引言

TC11鈦合金鍛件的組織和力學性能主要由鍛造變形決定，熱處理的作用不象鋼那樣大，因此，為獲得高質量的鍛件，其鍛造工藝方法選擇就十分重要，鈦合金材料的鍛造工藝方法有α+β鍛造、β鍛造等。

目前的鍛件由于其使用溫度較低，一般均在雙態組織或者等軸組織狀態下使用，在鍛造方法上通常使用α+β鍛造方法，但隨著航空產業鈦合金零件的增多，尤其是某些鈦合金葉輪在高溫性能上也出現了具體的設計要求，滿足低溫使用環境鍛件的α+β鍛造方法開始出現了其局限性，利用此鍛造方法生產的鍛件屢屢出現高溫甚至室溫性能的不合格。

為提高鍛件的高溫力學性能，有必要系統地對TC11鈦合金α+β鍛造以外的β鍛進行初步的工藝研究，以便為將來采用β鍛造進行TC11鈦合金鍛造積累工藝參數和實踐經驗， 為今后新型高溫環境下的鈦合金零件的應用提供依據。

1、 試樣制備與試驗方法

試樣鍛造試驗原材料為西部超導生產的TC11棒材，尺寸分別為φ90、φ100、φ80，采用的鍛造工藝路線：下料一加熱一鍛造一熱處理一理化化驗。

對鍛件組織的要求：鍛件的低倍組織應符合GJB2220—94的規定。鍛件的顯微組織應是經α相區或僅α+β兩相區加工的均勻組織，即僅基體或由轉變β基體和等軸或條狀初生α相組成。初生α相含量應不小5％ 。所有β晶界儀相應充分破碎，不允許存在連續、平直的晶界α相。按GJB2220—94進行評定，1級～6級為合格組織，局部允許8級。

2、試驗結果與討論

對于僅α+β鍛造的試樣低倍組織和顯微組織進行了分析，按目前冶金規定的標準(低倍組織1-8級，顯微組織1～6級，局部允許8級)，實際低倍組織局部存在清晰晶，顯微組織7級(圖1)，結論：不合格。

TC11鈦合金塑性圖及鍛造溫度、變形程度對鈦合金性能和組織的影響見圖2～圖4。

經分析認為顯微組織不合格的原因如下：

(1)屬于原材料組織遺傳存在的α相過長，片狀網籃組織，鍛造過程中難以改變，熱處理無法消除。

(2)原材料組織大晶粒，須大變形量進行破碎，實際進行鍛造時，沒有將大晶粒打碎， 可能是鍛造比偏小。

(3)由于鈦合金塑性差、導熱性差， 而且魏氏組織分布不均勻，存在局部變形，溫度升高的熱效應現象，形成局部過熱。

(4)鈦合金的塑性性能指標和強度指標與鍛造有關，認為鍛件鍛比過小造成塑性性能指標和強度指標不合格。

(5)自由鍛設備噸位不足，鍛錘打擊速度過快，對鍛件質量有較大影響。目前，現有設備打擊力小，鍛件變形困難，成形需要較長時間，鈦合金降溫快，須多火次鍛造，容易形成鍛件組織的多樣性、不穩定性。

在不同鍛造溫度、相同熱處理條件下所測得的力學性能對比見表1、表2、表3。

在試驗中我們可以看出：① 經β鍛造的鈦合金具有最佳的高溫蠕變強度和優越的斷裂韌性；② 經變形的魏氏組織雖然室溫塑性比等軸顯微組織低一些，但一般均高于技術條件的要求；③ 經變形的魏氏組織的疲勞性能，雖然在可靠性和穩定性方面還未被公認，但有些數據表明其疲勞性能并不亞于等軸晶粒，與未經變形的魏氏組織相比，有了相當的改善。

經β鍛造后，斷裂韌度之所以得到提高，乃是由于共析狀α相和等軸α相在強度基本相同的情況下，前者具有較高的斷裂韌度。因為裂紋遇到僅板條時發生轉折，所以只有在產生很大的塑性變形的條件下， 相才能發生開裂。

β鍛造除可以提高合金的斷裂韌性和蠕變強度之外， 還可以減小鍛造時的變形抗力和提高工藝塑性。

綜上所述，可以看出β鍛造的應用范圍是完全可能不斷擴大的。但由于在疲勞性能方面尚不能令人放心， 因此當前基本上只應用于非轉子零件的制造。例如，美國TF39發動機的Ti-6Al-4V轉子葉片，已采用β鍛造方法進行精密模鍛。β鍛造低倍組織雖然呈現出較模糊的粗大晶粒輪廓，但觀察其高倍組織，則已屬于通常希望的細小等軸組織。按技術條件檢驗其室溫拉伸等性能也均合格，因此過去曾稱它為“偽大晶粒” 。由于這種組織的疲勞強度、斷裂韌度等性能尚不夠清楚，因此能否采用尚待進一步研究確定。

3、結論

鍛造工藝參數的選擇主要決定于鍛件材料的鍛造工藝性能， 而鍛造工藝性能主要決定于鈦合金自身的物理一化學(或金屬學)特性及鍛造過程的熱力學特性，亦即決定于鍛件材料的內部條件和外部條件(鍛造過程的熱力學特性)。

影響鍛造工藝性能的合金內部條件(金屬學或物理特性)主要有晶體結構、相變特點和化學成分(含合金和雜質元素)等。影響鍛造工藝性能的外部條件(鍛造過程的熱力學特性)主要有鍛造過程的溫度、應變速率、應力一應變狀態和再結晶特性等。此外，鍛造和加熱及環境條件也在相當程度上影響鍛造工藝性能，它既與鍛件合金的內部條件有關，又直接或間接影響鍛造過程的熱力學參數的變化。

影響鈦合金鍛造工藝性能的因素很多，它們發生影響的程度也不同，但它們在鍛件生產過程中是一個有機的整體，因此，在生產中通常按照α型、近α型、α+β型、近β型和β型鈦合金的分類分析探討其鍛造工藝性能。

實質上，鍛造工藝方法對鈦合金質量的影響是各個鍛造熱力學參數(變形溫度、變形速率、變形程度、模具溫度及其均勻性以及冷卻方式等)綜合作用的結果。

【參考文獻】

[1]張彤，鄧春鋒，馬艷霞，等．TC11鈦合金熱變形組織演變規律研究．鍛壓裝備與制造技術，2012，47(1)．

[2] 中國鍛壓協會航空材料成形委員會．鈦合金的鍛壓技術．北京：國防工業出版社，2007．

[3] 王樂安．難變形合金鍛件生產技術．北京：國防1一業出版社，2005．

[4] 陶春虎，等．航空用鈦合金的失效及其預防．北京：國防 業出版社，2010．

[5] 史延沛，李淼泉，羅皎．TC4鈦合金葉片鍛造過程中晶粒尺寸的數值模擬．鍛壓裝備與制造技術，2009，44(2)．

相關鏈接