1、 前言

TC17 鈦 合 金(jin)（ 即 Ti-17）名 義 成(cheng) 分 為 Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr[1]，是一種(zhong)高強、高韌性(xing)和(he)高淬透(tou)性(xing)的近 β型兩相鈦合金(jin)。TC17 合金(jin)是由美國在(zai) 20 世紀(ji) 70 年代開發研制，廣泛的應(ying)用于眾多先進(jin)航空發動機(ji)風(feng)扇和(he)壓氣機(ji)整體葉(xie)盤鍛件(jian)[2]。

TC17 鈦合金(jin)餅材(cai)通(tong)常采(cai)用傳統模鍛(duan)(duan)(duan)（即模內成型(xing)），而通(tong)過自(zi)(zi)由(you)鍛(duan)(duan)(duan)壓方(fang)式的(de)(de)(de)則相對(dui)較少。這是因為(wei)相比于傳統模鍛(duan)(duan)(duan)工(gong)藝(yi)，自(zi)(zi)由(you)鍛(duan)(duan)(duan)造(zao)工(gong)藝(yi)對(dui)現(xian)場(chang)操(cao)作要求更高(gao)，操(cao)作難度大(da)，但 自(zi)(zi)由(you)鍛(duan)(duan)(duan)生(sheng)產成本較低，可操(cao)作性(xing)較大(da)，可以通(tong)過鍛(duan)(duan)(duan)造(zao)工(gong)藝(yi)的(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)得(de)到(dao)不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)組織結構。本文研(yan)究(jiu)了在不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)自(zi)(zi)由(you)鍛(duan)(duan)(duan)造(zao)工(gong)藝(yi)下，設計制(zhi)備 TC17 鈦合金(jin)餅材(cai)，并通(tong)過分析其(qi)高(gao)倍顯微 組織與室溫力(li)學性(xing)能(neng)，對(dui)比不(bu)同(tong)鍛(duan)(duan)(duan)造(zao)工(gong)藝(yi)下自(zi)(zi)由(you)鍛(duan)(duan)(duan)得(de)到(dao)的(de)(de)(de)餅材(cai)的(de)(de)(de)顯微組織與力(li)學性(xing)能(neng)。

2、 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

試(shi)驗材(cai)料采用(yong)寶鈦集團通過三次真空熔煉生產的 TC17鈦合金(jin)鑄錠(ding)（鑄錠(ding)名義(yi)尺寸 Φ720），主(zhu)要化學(xue)成分(fen)如表 1 所示(shi)。測得其(qi)相(xiang)(xiang)變點溫度為 902℃ ~905℃。鑄錠(ding)通過開坯(pi)鍛(duan) 造、中間鍛(duan)造多火次鐓粗、拔長，自(zi)由鍛(duan)壓(ya)至 Φ250mm 棒材(cai)。在(zai)相(xiang)(xiang)當(dang)于鑄錠(ding)頭部位置切取 20mm 樣(yang)片，經切割(ge)設備制備出高(gao)倍試(shi)樣(yang)，在(zai)金(jin)相(xiang)(xiang)顯微(wei)鏡(jing)下觀察其(qi)高(gao)倍顯微(wei)組(zu)織(zhi)如圖 1所示(shi)，制坯(pi)棒材(cai)高(gao)倍顯微(wei)組(zu)織(zhi)為 α+β 兩相(xiang)(xiang)區組(zu)織(zhi)，初生 α相(xiang)(xiang)平均尺寸為 8μm 左右，初生 α 相(xiang)(xiang)體積分(fen)數在(zai) 60% 以上，無原始 β 晶(jing)界，無粗大(da)、連(lian)續(xu)、網狀晶(jing)界 α。

2.2 試驗方法

將制備好的(de)(de) 250mm 坯料鋸切下料，在 31.5MN 鍛造(zao)(zao)機上通(tong)過(guo)自由鍛壓的(de)(de)方式，將鋸切坯料通(tong)過(guo)路線 1 與路線 2 兩種(zhong)鍛造(zao)(zao)工(gong)藝方案(an)進行成品鍛造(zao)(zao)。

路線 1 ：將鋸切(qie)坯料加熱到(dao)相變點以下 30℃ ~60℃（Tβ-30~60℃）進行(xing)鐓拔、滾圓、整形(xing)（變形(xing)量約 50%），最終通過機械加工得到(dao)成品餅(bing)材。

路線 2 ：①將鋸切坯(pi)料加熱(re)到(dao)(dao)相變(bian)(bian)點(dian)(dian)以下 20℃（Tβ-20℃）保(bao)溫一定時間后升溫至相變(bian)(bian)點(dian)(dian)以上 30℃（Tβ+30℃）進(jin)行(xing)(xing)鐓(dui)拔、滾圓（變(bian)(bian)形(xing)量(liang)(liang)約(yue)(yue) 30%）。②加熱(re)到(dao)(dao)相變(bian)(bian)點(dian)(dian)以下30℃ ~60℃（Tβ-30℃ ~60℃）進(jin)行(xing)(xing)鐓(dui)滾、整形(xing)（變(bian)(bian)形(xing)量(liang)(liang)約(yue)(yue)20%），最(zui)終(zhong)最(zui)終(zhong)通過機械加工得(de)到(dao)(dao)成品餅材(cai)。

對(dui)兩種不(bu)同(tong)鍛(duan)造工(gong)藝(yi)路線(xian)制備的餅材，鍛(duan)后(hou)進行(xing)(xing)固(gu)溶(rong)時效熱(re)(re)處(chu)理(li)，熱(re)(re)處(chu)理(li)制度為 840℃ /2h.AC+800℃ /4h.WC+630℃ /8h.AC。對(dui)餅材分(fen)(fen)別線(xian)切割破(po)開(kai)取縱(zong)向試(shi)樣(yang)，機械加工(gong)制取高(gao)(gao)倍及力學性能試(shi)樣(yang)，進行(xing)(xing)顯(xian)微組織分(fen)(fen)析(xi)和力學性能分(fen)(fen)析(xi)。在(zai) INSTRON5581 型電(dian)子萬能材料試(shi)驗(yan)機上(shang)進行(xing)(xing)拉伸(shen)實驗(yan)獲(huo)得(de)不(bu)同(tong)鍛(duan)造工(gong)藝(yi)下室(shi)溫力學性能數據(ju)。實驗(yan)采(cai)用氫(qing)氟酸、硝酸、水按 1:3:10 比例的酸液腐蝕試(shi)樣(yang)后(hou)，在(zai) OLYMPUS GX71 型金相顯(xian)微鏡上(shang)觀察(cha)其高(gao)(gao)倍顯(xian)微組織，獲(huo)得(de)不(bu)同(tong)鍛(duan)造工(gong)藝(yi)下的高(gao)(gao)倍顯(xian)微組織。

3、 實驗結果與討論

3.1 顯微組織

對兩種(zhong)不同工藝方案(an)鍛(duan)造(zao)制備(bei)的(de) TC17 餅(bing)材，對高(gao)倍(bei)試樣進行磨(mo)光、腐(fu)蝕，其高(gao)倍(bei)顯微(wei)(wei)(wei)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)如圖 2 所示 ：（①）與(yu)（②）為(wei)路線(xian) 1 餅(bing)材的(de)高(gao)倍(bei)顯微(wei)(wei)(wei)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)，可(ke)(ke)見(jian)其顯微(wei)(wei)(wei)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)是典(dian)型 的(de) α+β 兩相(xiang)(xiang)區組(zu)(zu)(zu)織(zhi)，主要(yao)由等軸(zhou) α 相(xiang)(xiang)與(yu) β 轉變組(zu)(zu)(zu)織(zhi)構成，初(chu)生(sheng) α 相(xiang)(xiang)平(ping)均(jun)尺寸(cun)為(wei) 10μm 左(zuo)右，初(chu)生(sheng) α 相(xiang)(xiang)體積(ji)分(fen)數(shu)在50% 左(zuo)右，并(bing)且(qie)(qie)伴有少量(liang)的(de)次生(sheng) α 相(xiang)(xiang)。 （③）與(yu) ( ④ ) 為(wei)路線(xian) 2 餅(bing)材的(de)高(gao)倍(bei)顯微(wei)(wei)(wei)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)，可(ke)(ke)見(jian)其顯微(wei)(wei)(wei)組(zu)(zu)(zu)織(zhi)為(wei)均(jun)勻(yun)的(de)網(wang)籃組(zu)(zu)(zu)織(zhi)，初(chu)生(sheng) α 相(xiang)(xiang)平(ping)均(jun)尺寸(cun)為(wei) 4μm 左(zuo)右，初(chu)生(sheng) α 相(xiang)(xiang)體積(ji)分(fen)數(shu)在 30% 左(zuo)右，片狀 α 相(xiang)(xiang)細小且(qie)(qie)均(jun)勻(yun)， 并(bing)且(qie)(qie)不存(cun)在完整的(de)原始 β 晶界(jie)或粗(cu)大(da)、連續、網(wang)狀晶界(jie) α。

由此(ci)可(ke)見將(jiang)加(jia)熱(re)溫(wen)度(du)提(ti)升(sheng)到(dao) β 相(xiang)(xiang)區，采用恰當的(de)鍛造工藝，控制 β 相(xiang)(xiang)區的(de)變形量，可(ke)以(yi)將(jiang)原始 β 晶界充分破碎，得到(dao)均(jun)勻(yun)、細小的(de)網籃組織[3]。

3.2 力學性能

兩種(zhong)(zhong)鍛(duan)造工(gong)(gong)藝路(lu)(lu)線生(sheng)(sheng)產的(de) TC17 鈦(tai)合(he)金餅(bing)材(cai)(cai)力學性(xing)(xing)能(neng)如(ru)表(biao) 2 所示(shi)。由兩種(zhong)(zhong)工(gong)(gong)藝路(lu)(lu)線方(fang)案中的(de)數據統計(ji)分析結果可知 ：等軸組織餅(bing)材(cai)(cai)的(de)斷后伸(shen)(shen)長(chang)率(lv)（δ/%）與(yu)斷面(mian)收縮率(lv)（Ψ/%）均(jun)優于(yu)網籃(lan)組織餅(bing)材(cai)(cai)，可以看出(chu)等軸組織的(de)塑(su)性(xing)(xing)性(xing)(xing)能(neng)明顯(xian)比網籃(lan)組織要好。這(zhe)是由于(yu)在(zai)等軸組織中初(chu)(chu)生(sheng)(sheng) α 相含(han)量（50% 左(zuo)右(you)）明顯(xian)大于(yu)網籃(lan)組織中初(chu)(chu)生(sheng)(sheng) α 相含(han)量（30%左(zuo)右(you)）。在(zai)拉(la)伸(shen)(shen)變形過(guo)程的(de)初(chu)(chu)始階(jie)段，等軸 α 相與(yu) β 轉變組織上(shang)會形成(cheng)空洞(dong)，隨(sui)著拉(la)伸(shen)(shen)過(guo)程的(de)進行，這(zhe)些空洞(dong)會隨(sui)之擴展長(chang)大，而(er) α 相對空洞(dong)成(cheng)長(chang)起著阻礙作用[4]。由此可得(de)，初(chu)(chu)生(sheng)(sheng) α 相含(han)量越(yue)多(duo)，則空洞(dong)擴展長(chang)大所遇到的(de)阻礙就(jiu)越(yue)多(duo)，斷后伸(shen)(shen)長(chang)率(lv)與(yu)斷面(mian)收縮率(lv)就(jiu)越(yue)高(gao)，合(he)金材(cai)(cai)料(liao)塑(su)性(xing)(xing)性(xing)(xing)能(neng)越(yue)好[5]。

路線(xian)(xian) 2 制(zhi)備的餅(bing)材(cai)的室(shi)溫(wen)抗拉強度（σb）、屈(qu)服(fu)強度（σ0.2）以及沖擊性(xing)能(neng)（αkU）均(jun)優(you)于路線(xian)(xian) 1 餅(bing)材(cai)。這就證明了網(wang)籃(lan)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)相(xiang)對(dui)于等(deng)軸組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)具有更(geng)高(gao)的室(shi)溫(wen)強度及沖擊性(xing)能(neng)。在網(wang)籃(lan)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)高(gao)倍顯微組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)中可以看出，網(wang)籃(lan)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)中擁(yong)有細(xi)小、均(jun)勻的片狀(zhuang) α 相(xiang)，片狀(zhuang) α 相(xiang)對(dui)裂(lie)(lie)紋(wen)的連續擴展(zhan)(zhan)(zhan)起到了阻礙作用，當片狀(zhuang) α 層的厚度大(da)于一(yi)定數值后，裂(lie)(lie)紋(wen)擴展(zhan)(zhan)(zhan) 則(ze)會無法(fa)直接穿透片狀(zhuang) α 層區，從(cong)而改(gai)變(bian)原有裂(lie)(lie)紋(wen)擴展(zhan)(zhan)(zhan)的方向與路線(xian)(xian)。因此網(wang)籃(lan)組(zu)(zu)織(zhi)(zhi)中的片狀(zhuang) α 相(xiang)在增(zeng)強合金材(cai)料強度與改(gai)變(bian)裂(lie)(lie)紋(wen)擴展(zhan)(zhan)(zhan)方向的同時，為合金材(cai)料斷裂(lie)(lie)過程提(ti)供 了更(geng)高(gao)的能(neng)量，從(cong)而增(zeng)強了材(cai)料的沖擊性(xing)能(neng)[3,6]。

4、 結論

（1）通(tong)過自由鍛(duan)造的方式，采用在相變(bian)點以下 20℃保溫(wen)(wen)一段時(shi)間后升(sheng)溫(wen)(wen)到(dao)相變(bian)點以上 30℃，在此溫(wen)(wen)度(du)下變(bian)形量(liang)(liang)為30%，在相變(bian)點以下 30℃ ~60℃溫(wen)(wen)度(du)下變(bian)形量(liang)(liang)為 20% 鍛(duan)壓 工藝，可以得到(dao)組織均勻(yun)、細小的網籃組織 TC17 鈦(tai)合(he)金鍛(duan)件。

（2）對于(yu)采用不(bu)同自由鍛壓工藝(yi)路線生產的(de)(de)餅(bing)材，網籃組(zu)織餅(bing)材的(de)(de)抗拉強度(du)、屈服強度(du)及沖擊性能均高于(yu)等軸組(zu)織餅(bing)材，而等軸組(zu)織具有相對于(yu)網籃組(zu)織更好的(de)(de)塑(su)性性能。

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