TC6 鈦合金錘上自由鍛件心部清晰晶形成原因及解決方法

文／李彩鳳·江西景航鍛鑄有限公司

TC6 合金是一種綜合性能良好的馬氏體型(α+β)兩相鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-2.5Mo-1.5Cr-0.5Fe-0.3Si。該合金的使用狀態(tài)一般為退火狀態(tài)，也可進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?qiáng)化熱處理。TC6合金具有較高的室溫強(qiáng)度，比TC4 合金高85MPa，而且在450℃以下具有良好的熱強(qiáng)性。TC6 合金還具有較好的熱加工工藝性能，塑性較高但變形抗力較大，主要用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)或船用燃?xì)廨啓C(jī)低壓或高壓壓氣機(jī)葉片、接頭及緊固件。

鈦合金對(duì)變形的均勻程度比較敏感，而鈦合金導(dǎo)熱性差、變形抗力大且對(duì)溫度敏感等特性均能降低變形的均勻程度，從而導(dǎo)致鈦合金產(chǎn)生過熱、局部粗晶、亮帶等鍛造缺陷。本文要討論的TC6 鈦合金自由鍛心部清晰晶屬于局部粗晶范疇。

心部清晰晶的產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)及表現(xiàn)形態(tài)

產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)及規(guī)律

表1 為TC6 鈦合金心部清晰晶產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)，心部清晰晶出現(xiàn)較多的TC6 鈦合金鍛件有8 個(gè)，除一個(gè)為3t 自由鍛錘生產(chǎn)外，其余均是750kg 自由鍛錘生產(chǎn)，其中多個(gè)鍛件均返修多次。

由表1 可得，返修次數(shù)＞1 的產(chǎn)品中，重量超過2kg 的有四件，占比66.7%；厚度超過40mm 的有五件，占比83.3%。返修次數(shù)與鍛件重量和厚度呈正相關(guān)趨勢(shì)。將鍛件重量和厚度的乘積計(jì)作A，繪制出A 與返修次數(shù)的關(guān)系曲線，隨著鍛件重量和厚度的增加，鍛件的返修次數(shù)呈上升趨勢(shì)，如圖1 所示(第5項(xiàng)由于設(shè)備不一致，不納入對(duì)比分析)。

圖1 鍛件重量和厚度的乘積A 與返修次數(shù)的關(guān)系

心部清晰晶表現(xiàn)形態(tài)

TC6 鈦合金錘上自由鍛件心部清晰晶表現(xiàn)形態(tài)如圖2 所示，鍛件表層20mm 厚度以內(nèi)為模糊晶組織，無肉眼可見的晶粒，是正常的TC6 鈦合金低倍組織；而心部則出現(xiàn)肉眼可見的清晰晶粒，晶粒較為細(xì)小，平均直徑＜1mm，與過熱低倍組織存在明顯差異。鈦合金過熱低倍組織呈現(xiàn)整個(gè)斷面的晶粒異常粗大，平均直徑＞1mm，個(gè)別大的晶粒直徑甚至超過3mm，典型過熱組織如圖3 所示。

表1 TC6 鈦合金心部清晰晶產(chǎn)品統(tǒng)計(jì)

圖2 TC6 鈦合金心部清晰晶的典型組織

原工藝參數(shù)統(tǒng)計(jì)

心部清晰晶的形成原因分析

變形溫度對(duì)清晰晶形成的影響

隨著變形溫度的升高，鈦合金變形抗力降低，塑性增加，利于鍛造，但變形溫度接近或超過β 相變點(diǎn)，鈦合金晶粒急劇長大，形成網(wǎng)籃甚至魏氏組織，從而形成肉眼可見的清晰晶。對(duì)于TC6 鈦合金，其正常的組織應(yīng)為低倍模糊晶，高倍雙態(tài)組織，網(wǎng)籃和魏氏組織均為不合格的過熱組織。變形溫度對(duì)晶粒大小的影響如圖4 所示。

圖3 鈦合金過熱典型組織

表2 8 個(gè)產(chǎn)品的原工藝參數(shù)

圖4 變形溫度對(duì)晶粒大小的影響

鈦合金的變形抗力對(duì)變形溫度非常敏感，溫度降低100℃，變形抗力增加接近一倍。所以，隨著變形溫度的降低，急劇增大的變形抗力非常不利于鍛造，易導(dǎo)致鍛件心部少變形甚至無變形，相當(dāng)于在原材料的組織形態(tài)上空燒一火次，從而導(dǎo)致晶粒長大，形成清晰晶。變形溫度對(duì)變形抗力的影響如圖5 所示。

變形程度對(duì)清晰晶形成的影響

圖5 變形溫度對(duì)變形抗力的影響

金屬內(nèi)部晶粒受力發(fā)生變形，晶格發(fā)生畸變，儲(chǔ)存的畸變能升高，在再結(jié)晶溫度以上，畸變能得以釋放，金屬內(nèi)部晶粒重新形核長大的過程稱為再結(jié)晶。所以，再結(jié)晶的兩個(gè)必要條件是變形和溫度。只有參與變形的晶粒能夠發(fā)生再結(jié)晶從而細(xì)化晶粒；未參與變形的晶粒在原始晶粒大小的基礎(chǔ)上繼續(xù)長大。TC6鈦合金屬于金屬材料，自然符合該規(guī)律，變形程度過小將產(chǎn)生清晰晶。

應(yīng)變速率對(duì)清晰晶形成的影響

鈦合金變形抗力對(duì)應(yīng)變速率非常敏感。當(dāng)應(yīng)變速率由10s-1減小到10-3s-1時(shí)，變形抗力最多可降低至原來的1/10。例如TC4 材料在900℃、50%變形及10s-1下的變形抗力為205MPa；而在10-3s-1下，變形抗力降低至50MPa，僅為原來的1/4。應(yīng)變速率對(duì)鈦合金變形抗力的影響如圖6 所示。所以，應(yīng)變速率的增大不利于鈦合金的鍛造，而且會(huì)增加鍛造力。

圖6 應(yīng)變速率對(duì)鈦合金變形抗力的影響

應(yīng)變速率的增大還會(huì)極大地增加變形熱的產(chǎn)生，鈦合金導(dǎo)熱性又差，從而造成溫度不均勻，繼而引起變形不均勻或使局部溫度升高超出始鍛溫度，從而導(dǎo)致鈦合金清晰晶的產(chǎn)生。

設(shè)備噸位對(duì)清晰晶形成的影響

設(shè)備噸位過小所形成的打擊力不足以完全克服鈦合金材料的變形抗力，設(shè)備力量就傳遞不到鍛件心部，從而使得鈦合金心部變形程度過小而產(chǎn)生清晰晶。以普通結(jié)構(gòu)鋼為例，自由鍛錘的最大鍛造能力如表3 所示。

根據(jù)表3，750kg 自由鍛錘最大鍛造能力為結(jié)構(gòu)鋼35kg。首先，鈦合金密度僅為鋼的一半左右；其次，鈦合金本身的變形抗力約為鋼的兩倍；最后，由于鈦合金的變形抗力對(duì)變形溫度和應(yīng)變速率敏感，鍛造過程中的溫降和錘的快應(yīng)變速率將使鈦合金的變形抗力變?yōu)樵瓉淼膬杀丁＝?jīng)計(jì)算，750kg 自由鍛錘最大的鈦合金鍛造能力約為4.375kg。

該類清晰晶原因分析

根據(jù)原工藝統(tǒng)計(jì)，表2 中8 個(gè)產(chǎn)品的始鍛溫度、終鍛溫度及保溫時(shí)間均符合JHJS0306-2019《鍛造工藝設(shè)計(jì)規(guī)范》，每火次變形程度均在30%～60%之間，同樣符合JHJS0306-2019《鍛造工藝設(shè)計(jì)規(guī)范》。所以，原工藝除設(shè)備選型外，其余參數(shù)較為合理。

根據(jù)清晰晶的晶粒大小(＜1mm)可排除變形溫度過高引起的過熱組織和應(yīng)變速率過大引起的局部溫升兩個(gè)因素。又根據(jù)以上分析可得，變形溫度過低引起TC6 鈦合金心部變形程度過小是該類清晰晶形成的原因之一。

根據(jù)表1，重量超過4.375kg 的鍛件有3 個(gè)，且均為返修次數(shù)較多的項(xiàng)目。根據(jù)圖1，返修次數(shù)隨重量與厚度乘積的增大而增加。又根據(jù)以上分析可得，設(shè)備噸位不足，力量無法傳遞至TC6 鍛件心部，心部變形程度過小是該類清晰晶形成的原因之二。

采取的對(duì)策

由于自由鍛錘為沖擊類設(shè)備，石棉容易破碎打飛，鈦合金無法使用石棉軟包套進(jìn)行鍛造，從而無法減緩鈦合金鍛造時(shí)的溫降。所以只能通過加快鍛造節(jié)奏，減少鍛造時(shí)間來減少溫降。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)得知，自由鍛造中最耗費(fèi)時(shí)間的是整形測(cè)尺寸環(huán)節(jié)。只要能快速的達(dá)到預(yù)期尺寸，減少整形測(cè)尺寸的時(shí)間，就可大大縮短鍛造總時(shí)間。

胎模的采用將達(dá)到預(yù)期效果。由于鍛件尺寸均為胎模保證，不需要刻意注意，省下整形測(cè)尺寸的時(shí)間，從而大大降低了鍛造總時(shí)間而達(dá)到減緩鈦合金鍛造溫降的目的。另外，胎模的成形為三向壓應(yīng)力成形，能夠盡可能多的迫使設(shè)備力量傳遞至鍛件心部，從而加大鈦合金鍛件心部的變形程度，特別是鈦合金的重量在自由鍛錘的鍛造能力極限附近效果非常顯著。

但當(dāng)鈦合金的重量超出自由鍛錘的鍛造能力極限較多時(shí)，胎模也無法保證鈦合金心部的變形程度，更換更大的鍛造設(shè)備就是唯一的辦法。根據(jù)公司的設(shè)備情況，可更換3t 自由鍛錘鍛造4.375kg 以上的TC6鈦合金鍛件。

工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)控制單一變量原則，本次共設(shè)計(jì)4 組工藝試驗(yàn)，原主導(dǎo)工藝參數(shù)保持不變且一致的條件下，改變其中單個(gè)因素，以探究某一因素的影響，具體方案見表4。

表3 自由鍛錘的最大鍛造能力

工藝試驗(yàn)結(jié)果

所有生產(chǎn)的鍛件全部檢測(cè)低倍組織，結(jié)果如圖7所示。

第一組和第二組試驗(yàn)對(duì)比可得，胎模的作用較好，效果明顯，符合預(yù)期分析；第二組和第三組試驗(yàn)對(duì)比

可得，當(dāng)鍛件重量超過設(shè)備最大鍛造能力范圍，胎模的作用也有限，無法獲得良好的組織；第三組和第四組試驗(yàn)對(duì)比可得，當(dāng)鍛件重量超過設(shè)備最大鍛造能力范圍，胎模效果受限時(shí)，更換更大噸位的設(shè)備確實(shí)是切實(shí)有效的方法。

結(jié)束語

綜上，可得出的結(jié)論如下：

表4 工藝試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

圖7 工藝試驗(yàn)低倍組織

⑴變形溫度過低和設(shè)備噸位不足導(dǎo)致錘上TC6自由鍛件心部變形程度過小是該類清晰晶形成的主要原因。

⑵錘上TC6 自由鍛件可通過使用胎模簡(jiǎn)化鍛造工步，節(jié)約鍛造時(shí)間，減少鍛件溫降，從而避免心部清晰晶的形成；特別是鍛件重量在設(shè)備極限附近時(shí)，胎模作用明顯，效果顯著。

⑶當(dāng)鍛件重量超過設(shè)備最大鍛造能力范圍，設(shè)備噸位嚴(yán)重不足時(shí)，使用胎模并不能改善TC6 鈦合金自由鍛件的心部組織，效果有限，此時(shí)，更換更大噸位的設(shè)備是切實(shí)有效的方法。

⑷根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，750kg 自由鍛錘鍛造TC6鈦合金的最大重量在3kg 左右，且不超過4kg，小于理論計(jì)算值的4.375kg。由此可見，之前的理論計(jì)算值偏保守，TC6 鈦合金的實(shí)際變形抗力是普通結(jié)構(gòu)鋼的4 倍以上。