鍛造變形方式對航空用TC11鈦合金棒材性能的影響

TC11鈦合金是一種綜合性能良好的α+β型熱強(qiáng)鈦合金，其名義成分為Ti-6.5Al-33.5Mo-1.5Zr-0.3Si。該合 金在500℃以下具有優(yōu)異的熱強(qiáng)性能，并且具有較高的室溫強(qiáng)度，主要應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)盤、葉片 、鼓筒等零件，也可用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。TC11鈦合金大規(guī)格棒材鍛造時，坯料單重大，具有變形抗力大、 鍛透性差等特點(diǎn)，存在組織均勻性差，超聲波探傷合格率低等問題。通過采用多種變形方式交替的鍛造工藝 ，改善了TC11大規(guī)格棒材組織均勻性，提高了超聲波探傷合格率。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)材料

采用三次真空自耗電弧爐熔煉的TC11鈦合金φ720mm鑄錠，其化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T3620.1-2007要求。金相 法測得該合金的β轉(zhuǎn)變溫度（相變點(diǎn)，T_β轉(zhuǎn)）為1000~1005℃。

1.2實(shí)驗(yàn)工藝及過程分析

鍛造設(shè)備為25MN快鍛機(jī)。工藝流程為：鑄錠-->β區(qū)開坯鍛造-->β區(qū)墩拔-->α+β區(qū)墩拔--> 區(qū)成型-->取樣-->試樣熱處理-->機(jī)加-->超聲波探傷。

常規(guī)鍛造工藝（原工藝）在墩拔時的變形方式為方截面墩粗、拔長（圖1）。

根據(jù)最小周邊法則，坯料在鐓粗時，其斷面形狀將趨于圓形；根據(jù)最小阻力定律，坯料的每一個質(zhì)點(diǎn)都沿其 最小阻力即最短法線方向移動。由圖1可以看出，原丁藝坯料各個區(qū)域的變形量不盡相同，而變形量的差異 又會導(dǎo)致組織差異。

矩形截面坯料在平砧間拔長時的每一次壓縮，其內(nèi)部的變形情況與鐓粗很相似，同樣存在變形不均勻的現(xiàn)象 。

原常規(guī)鍛造工藝生產(chǎn)φ200mm棒材的顯微組織見圖2、可以看出，組織均勻性較差，具有一定的方向性。

為了避免常規(guī)鍛造變形時的不均勻現(xiàn)象，在鐓粗時采取了圓形坯料鐓粗的方式(圖3)。在拔長時采用圓形、 矩形、棱形、六邊形、方形、圓形交替的變形方式(圖4)。其改進(jìn)后的工藝稱為新工藝。原工藝與新工藝鐓 拔方式及火次見表1。

采用圓形坯料鐓粗時，最小阻力方向即是的半徑方向。能夠有效避免矩形截面變形不均勻的問題。拔長時通 過截面形狀的交替變化從而實(shí)現(xiàn)坯料各個部位的均勻變形，減少變形死，改善組織均勻性。

通過上述新工藝路線制備成品尺寸為+φ200mm的棒材6批次。每批任取兩支棒材切取厚度為20mm的試樣，試 樣熱處理制度為：950℃保溫60min／AC+530℃保溫360min／AC采用箱式電阻爐(爐溫控溫精度±5℃)對試樣 進(jìn)仃熱處理，在熱處理過的試樣上檢測室溫拉伸、高溫拉伸、持久性能及微組織。棒材按照GB／T5l93.2007 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100％超聲探傷。

2、結(jié)果與分析

2.1棒材低倍

原常規(guī)鍛造工藝生產(chǎn)φ200mm的棒材的低倍組織按GJB2744A-2007圖1評級為3～5級，新工藝低倍組織評級見 表2。

2.2棒材高倍組織

新工藝鍛造的TC11鈦合金棒材的顯微組織為兩相區(qū)加工組織，無完整原始B品界，組織細(xì)小、均勻，在 β轉(zhuǎn)變基體上分布著等軸α+片狀α，如圖5所示。

2.3棒材力學(xué)性能

原工藝棒材室溫及高溫力學(xué)性能見表3。試樣取自棒材長度方向靠近外側(cè)面。

新工藝鍛造的TC11鈦合金棒室溫拉伸性能見圖6。試樣取自棒材長度方向靠近外側(cè)面隨機(jī)取12個。

由圖6可見，室溫抗拉強(qiáng)度1080~1110MPa，屈服強(qiáng)度965~980MPa，均比原工藝高；伸長率和收縮率略高于原 工藝。

由圖7可見，高溫抗拉強(qiáng)度755~790MPa，屈服強(qiáng)度595~605MPa，均比原工藝高，性能差異性小，從而說明組 織均勻性好。

總之。新工藝鍛造的TC11鈦合金棒符合GJB2218A-2008力學(xué)性能要求。

2.4棒材的超聲探傷

TC11鈦合金鍛棒的探傷無缺陷。新工藝棒材雜波水平φ1.2mm-(6~8)dB，滿足GB/T5193-2007標(biāo)準(zhǔn)A1級要求。

3、結(jié)論

(1)新工藝路線的變形方式可有效消除矩形截面變形時的不均勻現(xiàn)象，組織均勻性較好，滿足超聲

探傷要求。

(2)采用新工藝鍛造的φ200mmTC11鈦合金棒材各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均優(yōu)于原工藝。

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