提升TC21 鈦合金鍛件強(qiáng)塑性匹配的工藝試驗

TC21 鈦合金具有高強(qiáng)度、高抗斷裂韌性和低裂紋擴(kuò)展速率等特點，是應(yīng)用于新型飛機(jī)上的一種重要結(jié)構(gòu)材料。為達(dá)到強(qiáng)度與韌性的最佳匹配，TC21 常用熱加工工藝為準(zhǔn)β 鍛造。但在實際生產(chǎn)過程中，TC21 鈦合金鍛件常常出現(xiàn)強(qiáng)度和塑性不匹配問題，給工廠帶來了嚴(yán)重的質(zhì)量損失。為此，本文對準(zhǔn)β鍛造前坯料的組織演變進(jìn)行研究，并提出了改進(jìn)型準(zhǔn)β 鍛造工藝，以指導(dǎo)TC21熱加工方案設(shè)計。

解讀發(fā)明專利《鈦合金準(zhǔn)β 鍛造工藝》

輕質(zhì)、長壽命一直是飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計所追求的目標(biāo)，也是一代又一代結(jié)構(gòu)強(qiáng)度工作者所面臨的永恒課題。隨著中國航空制造技術(shù)的發(fā)展，耐久性/損傷容限設(shè)計思想逐步成為飛機(jī)長壽命的主要設(shè)計思想，在此情況下，高強(qiáng)、高韌、高損傷容限型TC21鈦合金被廣泛應(yīng)用于新一代戰(zhàn)斗機(jī)的結(jié)構(gòu)件。在20世紀(jì)90 年代，國內(nèi)多家單位對TC21 鈦合金鍛件的鍛造工藝開展了研究，主流工藝方法有兩種。

其一，很多學(xué)者建立了不同的數(shù)據(jù)分析觀念發(fā)展水平框架，但是各維度劃分的科學(xué)性和有效性仍需大規(guī)模檢驗，并且導(dǎo)致水平差異的影響因素有待深入的探究.因此，構(gòu)建系統(tǒng)的發(fā)展水平框架成為當(dāng)務(wù)之急.在構(gòu)建發(fā)展水平框架時應(yīng)注意以下幾點：一是維度劃分應(yīng)結(jié)合數(shù)據(jù)分析觀念的內(nèi)隱特點和外顯行為，建立具有可操作性的水平劃分標(biāo)準(zhǔn).二是測評內(nèi)容應(yīng)以現(xiàn)實背景展開，更多關(guān)注內(nèi)涵和體現(xiàn)思維的過程.三是測評方式應(yīng)轉(zhuǎn)向紙筆、計算機(jī)測試等多種混合形式，真實反映學(xué)生的實際情況.

⑴β 鍛造。該工藝是將合金加熱到β 單相區(qū)較高溫度(一般在T

+30℃以上)保溫，變形后空冷或水冷，再經(jīng)雙重退火或退火后獲得粗大的網(wǎng)籃或魏氏組織(或β轉(zhuǎn)扭曲變形)。這種組織具有很高的抗斷裂韌性，但塑性很差。

⑵近β 鍛造。近β 鍛造是將合金加熱到兩相區(qū)上部較高溫度［T

-(5℃～20℃)］保溫，變形后水冷或空冷，再經(jīng)雙重退火或退火后，組織中保留了少量的等軸初生α 和較多的β 轉(zhuǎn)的組織(三態(tài)或雙態(tài)組織)。這種組織具有較好的強(qiáng)塑性匹配，但工藝實施難度很大，組織和性能很難控制。

⑵按表1 對5 個顯微試塊進(jìn)行不同的處理，處理完成后，打磨同一方向的表面，并在光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織。

20 世紀(jì)90 年代末，北京航空材料研究院朱知壽等提出了準(zhǔn)β 鍛造工藝并申請獲批發(fā)明專利《鈦合金準(zhǔn)β 鍛造工藝》，該工藝明顯改善了鈦合金強(qiáng)度、塑性和斷裂韌性的匹配性，為新一代戰(zhàn)斗機(jī)的研制提供了強(qiáng)力的支撐。在針對TC21 鈦合金鍛件強(qiáng)塑性匹配差這一問題的攻關(guān)過程中，筆者結(jié)合生產(chǎn)實際對《鈦合金準(zhǔn)β 鍛造工藝》重新進(jìn)行了深度解讀，并對問題原因進(jìn)行了分析。

準(zhǔn)β 鍛造工藝要解決的問題

根據(jù)專利說明書所述，鈦合金的網(wǎng)籃組織與雙態(tài)組織比較，其抗斷裂韌性、疲勞裂紋擴(kuò)展抗力、抗疲勞強(qiáng)度和蠕變抗力高，大大提高了構(gòu)件的使用壽命，對設(shè)計人員有巨大的吸引力。但網(wǎng)籃組織長期以來未被鍛件的使用者所接受，究其原因是若工藝控制不好，會顯著降低鍛件的塑性。解決網(wǎng)籃組織的塑性問題成為鈦合金鍛造的一大難題。因此，準(zhǔn)β 鍛造的目的是為了獲得高塑性網(wǎng)籃組織，即該網(wǎng)籃組織具有與雙態(tài)組織一樣好的塑性，同時又具有網(wǎng)籃組織固有的優(yōu)良特性，從而大大提高構(gòu)件的壽命。

選礦大數(shù)據(jù)技術(shù)是通過大數(shù)據(jù)技術(shù)判斷其是否達(dá)到物耗、能耗的最佳點。選礦自動化是通過自動控制設(shè)備來實現(xiàn)捕捉采集數(shù)據(jù)信息，以及通過自動化設(shè)備操作來降低勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)自動控制及自動調(diào)整。大數(shù)據(jù)技術(shù)不僅對單個環(huán)節(jié)設(shè)備參數(shù)的優(yōu)化，還包括整個流程的相互關(guān)聯(lián)的技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化，某個環(huán)節(jié)指標(biāo)最優(yōu)不代表整體最優(yōu)化，它是整體效益最大化的一個結(jié)果。將大數(shù)據(jù)技術(shù)與自動化智能設(shè)備實現(xiàn)有機(jī)銜接，就構(gòu)成了智能化選礦過程，即實現(xiàn)了選礦智能化。

高塑性網(wǎng)籃組織的特點

根據(jù)專利說明書所述，在以往的研究中，β 鍛造是獲得網(wǎng)籃組織的主要方法。因β 鍛造前的加熱溫度較高且加熱時間較長，加熱后的β 晶粒比較大。在鍛造過程中，因鍛造溫度主要在β 相區(qū)，β 晶界α 相不容易析出。而當(dāng)晶界α 相析出時，變形已基本結(jié)束。即使有小部分α 相在變形過程中析出，也因變形量小而不易破碎。其顯微組織是，原始β 晶粒比較大，β晶界α 相比較平直，而且破斷不夠。這就是通常的網(wǎng)籃組織比雙態(tài)組織塑性低的根本原因。

試驗選用

130mm×20mm的棒材，用金相法測定該合金的相變點為967℃

2.3.2 慢性腎功能不全(CKD)：CKD影響血小板聚集能力和凝血功能，CKD患者腎臟排泄能力減低又會影響抗血小板藥物代謝。因此，CKD患者既是血栓高危人群也是出血高危人群，在應(yīng)用抗血小板藥物前必須進(jìn)行腎功能評估和出血風(fēng)險評估。目前更傾向于替格瑞洛聯(lián)合阿司匹林，PLATO研究亞組分析[10]顯示，CKD 患者在阿司匹林治療的基礎(chǔ)上，替格瑞洛較氯吡格雷治療組主要心血管復(fù)合終點事件及全因死亡率降低更明顯，且嚴(yán)重出血事件風(fēng)險未增加。

實際生產(chǎn)過程中存在的問題

根據(jù)專利說明書所述，準(zhǔn)β 鍛造主要流程為：準(zhǔn)β 加熱→鍛造→鍛后冷卻。在準(zhǔn)β 加熱后坯料出爐轉(zhuǎn)移至鍛造設(shè)備過程中，坯料會在空氣中冷卻一段時間。結(jié)合試驗結(jié)果，TC21 鈦合金準(zhǔn)β 鍛造工藝中主要的組織演變過程見圖1。

但在實際生產(chǎn)過程中，坯料的有效厚度對內(nèi)部組織演變的影響很大。在坯料較厚的情況下，坯料心部在鍛造過程中可能一直處在β 相區(qū)，直至鍛造結(jié)束也沒有或僅有少量晶界α 相析出，冷卻后，鍛件心部的組織存在原始β 晶粒比較大、β 晶界α 相比較平直且破斷不夠問題，導(dǎo)致心部塑性偏低。厚截面坯料在常規(guī)準(zhǔn)β 鍛造過程中可能的組織演變關(guān)系見圖2。

工藝改進(jìn)思路

為改善厚截面TC21 鍛件準(zhǔn)β 鍛造后的心部組織，本改進(jìn)型準(zhǔn)β 鍛造工藝主要優(yōu)化思路是：⑴坯料經(jīng)準(zhǔn)β 加熱后不進(jìn)行鍛造，直接空冷，從而析出全部的晶界α 相和沿晶界α 相；⑵對坯料進(jìn)行二次加熱，加熱溫度選用α+β 相區(qū)，然后進(jìn)行一定量的變形以充分擊碎析出的晶界α 相和沿晶界α 相。采用改進(jìn)型準(zhǔn)β鍛造工藝，過程中的組織演變見圖3。

準(zhǔn)β 鍛造前組織演變工藝試驗

試驗材料

采用準(zhǔn)β 工藝后，由于坯料在β 區(qū)加熱溫度較低和坯料出爐后的溫降，鍛件的變形實際上是在α+β 區(qū)進(jìn)行的，在變形過程中，α 相首先在β 晶界析出，而且變形被擊碎，不會產(chǎn)生連續(xù)的平直的晶界α 相，最后在晶內(nèi)形成網(wǎng)籃編織的集束片狀α 相。這樣的網(wǎng)籃組織具有較高的塑性。

試驗方案

⑴按圖4 切下5 個顯微試塊，試塊規(guī)格為15mm×15mm×20mm，試塊分別編號A/B/C/D/E。

壓瘡是長期臥床或制動患者最易出現(xiàn)的皮膚并發(fā)癥，有效防治壓瘡既是臨床治療，更是護(hù)理工作中長期以來的困惑。壓瘡可增加患者的痛苦，延長疾病的愈合時間，使患者生活質(zhì)量下降，增加住院時間和醫(yī)療費(fèi)用，如繼發(fā)嚴(yán)重感染會加重病情甚至威脅到生命［1］。2010年7月起，我們采用自制的小米墊預(yù)防壓瘡，效果顯著，現(xiàn)報道如下。

結(jié)果及分析

圖5 是TC21 試塊經(jīng)不同處理后的顯微組織?？梢钥闯?，準(zhǔn)β 加熱前，TC21 棒料的顯微組織主要由等軸初生α 相和β 轉(zhuǎn)變組織組成(試塊E)，經(jīng)過準(zhǔn)β 加熱后，初生α 相全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相(試塊A)。

經(jīng)過準(zhǔn)β 加熱的試塊，若置于空氣中冷卻30s，則會有部分晶界α 相析出，且有少量條狀α相沿晶界析出(試塊B)。若置于空氣中冷卻120s，則晶界α 相幾乎全部析出，且有大量條狀α 相沿晶界析出，但析出的晶界α 相和沿晶界析出的條狀α相較細(xì)(試塊C)。若置于空氣中冷卻至室溫，則晶界α 相和沿晶界析出的條狀α 相幾乎全部析出，但析出的晶界α 相和沿晶界析出的條狀α 相較粗較長(試塊D)。

改進(jìn)型準(zhǔn)β 鍛造工藝的工藝試驗

試驗材料

⑴顯微組織對比。

試驗方案

對于智能CT設(shè)備、用于輔助醫(yī)生手術(shù)或者進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃的智能設(shè)備、或者可穿戴式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備等既包括硬件改進(jìn)又包含控制軟件的人工智能產(chǎn)品而言，由于軟件與硬件的集成性以及設(shè)備的專用性，侵權(quán)行為的發(fā)生相對集中，因而侵權(quán)行為相對容易舉證和判定。即使某些用戶終端產(chǎn)品（例如個人醫(yī)療終端）在硬件產(chǎn)品出廠時并未預(yù)裝相關(guān)控制程序，而是以APP商店或者提供下載鏈接的形式由用戶自行下載并安裝控制軟件，也能夠相對便利地證明用戶是在侵權(quán)產(chǎn)品制造商的誘導(dǎo)或者指示下完成控制軟件的下載、安裝和使用。

⑵按表2 對試驗件A 和試驗件B 進(jìn)行準(zhǔn)β 鍛造和熱處理。

⑴切下2 根試驗棒材，長度均為100mm，分別編號A/B。

⑶在試驗件A 和試驗件B 的1/4 厚度處和1/2厚度處檢測橫向室溫拉伸和顯微組織。

結(jié)果和分析

試驗選用

210mm 的棒材，用金相法測定該合金的相變點為968℃。

那時，我一心想要出去看風(fēng)景，只覺得和爸媽的代溝寬得無法逾越。人生苦短啊，干嘛把生活過得那么緊張呢？我回來找工作不是一樣嘛。

李順說，李六如，你可真倔，住上樓也還是個土老帽。都說與時俱進(jìn)，我看你就是塊石頭，你這樣是要吃虧的。我說，我有和村里的合同，再說，我這么做與上頭的精神也一致。上頭不也號召把青山綠水留給子孫后代？

圖6 是試驗件A 和試驗件B 不同取樣位置的顯微組織對比。由圖6 可以看出，相比常規(guī)準(zhǔn)β 鍛造工藝(試驗件A)，采用改進(jìn)型準(zhǔn)β 鍛造工藝(試驗件B)獲得的網(wǎng)籃組織明顯更加破碎，達(dá)到預(yù)期結(jié)果。針對試驗件B，其1/2 厚度處的破碎程度明顯高于1/4厚度處，原因應(yīng)是鐓粗過程中1/2 厚度處變形量大于1/4 厚度處，進(jìn)而導(dǎo)致近心部位置已析出的晶界α相和沿晶界條狀α 相破碎程度更高。針對試驗件A，其1/2 厚度處的破碎程度與1/4 厚度處接近，原因應(yīng)是坯料出爐轉(zhuǎn)移時間較短，鐓粗變形過程中僅有少量晶界α 相和沿晶界條狀α 相被擊碎，顯微組織中的條狀α相大多是鍛后空冷過程中陸續(xù)析出并長大的。

因此，在快慢車組合運(yùn)營模式下，快車不停站所節(jié)約的總時間按1 min取值，并以此作為快慢車系統(tǒng)能力損失的研究前提。

⑵性能對比。

表3 是試驗件A 和試驗件B 不同取樣位置的室溫橫向力學(xué)性能對比。由表3 可以看出，相比常規(guī)準(zhǔn)β 鍛造工藝(試驗件A)，采用改進(jìn)型準(zhǔn)β 鍛造工藝(試驗件B)加工的鍛件塑性明顯提升，即破碎程度高的網(wǎng)籃組織可明顯提高鍛件的塑性。1/4 厚度處，試驗件A 與試驗件B 的強(qiáng)度接近，而1/2 厚度處，試驗件B 的強(qiáng)度明顯高于試驗件A，原因應(yīng)是破碎程度較高的網(wǎng)籃組織會有較高的界面能，進(jìn)而起到強(qiáng)化的作用。

結(jié)論

⑴TC21 鈦合金棒材經(jīng)準(zhǔn)β加熱后，顯微組織中的等軸初生α 相會全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相。

⑵準(zhǔn)β 加熱后的空冷時間對顯微組織有較明顯的影響，隨著空冷時間的延長，析出的晶界α 相和沿晶界析出的條狀α 相逐漸長大。

⑶破碎程度較高的網(wǎng)籃組織可明顯提升TC21 鈦合金鍛件的塑性，同時可提高鍛件的強(qiáng)度。

⑷采用改進(jìn)型準(zhǔn)β 鍛造工藝，可明顯提高鍛件強(qiáng)塑性匹配性。