鍛造生產(chǎn)過程控制對TC21 鍛件組織和性能的影響

TC21 是一種富β 穩(wěn)定元素的α ＋β 型兩相鈦合金，該合金具有高強(qiáng)度、斷裂韌性好、淬透性高和可鍛性好等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)的核心部件。該合金能夠滿足損傷容限設(shè)計的需要和高結(jié)構(gòu)效益、高可靠性及低制造成本的要求，因而廣泛地應(yīng)用于我國研制的新一代航空裝備中。TC21 中一種近β 型鈦合金具有強(qiáng)度高、重量輕、斷裂韌性高、裂紋擴(kuò)展速率低和抗腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，該材料對鍛造溫度敏感，尤其對加熱過程及鍛造冷卻控制是該材料鍛造的難點(diǎn)，要得到合格的鍛件，必需在加熱及鍛造過程方面嚴(yán)格控制。

近幾年，隨著型號任務(wù)不斷增加，TC21 鍛件或中間坯改鍛任務(wù)逐漸增多，經(jīng)過幾年的探索與改進(jìn)，將鍛件或中間坯改鍛工藝定為“β 鍛造+常規(guī)鍛”方案，使鍛件探傷改鍛質(zhì)量比改進(jìn)前有所提高，各項性能均達(dá)到技術(shù)要求。

原工藝在生產(chǎn)中存在問題及原因分析

在多項材料牌號為TC21 的壓氣機(jī)盤鍛造的任務(wù)中，由于原材料廠家提供的棒材多為經(jīng)過簡單鐓拔后軋制為成品的棒材，部分棒材邊緣組織粗大，如圖1所示，由圖可知，棒材邊緣存在明顯的低倍粗晶，組織性能測試均難以達(dá)到生產(chǎn)要求，不能直接使用，需對材料組織進(jìn)行改進(jìn)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求后方可投入生產(chǎn)。因此，對TC21 棒材進(jìn)行了改鍛試制。

采用該原材料生產(chǎn)的鍛件端面低倍組織如圖2 所示，由圖可知，鍛件表面和心部存在粗晶，其高倍組織如圖3 所示，由圖3 可以看出，鍛件高倍組織為典型的網(wǎng)籃組織，但次生α 相偏粗。

廣東人吃海鮮火鍋，格外講究，火鍋配以魷魚、海螺肉、雞肉、牛肉、墨魚、牛百葉、海參等生料，再加上蔬菜和佐料。吃時先將各種海鮮依次倒入沒油的清湯里，煮熟后撈到各人碗中，然后再倒入雞肉、牛肉等。吃完肉類，再倒入香菇、青菜等清口，鮮而不膩，味美無比。

為滿足生產(chǎn)進(jìn)度需要，針對存在的問題，結(jié)合多年的鍛造經(jīng)驗，對TC21 棒材改鍛工藝進(jìn)行了改進(jìn)，通過改進(jìn)后工藝的試制，原工藝出現(xiàn)的問題得到了很大程度的改善，產(chǎn)品質(zhì)量得到進(jìn)一步的提高，有力促進(jìn)了型號任務(wù)的完成，滿足了生產(chǎn)需求。

圖1為過電壓檢測裝置原理示意圖。如圖1所示，在動車組受電弓底架上，安裝一段連接電纜至測量電極。由于電極與接觸導(dǎo)線的距離較近，接觸導(dǎo)線與測量電極上的過電壓具有相同的幅值和相位。

鍛前制坯采用3 噸自由鍛錘進(jìn)行，鍛后采取水冷方式進(jìn)行處理增加倒棱鐓拔，其目的是增加端面棱角處總變形量，使其組織細(xì)化，成形工步采用2 噸電液錘進(jìn)行，其目的是防止變形速率過快，錘打擊力過重，引起的“燒芯”問題，達(dá)到均勻變形的目的。

G是當(dāng)前像素值，W和H分別是圖像的寬和高，由于圖像經(jīng)過了二值化，故圖像中只存在0或者255兩個值，利用其作為標(biāo)志，當(dāng)合并符合約束條件的種子后，將其像素設(shè)置為0.最后，當(dāng)圖像中僅存在全為0的像素時，算法終止.以圖5為例，其分割后效果如圖6所示.

為了進(jìn)一步驗證本文方法的有效性，采用像元為140×132的InSAR真實(shí)數(shù)據(jù)生成的干涉圖，并將本文方法和常用的InSAR干涉圖解纏方法進(jìn)行比較，其解纏結(jié)果如圖3所示.

粗晶部位主要分布于鍛件棱角及端面位置，端面棱角處變形最小，但由于該處溫度偏低，變形抗力增大，實(shí)際變形量減小。在拔長過程中，由于端面在難變形區(qū)，且下端面與錘砧接觸時間較長，溫度下降較多，端面棱角處變形最小，端面就會有粗大晶粒。理化解剖件中心區(qū)域出現(xiàn)清晰晶，在鍛造時，由于棒材規(guī)格較小，且鍛錘打擊過重或過快，其中心部始終為自由鍛造的易變形區(qū)，該區(qū)域的溫升較大。當(dāng)鍛速較快且打擊過重時，坯料心部不論怎么鍛打都處于大變形區(qū)，熱效應(yīng)強(qiáng)烈，而鈦合金導(dǎo)熱性差，其導(dǎo)熱系數(shù)低，約為鋼的1/5，鋁的1/15，心部變形熱往表面散熱慢。

按以上改鍛工藝方案試造一批后，通過檢查鍛件端面低倍組織及解剖件心部低倍組織，發(fā)現(xiàn)存在低倍組織不均勻問題。

工藝優(yōu)化改進(jìn)

下面以某典型鍛件改鍛工藝為例進(jìn)行分析。

下料規(guī)格：

210mm×160mm(鍛件)；方式：四合一鍛造；重量：24.94kg；制坯：加熱溫度為T

-30℃，制坯設(shè)備為3 噸錘。經(jīng)四火次以30%左右拔長至96mm×72mm×760mm；經(jīng)二次下料沿長度方向均分為4 件，機(jī)加至96mm×72mm×180mm，經(jīng)低倍和探傷檢查無問題；成形工步：(T

＋15 ℃)×60min，1 火完成；96mm×72mm×180mm拔長至鍛件尺寸56mm×85mm×250mm。

制坯：加熱溫度為T

-30℃，制坯設(shè)備采用3噸錘。經(jīng)四火次以30%左右拔長至96mm×72mm×760mm。經(jīng)二次下料沿長度方向均分為4 件，機(jī)加至96mm×72mm×180mm，經(jīng)低倍和探傷檢查無問題；成形工步：(T

＋15℃)×60min，1 火完成，制坯設(shè)備采用2 噸錘。96mm×72mm×180mm 拔長至鍛件尺寸56mm×85mm×250mm。

在制坯工步增加倒棱鐓拔、水冷，使表面棱角處難變形區(qū)在變形量上有所增加，大大改善了內(nèi)部組織。使難變形區(qū)和變形死區(qū)的組織得到完全改善。成形工步在2 噸錘進(jìn)行，錘的能量相應(yīng)得到控制，不僅降低了操作難度，而且使坯料在溫度比較均勻的情況下進(jìn)行變形，防止了熱效應(yīng)的產(chǎn)生。

工藝優(yōu)化后坯料低倍組織如圖4 所示，由圖可知低倍組織均勻。工藝優(yōu)化后坯料高倍組織如圖5 所示，高倍組織為典型的網(wǎng)籃組織，相對于原工藝的圖3 中的組織，片層α 相編織較好。

工藝優(yōu)化前后的性能數(shù)據(jù)見表1、表2，表1 為工藝優(yōu)化前后的鍛件室溫力學(xué)性能，由表1 可知，工藝優(yōu)化后，室溫力學(xué)性能強(qiáng)度明顯提高，原工藝室溫性能富裕度小，僅為20 ～40MPa，而經(jīng)過工藝優(yōu)化后，強(qiáng)度明顯提高，強(qiáng)度富裕度約為200MPa。表2 為工藝優(yōu)化前后的鍛件高溫力學(xué)性能，由表2 可知，工藝優(yōu)化后，500℃高溫力學(xué)性能強(qiáng)度明顯提高，原工藝高溫性能富裕約為100MPa，而經(jīng)過工藝優(yōu)化后，500℃高溫強(qiáng)度富裕度約為200MPa。而工藝優(yōu)化前500℃、590MPa 的持久性能低于標(biāo)準(zhǔn)值的100h，僅為38h、74h，而工藝優(yōu)化后鍛件的持久性能大于120h，大于標(biāo)準(zhǔn)值的100h。這是由于隨著片層α 相的尺寸減小，晶體中有效滑移長度減小，材料強(qiáng)度提高，持久時間延長。

結(jié)束語

用調(diào)整后的方案在3 噸和2 噸自由鍛錘上改鍛小于等于25kg 的TC21 鍛件或中間坯，實(shí)踐證明，用合理的設(shè)備匹配后，完全滿足鍛件或中間坯的技術(shù)條件，且能預(yù)防心部粗晶問題。