1、概述

隨著我國國民經濟、科學技術的大發展,航天、航空工業近年迎來了新的發展契機,尤其在國家“大飛機”項目立項后,民用航空制造產業將成為引領國民經濟發展的新的經濟增長點,有著廣闊的發展前景。民用航空制造企業為了不斷提高飛機的先進性、可靠性、適用性,增加國產飛機的國際市場競爭力,對航空制造材料的選擇要求越來越高;鈦合金的(de)主(zhu)要特點是比重小(xiao),強度高,同時(shi)具(ju)有良好的(de)耐熱、耐腐蝕性能,成為現(xian)代飛機受力(li)構件(jian)的(de)主(zhu)選材料,大(da)大(da)減輕了飛機重量,其中TC4(Ti-6AL-4V)和TB6鈦合金鍛(duan)件(jian)在航空(kong)制造中應用較多。

2、鈦合金及鍛造工藝的分類

根據室溫顯微組織,鈦合金可分為三種類型:α型合金、α+β型合金和β型合金,其中α和α+β型合金的熱塑性與變形速度關系不大,而β型合金有良好的可鍛性但溫度過低可能引起α相沉淀。鈦合金鍛造工(gong)藝按鍛(duan)造(zao)溫(wen)度與β轉變溫(wen)度的關系,分為(wei)常規鍛(duan)造(zao)與高溫(wen)鍛(duan)造(zao)。

2.1 鈦合(he)金(jin)的常規鍛造

常(chang)用變形鈦合金通常(chang)都是在β轉變溫(wen)度以下鍛造的(de),稱為常(chang)規鍛造。根據坯料在(α+β)相(xiang)區(qu)(qu)(qu)加(jia)熱溫(wen)度的(de)高低,可(ke)細分為上兩(liang)相(xiang)區(qu)(qu)(qu)鍛造與下兩(liang)相(xiang)區(qu)(qu)(qu)鍛造。

2.1.1 下兩相區(qu)鍛(duan)造

下(xia)兩(liang)相(xiang)(xiang)區(qu)鍛(duan)造(zao)一般是在(zai)β轉變(bian)溫(wen)度(du)(du)以下(xia)40～50℃加(jia)(jia)熱鍛(duan)造(zao),此時初生(sheng)(sheng)α相(xiang)(xiang)和(he)β相(xiang)(xiang)同時參與(yu)變(bian)形(xing)。變(bian)形(xing)溫(wen)度(du)(du)愈(yu)低,參與(yu)變(bian)形(xing)的(de)α相(xiang)(xiang)數(shu)量愈(yu)多。與(yu)β區(qu)變(bian)形(xing)相(xiang)(xiang)比,在(zai)下(xia)兩(liang)相(xiang)(xiang)區(qu)域β相(xiang)(xiang)的(de)再(zai)結(jie)晶(jing)過程(cheng)急劇加(jia)(jia)快,再(zai)結(jie)晶(jing)形(xing)成的(de)新(xin)的(de)β晶(jing)粒不僅(jin)沿變(bian)形(xing)的(de)原始β晶(jing)界(jie)上析出,而且(qie)在(zai)β晶(jing)界(jie)內和(he)α片層間的(de)β中間層內出現。經這種工藝生(sheng)(sheng)產的(de)鍛(duan)件強度(du)(du)很高,塑(su)性較好,但(dan)其斷裂(lie)韌性與(yu)蠕變(bian)性能還有很大潛力(li)。

2.1.2 上兩相區鍛造(zao)

它是(shi)在β/(α+β)相變(bian)點以(yi)下10-15℃的溫度下始鍛。其變(bian)形后的最終(zhong)組(zu)織(zhi)含(han)有(you)較多(duo)的β轉變(bian)組(zu)織(zhi),可提高組(zu)織(zhi)的蠕(ru)變(bian)性能和斷(duan)裂(lie)韌性;使(shi)鈦合(he)金塑性、強(qiang)度、韌性兼得。

2.2 鈦合金的高溫鍛造(zao)

也稱為“β鍛(duan)(duan)(duan)”,分為兩(liang)種:第一種是坯料(liao)(liao)在(zai)(zai)β區(qu)加熱,在(zai)(zai)β區(qu)開(kai)始并(bing)完(wan)成鍛(duan)(duan)(duan)造(zao)的(de)工藝方(fang)法(fa);第二種是坯料(liao)(liao)在(zai)(zai)β區(qu)加熱,在(zai)(zai)β區(qu)開(kai)始鍛(duan)(duan)(duan)造(zao),并(bing)控制很大變(bian)(bian)形量(liang)在(zai)(zai)兩(liang)相(xiang)區(qu)完(wan)成鍛(duan)(duan)(duan)造(zao)的(de)工藝方(fang)法(fa),簡稱為“亞β鍛(duan)(duan)(duan)”。與兩(liang)相(xiang)區(qu)鍛(duan)(duan)(duan)造(zao)相(xiang)比,β鍛(duan)(duan)(duan)造(zao)能得(de)到較高(gao)的(de)蠕變(bian)(bian)強(qiang)度(du)和斷裂韌性,還有(you)利(li)于鈦合金周疲勞性能的(de)提高(gao)。

2.3 鈦(tai)合金的(de)等溫模(mo)鍛

該(gai)種(zhong)工(gong)藝利用了(le)材料(liao)的(de)(de)超(chao)塑(su)性及(ji)蠕變(bian)機(ji)理(li)來生產(chan)較復雜鍛(duan)(duan)件(jian)(jian),要(yao)求模具預(yu)熱并保持在760～980℃的(de)(de)范圍內;液壓機(ji)以預(yu)定的(de)(de)值(zhi)施加壓力,壓力機(ji)的(de)(de)工(gong)作速度(du)由(you)毛坯的(de)(de)變(bian)形抗力自動調節。由(you)于模具改(gai)為加熱的(de)(de),不(bu)需(xu)要(yao)采用那(nei)么快的(de)(de)活動橫梁去避免急冷。飛機(ji)上用的(de)(de)許多鍛(duan)(duan)件(jian)(jian)都具有(you)薄壁和肋高(gao)的(de)(de)特征,故在航空制造中該(gai)種(zhong)工(gong)藝得(de)到了(le)應用,如國產(chan)某型(xing)機(ji)的(de)(de)TB6鈦(tai)合金等(deng)溫精模鍛(duan)(duan)件(jian)(jian)工(gong)藝。

3、TC4鍛件缺陷分析及工藝改進

3.1 TC4鍛件缺陷的出現及分(fen)析(xi)

某廠按航標(biao)(biao)進行TC4鍛件(jian)試(shi)生產時(shi),檢測出試(shi)件(jian)幾項鍛件(jian)性能指(zhi)標(biao)(biao)不合格,其中“缺口應力斷(duan)裂”指(zhi)標(biao)(biao)小于5小時(shi),針對此(ci)問題(ti),首先(xian)應從TC4的金相組織形態分(fen)析,然后從鍛造工藝找(zhao)原因(yin)。

3.1.1 TC4的金相(xiang)組織形態特征(zheng)

TC4鈦合金屬α+β型鈦合金,組成為Ti―6AL―4V,退(tui)火組織(zhi)為α+β相(xiang),含有6?的α穩定(ding)元(yuan)素(su)鋁(lv),通過固熔強化使α相(xiang)的強度(du)得到提高(gao),釩穩定(ding)β相(xiang)的能力較(jiao)小(xiao),因此退(tui)火組織(zhi)中β相(xiang)的數量較(jiao)少,大約占7-10。

TC4合金在(zai)不同的(de)(de)(de)熱(re)(re)處(chu)理和熱(re)(re)加(jia)工(gong)條(tiao)件下,基本相(xiang)α、β的(de)(de)(de)比例、性(xing)(xing)質和形(xing)態是(shi)很(hen)不同的(de)(de)(de)。TC4合金的(de)(de)(de)β轉(zhuan)變(bian)(bian)(bian)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)在(zai)1000℃左右,若(ruo)將(jiang)TC4加(jia)熱(re)(re)到950℃,空冷后(hou)所得(de)(de)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)為(wei)初生α+β轉(zhuan)變(bian)(bian)(bian)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi);如(ru)加(jia)熱(re)(re)到1100℃、空冷,則得(de)(de)到粗(cu)大的(de)(de)(de)完全轉(zhuan)變(bian)(bian)(bian)的(de)(de)(de)β相(xiang)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi),稱為(wei)魏(wei)氏組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。如(ru)果加(jia)熱(re)(re)和變(bian)(bian)(bian)形(xing)同時作用,影響更加(jia)明顯,將(jiang)TC4合金加(jia)熱(re)(re)到β轉(zhuan)變(bian)(bian)(bian)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)以上,但(dan)(dan)變(bian)(bian)(bian)形(xing)較小,即形(xing)成魏(wei)氏組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。其(qi)(qi)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)特(te)征是(shi):塑(su)性(xing)(xing)、沖(chong)擊(ji)韌(ren)性(xing)(xing)較低(di),但(dan)(dan)抗蠕變(bian)(bian)(bian)能力(li)較好(hao)(hao)。如(ru)果開(kai)始(shi)變(bian)(bian)(bian)形(xing)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)在(zai)β轉(zhuan)變(bian)(bian)(bian)以上,但(dan)(dan)變(bian)(bian)(bian)形(xing)程度(du)(du)足夠大,則得(de)(de)到的(de)(de)(de)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)特(te)征是(shi):α相(xiang)勾劃出的(de)(de)(de)β晶界部分(fen)被(bei)粉碎,條(tiao)狀(zhuang)α相(xiang)部分(fen)被(bei)扭曲,稱為(wei)網籃(lan)狀(zhuang)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。其(qi)(qi)特(te)征是(shi)塑(su)性(xing)(xing)、沖(chong)擊(ji)韌(ren)性(xing)(xing)較魏(wei)氏組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)好(hao)(hao),近似于等軸細晶組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi),高溫(wen)(wen)(wen)(wen)持久(jiu)和蠕變(bian)(bian)(bian)性(xing)(xing)能較好(hao)(hao)。如(ru)果加(jia)熱(re)(re)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du)低(di)于β轉(zhuan)變(bian)(bian)(bian)溫(wen)(wen)(wen)(wen)度(du)(du),且變(bian)(bian)(bian)形(xing)程度(du)(du)足夠,即得(de)(de)到等軸組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi)。其(qi)(qi)特(te)點是(shi)綜合性(xing)(xing)能較好(hao)(hao),特(te)別是(shi)塑(su)性(xing)(xing)和沖(chong)擊(ji)韌(ren)性(xing)(xing)較高。如(ru)果在(zai)α+β相(xiang)區(qu)高溫(wen)(wen)(wen)(wen)部分(fen)變(bian)(bian)(bian)形(xing)后(hou)又經高溫(wen)(wen)(wen)(wen)退火就混合型(xing)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)(zhi)(zhi)(zhi),其(qi)(qi)綜合性(xing)(xing)能好(hao)(hao)。

從以上對金相組(zu)織的分(fen)析可判(pan)斷(duan)若TC4性能下降,可能由(you)鍛造過(guo)程(cheng)中兩(liang)個環(huan)節引起:

①加熱(re)溫(wen)(wen)度過高,達到或超過β轉(zhuan)變(bian)溫(wen)(wen)度;

②鍛件變形程(cheng)度(du)不夠大。

3.1.2 TC4鍛造工藝分(fen)析(xi)

鍛(duan)造(zao)(zao)溫(wen)(wen)度(du)(du)對(dui)α+β鈦(tai)合(he)(he)金(jin)的β晶粒尺(chi)寸(cun)與室溫(wen)(wen)性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)的影響是隨(sui)著(zhu)溫(wen)(wen)度(du)(du)的提高(β相轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)以上)β晶粒變(bian)(bian)大(da)(da),而(er)延伸(shen)率和(he)斷面收(shou)縮(suo)率變(bian)(bian)小(xiao)(xiao),塑性(xing)(xing)(xing)(xing)下(xia)(xia)降(jiang);為了保(bao)證TC4鍛(duan)件具有良好的綜合(he)(he)性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng),應(ying)在(zai)β轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)溫(wen)(wen)度(du)(du)以下(xia)(xia)鍛(duan)造(zao)(zao)。鈦(tai)合(he)(he)金(jin)變(bian)(bian)形(xing)抗(kang)力較高,但導熱性(xing)(xing)(xing)(xing)較差;鍛(duan)造(zao)(zao)時(shi)在(zai)合(he)(he)金(jin)劇烈流動和(he)過(guo)(guo)重錘擊下(xia)(xia),產生(sheng)的變(bian)(bian)形(xing)可能(neng)(neng)使鍛(duan)件個別部(bu)位溫(wen)(wen)度(du)(du)超過(guo)(guo)β轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)溫(wen)(wen)度(du)(du),還有變(bian)(bian)形(xing)程度(du)(du)過(guo)(guo)大(da)(da)、過(guo)(guo)小(xiao)(xiao)等因素都會引起(qi)(qi)晶粒粗大(da)(da),使性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)下(xia)(xia)降(jiang)。綜合(he)(he)上述可初步(bu)確定可能(neng)(neng)引起(qi)(qi)TC4鍛(duan)件性(xing)(xing)(xing)(xing)能(neng)(neng)不合(he)(he)格的原因:

①該批鍛(duan)坯加熱時溫度(du)過(guo)(guo)高、超(chao)過(guo)(guo)β轉變點(dian);

②鍛造(zao)時單(dan)次(ci)(ci)錘擊過(guo)重,使單(dan)次(ci)(ci)變(bian)形程度過(guo)大,引起局部過(guo)熱(re)和(he)聚(ju)集(ji)再結晶,使性能下降。③鍛后熱(re)處理溫度過(guo)高,使TC4鍛件溫度超過(guo)了β轉變(bian)點,形成魏氏組織,降低鍛件性能。3.2 TC4鍛造(zao)工藝參數改變(bian)及試(shi)驗結果

3.2.1 試驗參數的選取(qu)和結果

針對以上分析,改變TC4鍛(duan)造工(gong)藝參(can)數同(tong)時鍛(duan)造時注(zhu)意輕(qing)打快(kuai)打。(注(zhu):下料尺(chi)寸￠50×113,鍛(duan)件尺(chi)寸50×65×65)

試驗(yan)結(jie)果:所有性能(neng)指(zhi)標均(jun)合格,其中“缺口應力斷裂”指(zhi)標均(jun)大(da)于5小(xiao)時。

3.2.2 試驗結(jie)果分(fen)析

(1)從爐溫(wen)及(ji)始鍛溫(wen)度看,加熱溫(wen)度并沒(mei)有過(guo)高,即使再(zai)超(chao)過(guo)20℃仍可鍛出合(he)格(ge)件。

(2)試驗(yan)中采用單次錘擊輕打快打,試驗(yan)鍛件性(xing)能達標,證明輕打快打是改善(shan)鍛件性(xing)能的(de)一個重(zhong)要因(yin)素(su)。

(3)鍛(duan)后(hou)熱(re)處理(li)溫(wen)度比原參數降低20℃,也可能是改(gai)善(shan)性能的一(yi)個因素,因為從溫(wen)度上(shang)看,若爐(lu)溫(wen)由于控溫(wen)偏差達到795℃,這就超過了生產(chan)說明書規定的780℃,就會導致鍛(duan)件(jian)性能下降。

3.2.3 試驗結果驗證及結論

為了進(jin)一步驗(yan)證試驗(yan)結(jie)果,又結(jie)合生產作了一個試驗(yan),在錘擊時(shi)仍保持輕打(da)(da)快打(da)(da)的方(fang)法;結(jie)果鍛件檢測全部合格,“缺口應(ying)力斷裂(lie)”指(zhi)標均大(da)于(yu)5小時(shi)。

試驗前后(hou)TC4鈦(tai)(tai)合金鍛(duan)(duan)件(jian)力學性能見上。通過試驗得出結論:在(zai)進行TC4鈦(tai)(tai)合金鍛(duan)(duan)件(jian)生產時,應嚴格控(kong)制鍛(duan)(duan)造(zao)的(de)工(gong)藝(yi)參數;首先注意(yi)鍛(duan)(duan)造(zao)中輕打(da)快打(da),降低單次(ci)錘擊變形量,其次(ci)鍛(duan)(duan)后(hou)熱處理(li)溫(wen)度理(li)論值(zhi)應定在(zai)760～770℃范圍(wei)內,這樣才能保證TC4鍛(duan)(duan)件(jian)的(de)鍛(duan)(duan)造(zao)質量。

4、鈦合金鍛造工藝的發展前景

鈦合(he)金的(de)(de)(de)(de)(de)鍛(duan)造(zao)工藝(yi)廣(guang)泛(fan)應用于(yu)航空、航天制造(zao)業,等溫(wen)鍛(duan)造(zao)工藝(yi)已用于(yu)生(sheng)產(chan)發(fa)動機的(de)(de)(de)(de)(de)零件和飛機結構件上;也(ye)越(yue)來越(yue)受到汽車、電力(li)和艦(jian)船等工業部門的(de)(de)(de)(de)(de)歡(huan)迎。在(zai)國外(wai),鈦合(he)金的(de)(de)(de)(de)(de)應用已發(fa)展到很(hen)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)水平,應用于(yu)更(geng)高(gao)(gao)溫(wen)度的(de)(de)(de)(de)(de)TiAL合(he)金及(ji)金屬間(jian)化合(he)物已被人們所(suo)重(zhong)視(shi),并(bing)進行了(le)大量的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu);為(wei)了(le)更(geng)好地(di)應用這些(xie)材料,同(tong)時對其變形工藝(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)也(ye)做(zuo)了(le)許多研(yan)(yan)究(jiu)。人們還(huan)越(yue)來越(yue)重(zhong)視(shi)對更(geng)高(gao)(gao)強度的(de)(de)(de)(de)(de)亞β型(xing)鈦合(he)金的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)。鈦合(he)金的(de)(de)(de)(de)(de)應用及(ji)鍛(duan)造(zao)工藝(yi)的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)仍(reng)將是一項(xiang)熱門的(de)(de)(de)(de)(de)課題。