好的熱變形性、切削加工性、焊接性和耐腐蝕性，可加工成棒材、型材、鍛件等半成品，其用量占鈦合金總產(chǎn)量的50%以上，占全部鈦合金加工件的95%以上。目前鈦合金加工主要以鍛造為主，鈦合金的鍛造溫度范圍較窄，鍛件的組織、性能對(duì)熱變形參數(shù)十分敏感，在鍛造過(guò)程中容易產(chǎn)生局部過(guò)熱現(xiàn)象，造成較大的溫度差，加劇坯料內(nèi)外變形程度分布的不均勻性，導(dǎo)致鍛件在鍛造過(guò)程中產(chǎn)生局部粗晶的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鍛件報(bào)廢，很大程度上增加了生產(chǎn)成本，降低了生產(chǎn)效率。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鈦合金的熱變形行為、熱處理工藝、焊接性能以及疲勞斷裂行為展開(kāi)了深入的研究，但較為系統(tǒng)的研究變形工藝對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金異形模鍛件β顯微組織及力學(xué)性能影響的文獻(xiàn)較少。本文采用Forge軟件對(duì)鈦合金異形鍛件成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了Ti-6Al-4V鈦合金模鍛變形行為，根據(jù)鍛件熱變形后各典型截面的溫度和應(yīng)力分布以及β退火后高、低倍顯微組織研究了變形速率及變形過(guò)程中溫升對(duì)β晶粒的影響，為開(kāi)展Ti-6Al-4V鈦合金鍛件鍛造成形的β組織控制提供參考依據(jù)，對(duì)鈦合金鍛件技術(shù)的發(fā)展有重要意義。

試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用經(jīng)三次真空自耗電弧熔煉（VAR）的Ti-6Al-4V鈦合金鑄錠為原材料，經(jīng)β相區(qū)開(kāi)坯和α+β相區(qū)鍛造成φ250mm棒材，化學(xué)成分見(jiàn)表1。利用淬火金相法測(cè)定的相變點(diǎn)溫度Tβ為1000℃。我公司承接Ti-6Al-4V航空結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品如圖1所示，鍛件重量約90kg，輪廓尺寸785mm×600mm×173mm，投影面積約0.44m2。采用TRANSVALOR公司提供的Forge模擬軟件對(duì)鍛件制坯和模鍛成形過(guò)程進(jìn)行模擬。依據(jù)模擬結(jié)果對(duì)該鍛件鍛造工序進(jìn)行指導(dǎo)。

采用φ250mm棒材在α+β相區(qū)進(jìn)行制坯和模鍛，在精度為±5℃的箱式電阻爐中加熱。采用兩種鍛造工藝進(jìn)行制坯與模鍛，鍛造工藝見(jiàn)表2。鍛件熱處理采用相變點(diǎn)以上30℃進(jìn)行，鍛后及熱處理后冷卻方式均采用空冷。鍛件經(jīng)熱處理后采用線(xiàn)切割進(jìn)行下料，取樣位置如圖1a中A-A,B-B,C-C以及圖1b中D-D所示。試樣通過(guò)打磨、拋光及腐蝕等工序制備金相試樣，采用LEICA DMI 3000M金相顯微鏡進(jìn)行組織觀(guān)察。

表1 Ti-6Al-4V棒材主要化學(xué)成分（%）

圖1 Ti-6Al-4V航空結(jié)構(gòu)件

表2 兩種鍛造工藝試驗(yàn)方案

試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用Forge軟件對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金鍛件成形模擬

從圖2Forge軟件對(duì)Ti-6Al-4V模鍛件在不同鍛造工藝條件下制坯與模鍛應(yīng)力模擬分布圖中可以看出，采用工藝A進(jìn)行鍛造，坯料真應(yīng)變分布范圍較大，由外部邊緣區(qū)域0.8至心部2.4左右（圖2a）。采用該坯料進(jìn)行模鍛，其應(yīng)變分布范圍同樣較寬，左邊大頭區(qū)域應(yīng)變分布由邊緣2.5增大至中心3.8左右，右邊小頭區(qū)域從邊緣2.8增大至中心4.3（圖2b）。

圖2 不同鍛造工藝真應(yīng)變分布

而采用工藝B進(jìn)行鍛造，坯料應(yīng)變分布由邊緣1.7增加至中心3.5左右（圖2c）。采用該坯料進(jìn)行模鍛，左邊大頭部位應(yīng)變分布由邊緣4.0增加到中心5.4左右，而小頭區(qū)域由邊緣4.7增加到中心5.4（圖2d）。通過(guò)不同鍛造工藝應(yīng)變分布可以看出，采用工藝A進(jìn)行制坯與模鍛，其應(yīng)變分布較寬，且其相同應(yīng)變分布區(qū)域較小，即應(yīng)變分布不均勻，中心與邊緣應(yīng)變差異較大。而采用工藝B進(jìn)行制坯與模鍛，應(yīng)變分布范圍窄，相同應(yīng)變區(qū)域較大，應(yīng)變分布較為均勻，中心與邊緣應(yīng)變差別較小。

對(duì)比初始方案與優(yōu)化方案的等效應(yīng)變等高線(xiàn)圖，可以看出優(yōu)化后方案提高了等效應(yīng)變的均勻性，這說(shuō)明在成形過(guò)程中，采用優(yōu)化工藝對(duì)應(yīng)變分布均勻性起到明顯改善，有利于組織均勻性的提高。

從圖3不同鍛造模擬條件下制坯與模鍛溫度場(chǎng)分布圖中可以看出，采用工藝A進(jìn)行制坯，坯料溫度場(chǎng)由邊緣710℃上升到中心990℃左右，溫度場(chǎng)分布不均勻，且坯料溫度梯度分布較大，其中心部位溫度較高，存在粗晶風(fēng)險(xiǎn)，采用該坯料進(jìn)行模鍛，溫度分布由邊緣710℃上升到960℃，其中心部位溫度也比較高，同樣存在粗晶風(fēng)險(xiǎn)。采用工藝B進(jìn)行制坯，邊緣區(qū)域溫度較低，中心部位坯料溫度梯度分布較小，且最高溫度為971℃，采用該方案坯料進(jìn)行模鍛，中心區(qū)域溫度由780℃上升到900℃，相比較工藝A方案，其溫升均勻，粗晶風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)降低。

對(duì)比在不同鍛造工藝條件下，鍛件溫度場(chǎng)分布可以得出，在制坯與模鍛過(guò)程中，鈦合金中心區(qū)域會(huì)產(chǎn)生絕熱溫升，其主要原因在于鈦合金熱導(dǎo)率較差，僅為鋼的1/5，鍛件變形過(guò)程摩擦熱無(wú)法迅速擴(kuò)散出去。通過(guò)對(duì)圖2和圖3中，在不同鍛造條件下鍛件的應(yīng)變與溫度場(chǎng)分布，可以得出，隨著鍛件中心溫度的升高，鍛件等效應(yīng)變呈明顯下降趨勢(shì)。鍛件上的等效應(yīng)變反映了鍛件在成形過(guò)程中變形抗力的情況，變形抗力越低，金屬流動(dòng)性越好，有利于型腔填充，成形能力較強(qiáng)。而較高的絕熱溫升會(huì)引起中心組織“過(guò)燒”，形成網(wǎng)籃組織以及粗大β晶粒，因此在鍛造過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制絕熱溫升。

圖3 不同鍛造工藝溫度場(chǎng)分布

鍛造工藝對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金鍛件低倍組織的影響

圖4為不同鍛造工藝條件下Ti-6Al-4V鈦合金進(jìn)行制坯及模鍛并進(jìn)行β熱處理后低倍組織（取樣位置見(jiàn)圖1b），由圖4中可以看出，采用工藝A進(jìn)行鍛造，低倍組織中心與邊緣存在明顯不均勻狀態(tài)，邊緣為細(xì)晶區(qū)，中心為粗晶區(qū)。而采用工藝B進(jìn)行鍛造，低倍組織中心與邊緣均為均勻細(xì)晶區(qū)。通過(guò)對(duì)工藝A制坯與模鍛過(guò)程應(yīng)變與溫度場(chǎng)分布分析可知，該制坯與模鍛過(guò)程均存在應(yīng)變分布不均勻現(xiàn)象，心部累積應(yīng)變及絕熱溫升均較大，特別是在制坯過(guò)程中較為明顯，中心溫度高達(dá)990℃，隨著中心溫度升高以及應(yīng)變升高，原子平均動(dòng)能增加，較多的晶界原子越過(guò)能壘進(jìn)行擴(kuò)散遷移，晶粒長(zhǎng)大速率增加，因此造成鍛件低倍組織不均勻現(xiàn)象。而工藝B通過(guò)降低變形速率和加熱溫度，降低了應(yīng)變分布梯度以及絕熱溫升效應(yīng)，形成細(xì)小均勻的低倍組織。

圖4 不同鍛造工藝條件Ti-6Al-4V鈦合金鍛件低倍組織

鍛造工藝對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金鍛件顯微組織的影響

從圖5不同鍛造工藝條件下不同位置顯微組織圖中可以看出，Ti-6Al-4V鈦合金經(jīng)β相區(qū)熱處理后為魏氏體組織。采用工藝A進(jìn)行鍛造，鍛件中心與邊緣差異明顯，中心區(qū)域平均β晶粒尺寸可達(dá)1200μm，而邊緣區(qū)域平均β晶粒僅為650μm。采用工藝B進(jìn)行鍛造，鍛件中心平均β晶粒尺寸為700μm，而邊緣為550μm。結(jié)合圖2中的工藝A中應(yīng)變分布梯度較大和圖3中該工藝鍛件心部過(guò)熱效應(yīng)明顯，因此形成粗大的β晶粒，在隨后的β熱處理過(guò)程中保留下來(lái)，形成組織“遺傳性”。而采用工藝B進(jìn)行優(yōu)化后的鍛件其溫度梯度和應(yīng)變分布區(qū)域明顯減小，低倍組織均勻，β晶粒級(jí)差明顯降低。

因此，鈦合金鍛件在鍛造過(guò)程中需嚴(yán)格控制變形速率及變形溫度，避免形成粗大晶粒，造成組織“遺傳性”，影響其鍛件使用。

結(jié)論

通過(guò)采用Forge軟件對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金鍛件成形過(guò)程進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果指導(dǎo)鍛件成形過(guò)程，通過(guò)對(duì)鍛件高低倍組織檢驗(yàn)，結(jié)果表明：

⑴采用Forge軟件對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金鍛件的模擬結(jié)果符合鍛件實(shí)際生產(chǎn)的結(jié)果。通過(guò)模擬結(jié)果對(duì)鍛件生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，能夠迅速有效的找到問(wèn)題產(chǎn)生的根本原因，從而有針對(duì)性的對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程有重要指導(dǎo)意義。

圖5 不同鍛造工藝顯微組織

⑵熱變形工藝對(duì)鍛件組織均勻性有重要影響，降低變形速率和加熱溫度有利于鍛件應(yīng)變均勻性以及避免過(guò)高的絕熱溫升，防止引起中心粗大β晶粒組織，造成組織不均勻。