TC18钛合金锻件生产研究

TC18钛合金锻件生产研究

文／刘卫，闫赞飞·西安三角防务股份有限公司

采用两种准β锻造工艺生产TC18钛合金锻件，结果表明：准β锻造温度和改锻速度影响TC18钛合金锻件网篮组织中次生α的大小、形态。准β锻造温度可以使TC18钛合金锻件的断裂韧性得到很大改善。

TC18钛合金是一种高强度、高韧性的近β钛合金，其名义化学成分为 Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，适用于制造飞机机身以及起落架结构中的各种大型锻件。钛合金可通过压力加工（锻造、轧制）与热处理结合起来的工艺获得优良的组织和综合性能。TC18钛合金锻造一般采用准β锻造工艺，这种工艺适用于制造大型的并要求高断裂韧性的零件。准β锻造工艺是将钛合金在相变点以上一定范围内加热保温，然后在相变点以下进行较大的变形并空冷，获得较高断裂韧性及较好的综合性能的网篮组织。为了获得编织均匀的网篮组织，而又保证原始β晶界充分破碎，获得较优的强度、塑性和韧性的匹配，我公司采用了两种准β锻造工艺制造某型号大型模锻件。

材料及工艺方法

TC18钛合金原材料采用φ400mm直径规格的棒材，其化学成分见表1。图1为TC18钛合金原材料的高、低倍相片，TC18钛合金高倍为典型的等轴组织，无连续平直的α网格。低倍为模糊晶组织，无气孔、缩孔、分层等冶金缺陷。本文中TC18钛合金原材料的相变点参照HB 6623.1-1992淬火金相法测得，将TC18钛合金原材料组织中3%以下的初生α相的淬火温度作为Tβ。

图1 TC18钛合金原材料相片

表1 TC18棒材化学成分（%）

元素 Ti Al Mo V Cr Fe C Zr Si O N H 其他含量 基体 4.4～5.7 4.0～5.5 4.0～5.5 0.5～1.5 0.5～1.5≤0.10≤0.30≤0.15≤0.18≤0.05≤0.015≤0.30

工艺1的工艺流程为原材料→下料→自由锻(改锻、锻荒) →模锻（预锻、准β锻造）→热处理。工艺2的工艺流程为原材料→下料→自由锻(锻荒)→模锻（预锻、准β锻造）→热处理。自由锻、模锻分别在我公司31.5MN快锻机和400MN模锻液压机进行，热处理在我公司均匀度为±5℃的台车式热处理炉进行。两种工艺的自由锻锻造温度均为Tβ-35℃，工艺1的改锻速度为10mm/s，准β锻造温度为Tβ+18℃，工艺2的改锻速度为15mm/s，准β锻造温度为Tβ+10℃，两种工艺的变形量和火次均一致。两种工艺的热处理制度均为840℃，保温180min，随炉冷至760℃，保温150min，空冷，然后加热至620℃，保温6h，空冷。

锻造设备

31.5MN快锻机是我公司主要设备之一（图2），该设备采用预应力分体框架双柱斜置上压式结构，可实现31.5MN、20MN、11.5MN等多种压力运行模式。目前，我公司用该设备进行钛合金、高温合金、高强度钢、铝合金等材料大型自由锻件的生产以及为各种模锻件进行制坯、开坯和改锻。大规格TC18钛合金棒材的改锻，要求锻造设备不仅要有足够的压力，还要求设备具有较强的操控能力。31.5MN快锻机满足了锻件大变形所需要的设备吨位，同时其精确的液压控制也为改锻控制压下量和变形量提供了可靠保证。

图2 31.5MN快锻液压机

400MN大型航空模锻液压机为我国独立研制、开发、拥有核心技术的模锻液压机（图3）。该设备采用清华大学具有自主知识产权的预应力钢丝缠绕结构和预应力剖分-坎合技术进行设计和制造。该设备具有刚性好、压力稳定、压制速度快等特点，主要用于铝合金、钛合金、高温合金、粉末合金、高强度合金钢等难变形材料大型构件的整体模锻成形，特别适合大型TC18钛合金锻件准β锻造变形所需要的巨大变形压力及精确的变形速度要求。

图3 400MN模锻液压机

试验结果及讨论

低倍组织

两种工艺所得锻件的低倍组织如图4所示，低倍试样均取于最终交付的TC18钛合金锻件相同位置，从低倍相片可以看出两种工艺得到的TC18钛合金锻件低倍组织均为清晰晶组织，符合相关技术标准要求。工艺1自由锻中的改锻工序是为了改善原材料的组织与性能，使锻件用料基本处于同一组织性能状态。对比图4两种工艺的低倍图片，可以看出工艺1与工艺2所得锻件低倍组织均具有良好的组织均匀性。排除改锻工序对锻件组织的影响，工艺1与工艺2所得锻件主要差异在于改锻变形速度和准β锻造温度的不同。锻件低倍组织取决于准β锻造温度，从图4低倍相片可以看出，提高准β锻造温度，TC18钛合金锻件低倍组织的清晰度增加，晶粒变大。

图4 TC18锻件低倍组织

显微组织

两种工艺所得锻件的显微组织如图5所示，显微组织试样均取于最终交付锻件的相同位置。从图5可以看出两种工艺所得TC18锻件的显微组织均为相变点以上温度锻造得到的网篮组织，原始β晶粒和晶界α完全破碎，形成的片状α交错排列。对比两种工艺不同位置处的显微组织可以看出工艺1锻件显微组织中α更加薄更细，交织更紧密；工艺2组织中α比较短小，基本未交织并且形状趋于球状α。在相同变形量条件下，提高改锻速度，有利于原始晶粒破碎，使得钛合金组织细化。工艺2改锻速度大于工艺1，导致最终显微组织中钛合金组织中α短小，交织程度降低。随着锻造温度的升高，α层的厚度、长度及α相含量均增加。准β锻造时，随着锻造温度升高，长条的α不易被破碎，更易形成交织紧密的网篮组织。工艺2锻件锻造时由于锻造温度较低，长条的α被不同程度破碎，长度较短，所得网篮组织交织程度也较工艺1锻件有所下降。

力学性能

两种工艺所得锻件的力学性能结果如图6所示。可以看出，两种工艺所得锻件力学性能中KIC的差异最为明显，其他性能数据变化不大。网篮组织的钛合金综合性能良好，具有较好的强度和断裂韧度。两种工艺锻件的抗拉强度均在1100MPa左右，最大值与最小值差值为61MPa，说明TC18合金锻件的强度较均匀；但同时可以看出工艺1锻件的抗拉强度（纵向、横向）总体均低于工艺2锻件的抗拉强度。通常情况下，合金组织越细小，相应的抗拉强度越高。工艺2钛合金锻件显微组织中次生α片层较小，合金中β相的比例相应增大，使得合金强度升高。两者差异不大则是因为工艺1锻件显微组织中次生α片层较大较长，加大了两相间的界面面积，第二相强化效应增大，使得合金的强度在一定程度升高。

图5 TC18锻件显微组织

图6 力学性能结果

网篮组织中次生α片层纵横交错，可以不断改变合金裂纹扩展方向，降低裂纹扩展速率，使合金的断裂韧性得到提高。两种工艺锻件的KIC均大于60MPam1/2，工艺1锻件的KIC值最大可达到101 MPam1/2。工艺1锻件的KIC明显高于工艺2锻件，主要是受两种工艺锻件网篮组织的交织程度和疏密程度影响。在网篮组织中，裂纹沿α/β界面扩展，并随片状的取向不断改变扩展方向。因此网篮组织的交织程度和疏密程度越好，路径更加曲折，分枝更多，裂纹扩展所需能量越高，合金的断裂韧性越好。

讨论

对于钛合金来说，相比改锻速度，锻造温度对锻件组织和力学性能的影响更大。对于TC18钛合金来说，锻件最终组织和性能取决于准β锻造温度。

本文两种工艺TC18钛合金锻件低倍组织和显微组织均受准β锻造温度的影响；准β锻造温度提高，TC18钛合金锻件的低倍晶粒增大，网篮组织中次生α交织紧密。力学性能由组织决定，不同组织形态的TC18钛合金锻件具有不同的力学性能。

本文两种工艺TC18钛合金锻件均具有良好的综合性能，两种工艺锻件的延伸率、冲击韧性对于准β锻造温度的影响均不敏感。两种工艺锻件的抗拉强度变化不大，这与准β锻造温度改变了TC18钛合金锻件显微组织中次生α的大小、形态及β相的比例有关。两种工艺锻件KIC值差异较大，差值最大为32.6MPam1/2，主要是因为提高准β锻造温度，大大增加了TC18钛合金锻件网篮组织的交织程度和疏密程度，使得合金的断裂韧性有很大改善。

结论

⑴准β锻造温度和改锻速度影响TC18钛合金锻件网篮组织中次生α的大小、形态。

⑵准β锻造温度可以使TC18钛合金锻件的断裂韧性得到很大改善。