鍛造溫度對TC32 合金組織和性能的影響

文／張元東，張安，車安達·江西景航航空鍛鑄有限公司

王曉巍，蔡森·沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司

TC32 鈦合金是中國航發(fā)航材院自主研發(fā)的中高強高韌α+β 型鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-3Mo-3Cr-1Zr-0.1Si，具有沖擊性能和斷裂韌度高，低成本等特點。針對TC32 合金，我公司開展了鍛造溫度的研究，以指導熱加工方案的制定。

試驗用原材料

采用TC32 鈦合金φ380mm 規(guī)格圓棒材，熔煉爐號為332-2206064，測定其相變點溫度為Tβ=(912±3)℃。使用鋸床下φ380mm×100mm 的棒料，按某標準要求對棒料進行熱處理(880℃，保溫2h，空冷；550℃，保溫6h，空冷)。熱處理后的顯微組織如圖1 所示，低倍組織如圖2 所示，室溫力學性能見表1，高溫拉伸性能見表2。

表1 原材料熱處理后的室溫力學性能

表2 原材料熱處理后的高溫拉伸性能

圖1 原材料熱處理后的顯微組織

圖2 原材料熱處理后低倍組織

鍛造溫度工藝試驗

下料

從上述棒材中再鋸下φ380mm×360mm 規(guī) 格試料，沿原材料十字中心一分四均勻鋸開，加工出特定規(guī)格料4 件，并標記編號(1#，2#，3#，4#)，如圖3 所示，選用2#料進行本次鍛造溫度試驗。

圖3 試驗用棒料鋸料示意圖

試驗方案

⑴將2#試塊沿厚度方向鋸成3 等份，每份試塊厚度控制(117±3)mm，編號2-A，2-B，2-C。

⑵選用高溫電爐(Ⅲ類爐及以上，爐溫均勻性精度±10℃)進行鍛造前加熱，加熱制度按表3 所示。

表3 鍛造溫度試驗試塊鍛造前加熱制度

⑶將厚度(117±3)mm 下壓至70mm，鍛造變形量約40%，鍛造設(shè)備選用1000t 快鍛機。

⑷鍛后熱處理。一次退火：爐膛880℃，保溫120min，出爐空冷；二次退火：爐膛550℃，保溫360min，出爐空冷。

⑸熱處理后檢測。按表4 進行取樣檢測，取樣位置如圖4 所示，三個試驗件取樣位置應保持一致。

表4 工藝試驗理化檢測項目表

圖4 鍛造溫度對比工藝試驗理化檢測取樣圖

結(jié)果和分析

顯微組織對比

從圖5 ～圖7 可以看出，組織形貌隨溫度的變化差異較大。當鍛前加熱溫度為Tβ-40℃時，組織由等軸α 相和條狀α 相組成，等軸α 相含量約30%～40%；當鍛前加熱溫度為Tβ-20℃時，組織由等軸α 相和條狀α 相組成，等軸α 相含量約20%～30%；而當鍛件溫度繼續(xù)提高到Tβ+20℃時，組織中基本為條狀α 相組織，這是由于當試塊加熱到相變溫度以上時，組織中的原始等軸α 相已全部相變。圖5 ～7 也表明同一試驗編號不同取樣位置處，試塊的顯微組織存在一定的差異。由表層及心部等軸α 相減少，條狀α 相增多，而且顯微組織的尺寸有增加的趨勢，這說明試塊的心部散熱較慢，為晶粒的長大提供了熱力學基礎(chǔ)。

圖5 鍛造溫度試驗編號2-A 對應的顯微組織

圖6 鍛造溫度試驗編號2-B 對應的顯微組織

圖7 鍛造溫度試驗編號2-C 對應的顯微組織

力學性能對比

如圖8 和表5 所示，隨著鍛造溫度由Tβ-40℃升高到Tβ+20℃，鍛件的抗拉強度值呈現(xiàn)增加趨勢，屈服強度值逐漸降低，并且當鍛造溫度為Tβ+20℃時下跌的趨勢更大，塑性指標均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢并在鍛造溫度為Tβ-20℃時性能最佳，同時隨著鍛造溫度的升高室溫沖擊韌性值也呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢；鍛造溫度選擇Tβ-40℃可滿足生產(chǎn)要求并且力學性能值存在一定的富裕量，若要提高綜合力學性能獲得最佳的強塑性和強韌性匹配可選擇Tβ-20℃進行鍛前加熱。

表5 鍛造溫度試驗拉伸性能理化檢測結(jié)果

圖8 鍛造溫度試驗1/4 厚度處橫向平均室溫拉伸性能折線圖

圖9 鍛造溫度試驗1/4 厚度處橫向平均室溫沖擊性能折線圖

從圖10 和表5 中可以看出，在同一取樣位置處，隨著鍛前加熱溫度逐漸升高(由兩相區(qū)加熱到準β加熱)，試塊橫向高溫抗拉強度有升高的趨勢但變化不大，這說明大而連續(xù)的條狀α 相對試塊抗拉強度的提升作用不大，破碎細小的條狀α 相更有利于抗拉強度的提高；隨著鍛前加熱溫度逐漸升高，橫向屈服強度呈現(xiàn)降低的趨勢，塑性變化趨勢相反；在不同取樣位置處，基本表現(xiàn)為1/4 取樣厚度處強度高于1/2 取樣厚度處。

圖10 鍛造溫度試驗1/4 和1/2 厚度處橫向平均高溫拉伸性能折線圖

從表6 中可以看出，試塊2-A 的斷裂韌性達到107MPa·m1/2以 上，試 塊2-B 的 斷 裂 韌 性 達 到113MPa·m1/2以上，試塊2-C 的斷裂韌性達到129MPa·m1/2以上，可滿足標準要求的80MPa·m1/2，TC32 鈦合金具有優(yōu)異的斷裂韌性。

表6 鍛造溫度試驗斷裂韌性檢測結(jié)果

結(jié)論

⑴當鍛前加熱溫度為Tβ-40℃和Tβ-20℃時，鍛件可獲得雙態(tài)組織；當鍛前加熱溫度為Tβ+20℃時，鍛件可獲得網(wǎng)籃組織。

⑵當鍛前溫度設(shè)定為Tβ-40℃至Tβ-20℃時，鍛件可獲得較好的綜合力學性能，且在Tβ-20℃時達到最佳強韌性和強塑性匹配。但在實際生產(chǎn)過程中，較高的鍛前加熱溫度易導致粗晶或組織不均勻問題，從而造成鍛件報廢，建議鍛造溫度設(shè)定為Tβ-40℃至Tβ-30℃。