自由鍛造TC17鈦合金餅材（鈦合金鍛件）的組織與性能研究

1、 前言

TC17 鈦 合 金（ 即 Ti-17）名 義 成 分 為 Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr[1]，是一種高強、高韌性和高淬透性的近 β型兩相鈦合金。TC17 合金是由美國在 20 世紀 70 年代開發研制，廣泛的應用于眾多先進航空發動機風扇和壓氣機整體葉盤鍛件[2]。

TC17 鈦合金餅材通常采用傳統模鍛（即模內成型），而通過自由鍛壓方式的則相對較少。這是因為相比于傳統模鍛工藝，自由鍛造工藝對現場操作要求更高，操作難度大，但 自由鍛生產成本較低，可操作性較大，可以通過鍛造工藝的控制得到不同的組織結構。本文研究了在不同的自由鍛造工藝下，設計制備 TC17 鈦合金餅材，并通過分析其高倍顯微 組織與室溫力學性能，對比不同鍛造工藝下自由鍛得到的餅材的顯微組織與力學性能。

2、 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

試驗材料采用寶鈦集團通過三次真空熔煉生產的 TC17鈦合金鑄錠（鑄錠名義尺寸 Φ720），主要化學成分如表 1 所示。測得其相變點溫度為 902℃ ~905℃。鑄錠通過開坯鍛 造、中間鍛造多火次鐓粗、拔長，自由鍛壓至 Φ250mm 棒材。在相當于鑄錠頭部位置切取 20mm 樣片，經切割設備制備出高倍試樣，在金相顯微鏡下觀察其高倍顯微組織如圖 1所示，制坯棒材高倍顯微組織為 α+β 兩相區組織，初生 α相平均尺寸為 8μm 左右，初生 α 相體積分數在 60% 以上，無原始 β 晶界，無粗大、連續、網狀晶界 α。

2.2 試驗方法

將制備好的 250mm 坯料鋸切下料，在 31.5MN 鍛造機上通過自由鍛壓的方式，將鋸切坯料通過路線 1 與路線 2 兩種鍛造工藝方案進行成品鍛造。

路線 1 ：將鋸切坯料加熱到相變點以下 30℃ ~60℃（Tβ-30~60℃）進行鐓拔、滾圓、整形（變形量約 50%），最終通過機械加工得到成品餅材。

路線 2 ：①將鋸切坯料加熱到相變點以下 20℃（Tβ-20℃）保溫一定時間后升溫至相變點以上 30℃（Tβ+30℃）進行鐓拔、滾圓（變形量約 30%）。②加熱到相變點以下30℃ ~60℃（Tβ-30℃ ~60℃）進行鐓滾、整形（變形量約20%），最終最終通過機械加工得到成品餅材。

對兩種不同鍛造工藝路線制備的餅材，鍛后進行固溶時效熱處理，熱處理制度為 840℃ /2h.AC+800℃ /4h.WC+630℃ /8h.AC。對餅材分別線切割破開取縱向試樣，機械加工制取高倍及力學性能試樣，進行顯微組織分析和力學性能分析。在 INSTRON5581 型電子萬能材料試驗機上進行拉伸實驗獲得不同鍛造工藝下室溫力學性能數據。實驗采用氫氟酸、硝酸、水按 1:3:10 比例的酸液腐蝕試樣后，在 OLYMPUS GX71 型金相顯微鏡上觀察其高倍顯微組織，獲得不同鍛造工藝下的高倍顯微組織。

3、 實驗結果與討論

3.1 顯微組織

對兩種不同工藝方案鍛造制備的 TC17 餅材，對高倍試樣進行磨光、腐蝕，其高倍顯微組織如圖 2 所示 ：（①）與（②）為路線 1 餅材的高倍顯微組織，可見其顯微組織是典型 的 α+β 兩相區組織，主要由等軸 α 相與 β 轉變組織構成，初生 α 相平均尺寸為 10μm 左右，初生 α 相體積分數在50% 左右，并且伴有少量的次生 α 相。 （③）與 ( ④ ) 為路線 2 餅材的高倍顯微組織，可見其顯微組織為均勻的網籃組織，初生 α 相平均尺寸為 4μm 左右，初生 α 相體積分數在 30% 左右，片狀 α 相細小且均勻， 并且不存在完整的原始 β 晶界或粗大、連續、網狀晶界 α。

由此可見將加熱溫度提升到 β 相區，采用恰當的鍛造工藝，控制 β 相區的變形量，可以將原始 β 晶界充分破碎，得到均勻、細小的網籃組織[3]。

3.2 力學性能

兩種鍛造工藝路線生產的 TC17 鈦合金餅材力學性能如表 2 所示。由兩種工藝路線方案中的數據統計分析結果可知 ：等軸組織餅材的斷后伸長率（δ/%）與斷面收縮率（Ψ/%）均優于網籃組織餅材，可以看出等軸組織的塑性性能明顯比網籃組織要好。這是由于在等軸組織中初生 α 相含量（50% 左右）明顯大于網籃組織中初生 α 相含量（30%左右）。在拉伸變形過程的初始階段，等軸 α 相與 β 轉變組織上會形成空洞，隨著拉伸過程的進行，這些空洞會隨之擴展長大，而 α 相對空洞成長起著阻礙作用[4]。由此可得，初生 α 相含量越多，則空洞擴展長大所遇到的阻礙就越多，斷后伸長率與斷面收縮率就越高，合金材料塑性性能越好[5]。

路線 2 制備的餅材的室溫抗拉強度（σb）、屈服強度（σ0.2）以及沖擊性能（αkU）均優于路線 1 餅材。這就證明了網籃組織相對于等軸組織具有更高的室溫強度及沖擊性能。在網籃組織高倍顯微組織中可以看出，網籃組織中擁有細小、均勻的片狀 α 相，片狀 α 相對裂紋的連續擴展起到了阻礙作用，當片狀 α 層的厚度大于一定數值后，裂紋擴展 則會無法直接穿透片狀 α 層區，從而改變原有裂紋擴展的方向與路線。因此網籃組織中的片狀 α 相在增強合金材料強度與改變裂紋擴展方向的同時，為合金材料斷裂過程提供 了更高的能量，從而增強了材料的沖擊性能[3,6]。

4、 結論

（1）通過自由鍛造的方式，采用在相變點以下 20℃保溫一段時間后升溫到相變點以上 30℃，在此溫度下變形量為30%，在相變點以下 30℃ ~60℃溫度下變形量為 20% 鍛壓 工藝，可以得到組織均勻、細小的網籃組織 TC17 鈦合金鍛件。

（2）對于采用不同自由鍛壓工藝路線生產的餅材，網籃組織餅材的抗拉強度、屈服強度及沖擊性能均高于等軸組織餅材，而等軸組織具有相對于網籃組織更好的塑性性能。

參考文獻：

[1]蔡建明 , 弭光寶 , 高帆等 , 航空發動機用先進高溫鈦合金材料技術研究與發展［J］。材料工程，2016,44（8）:1-10.

[2]韓棟 , 張鵬省 , 毛小南等 .BT22 鈦合金及其大型鍛件研究進展 [J]. 材料導報，2010,24（2）：46-50

[3]董軼 ; 馬宏剛 ; 李渭清等自由鍛造 TC18 鈦合金薄壁環材的組織與性能研究 [J]- 世界有色金屬 ,2016-09-05 0

[4]王曉燕 , 郭鴻鎮 , 袁士‐等 , 等溫鍛造溫度對 TC18 鈦合金組織性能的影響 [J], 鍛壓技術 ,2008-06-25

[5]楊洪濤 , 何劍雄 , 譚勇 , 王耀湘等 ,TC6 鈦合金環形鍛件組織與性能的研究 [J]- 宇航材料工藝 ,2005-08-30

[6]王通 , 張朋 , 王九清 , 龐輝勇等 , 原始組織對 690MPa 級海工鋼亞溫淬火后強韌性的影響 , 鋼鐵 ,2020-09-211