周曉虎  劉 衛(wèi)  郝 芳  毛友川  賴運(yùn)金  趙張龍   西安三角防務(wù)股份有限公司    西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司 特種鈦合金材料制備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室   西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院    西安歐中材料科技有限公司

　　導(dǎo)讀

　　以 TC21 鈦合金特大規(guī)格棒材及其制備的大型鍛件為研究對(duì)象，采用準(zhǔn) β 鍛造工藝鍛造 TC21 鈦合金，分析了 3 種不同鍛造方案對(duì)鍛件微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明: TC21 鈦合金可在相變點(diǎn)以上一定溫度采用準(zhǔn) β 鍛造工藝加工，在不同的加熱工藝參數(shù)下，通過雙重退火進(jìn)行熱處理，均可獲得較好的冶金組織和力學(xué)性能。TC21 鈦合金在準(zhǔn) β 鍛造過程中，不同的鍛造溫度和鍛造火次均能獲得較好的拉伸性能 ( 1100 MPa 左右) 和斷裂韌性 ( 大于 90 MPa·m1 /2 ) 。在準(zhǔn) β 鍛造過程中，較高的鍛造溫度有利于獲得網(wǎng)籃組織，合金的斷裂韌性較高，組織內(nèi)片層 α 相存在粗化趨勢; 較低的準(zhǔn) β 鍛造溫度有利于細(xì)化微觀組織，但鍛造后組織中會(huì)有少量殘余等軸 α 相存在。在鍛造變形量相同的情況下，較少鍛造火次可以獲得更加細(xì)小的微觀組織，但鍛件不同部位的微觀組織形態(tài)存在差異。

　　關(guān)鍵詞: TC21 鈦合金; 準(zhǔn) β 鍛造; 大型鍛件; 力學(xué)性能; 微觀組織

　　TC21 鈦合金 ( 名義成分為 Ti-6Al-2Zr-2Sn-3Mo- 1Cr-2Nb) 是我國自行研制的一種高損傷容限 α + β 型鈦合金，具有高強(qiáng)、高韌和低的裂紋擴(kuò)展速率等特點(diǎn)，綜合性能匹配較好，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如飛機(jī)機(jī)身隔框、承重梁、發(fā)動(dòng)機(jī)框架等強(qiáng)度要求較高的承力構(gòu)件。熱鍛成形是 TC21 鈦合金承力零件的主要成形方式，基于 TC21 鈦合金的高損傷容限特點(diǎn)，要求鍛件組織為網(wǎng)籃狀的片層組織，以獲得高的斷裂韌性 ( KIC ) 和低的裂紋擴(kuò)展速率，來滿足飛機(jī)設(shè)計(jì)的低損傷容限、高可靠性要求。因此，微觀組織控制對(duì)力學(xué)性能的匹配關(guān)系十分關(guān)鍵，而鈦合金鍛件要獲得網(wǎng)籃狀片層組織，需要在 α + β 相變點(diǎn)以上的 β 區(qū)域進(jìn)行鍛造。β 鍛造處理工藝是指在鈦合金 β 相變點(diǎn)以上進(jìn)行鍛造或者熱處理，目的是為了獲得較高的斷裂韌性。采用 β 鍛造工藝可以大幅度降低鈦合金的變形抗力，同時(shí)還可以提高鍛件的綜合性能，但是在變形過程中，由于溫度過高，顯微組織易出現(xiàn)粗大晶粒，會(huì)降低合金塑性和強(qiáng)度。而準(zhǔn) β 鍛造工藝卻可以彌補(bǔ) β 鍛造工藝的不足， 即將鈦合金加熱到相變點(diǎn)附近的一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行鍛造變形，可以獲得較好的綜合性能，還能避免晶粒長大。畢彥等分別在相變溫度下 30 ℃ 和相變溫度上 20 ℃ 對(duì) TC18 鈦合金采用準(zhǔn) β 工藝進(jìn)行了鍛造，探究了工藝參數(shù)對(duì)合金組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)在準(zhǔn) β 溫度范圍內(nèi) 30% 的變形量能夠獲得較為均勻的組織和優(yōu)良的強(qiáng)韌性匹配。石志峰和賴運(yùn)金分別以 TC21 和 Ti-17 兩相鈦合金為研究對(duì)象，討論了鈦合金的片層組織演化過程及其對(duì)合金強(qiáng)度、塑性以及斷裂韌性等力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)等軸 α 相含量的提高能夠增加合金的塑性，α 片層的交叉分布和厚度的增加有利于提高合金的斷裂韌性。程新江等在準(zhǔn) β 溫度下對(duì) TC21 鈦合金小試樣進(jìn)行了熱壓縮實(shí)驗(yàn)，并基于位錯(cuò)密度和唯象理論建立了兩種本構(gòu)模型，發(fā)現(xiàn) TC21 鈦合金內(nèi)部平均晶粒尺寸隨應(yīng)變速率的增加而減小。以往有關(guān) TC21 鈦合金 β /準(zhǔn) β 鍛造工藝的研究主要集中在小試樣熱模擬或者小規(guī)格鍛件兩相區(qū)鍛造的理論基礎(chǔ)上，而對(duì)于工程化大規(guī)格棒材以及大型鍛件準(zhǔn) β 鍛造工藝的應(yīng)用報(bào)道較少，尤其是大型框類模鍛件未見文獻(xiàn)報(bào)道。研究掌握不同鍛造工藝對(duì)大尺寸坯料顯微組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律是進(jìn)行 TC21 鈦合金大型鍛件研制及推廣應(yīng)用的前提條件。

　　本文采用準(zhǔn) β 鍛造工藝，以 TC21 鈦合金特大規(guī)格棒材及其制備的大型鍛件為研究對(duì)象，研究了 3 種不同鍛造工藝對(duì) TC21 鈦合金大型鍛件顯微組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，并獲得了顯微組織與綜合性能的匹配規(guī)律，為 TC21 鈦合金大型鍛件的準(zhǔn) β 鍛造工藝的推廣奠定基礎(chǔ)。

　　01、原材料與工藝方法

　　實(shí)驗(yàn)原材料為直徑 Φ400 mm 的 TC21 鈦合金特大規(guī)格棒材，其化學(xué)成分和高、低倍組織分別如表 1 和圖 1 所示。從圖 1 可以看出，TC21 鈦合金原材料棒材的低倍組織均勻，未見分層、裂紋、氣孔、偏 析、金屬或者非金屬夾雜及其他肉眼可見的冶金缺陷，無清晰晶粒。TC21 鈦合金原材料棒材的高倍顯微組織為典型的兩相區(qū)變形態(tài)顯微組織，α 相等軸 化充分、均勻，不存在原始粗大晶粒和連續(xù)平直 α 片層。

表 1 TC21 鈦合金原材料的化學(xué)成分 ( %，質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖 1 TC21 鈦合金原材料顯微組織 ( a) 低倍組織 ( b) 高倍組織

　　TC21 鈦合金鍛件的基本生產(chǎn)工序?yàn)? 原材料下料、自由鍛制坯、模鍛成形、熱處理、理化檢測、最終檢驗(yàn)和產(chǎn)品入庫交付。自由鍛制坯和模鍛工序分別在 31. 5 MN 快鍛機(jī)和 400 MN 大型模鍛液壓機(jī)上進(jìn)行，鍛造加熱爐的爐溫均勻性為 ± 5 ℃，加熱時(shí)鍛件均放置于加熱爐有效區(qū)中心處，試料處放置測溫?zé)犭娕家员O(jiān)測實(shí)際溫度。熱處理工序在爐溫均勻性為 ± 5 ℃ 的熱處理爐內(nèi)進(jìn)行。為了掌握準(zhǔn) β 鍛造工藝對(duì) TC21 鈦合金鍛造成形的影響，制定了 3 種工藝方案進(jìn)行某框類模鍛件的準(zhǔn) β 鍛造工藝試制與生產(chǎn)研究，具體方案如下。

　　圖 2 為 TC21 鈦合金鍛件取樣圖，本文中高倍組織試樣、低倍組織試樣及力學(xué)性能試樣均取自于鍛件試料區(qū)相同位置。

圖 2 TC21 鈦合金鍛件取樣示意圖 ( a) 低倍組織及理化試樣取樣示意圖 ( b) 高倍組織試樣取樣示意圖

　　02、TC21 鈦合金鍛件組織和力學(xué)性能分析

　　2. 1 TC21 鈦合金鍛件的宏觀 ( 低倍) 組織分析

　　鍛件試料尺寸 為 180 mm × 180 mm × 200 mm ( 圖 2) ，截面厚度較大。圖 3 為經(jīng) 3 種準(zhǔn) β 鍛造試制生產(chǎn)方案得到的 TC21 鈦合金鍛件低倍組織照片， 從圖 3 中可以看出，鍛件試料的心部晶粒均比較細(xì)小，這主要是由于原材料規(guī)格大，采用了大厚度的預(yù)制坯，鍛件心部鍛造時(shí)產(chǎn)生了大的變形量，致使變形過程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而使得組織細(xì)化。對(duì)比 3 種方案鍛造后的鍛件低倍組織可以看出，方案 1 和方案 2 鍛件的低倍晶粒大小基本一致， 方案 3 鍛件的低倍晶粒明顯小于前兩種方案的鍛后晶粒，這是由于方案 3 的自由鍛和模鍛過程中鍛造火次較少，雖然總變形量一致，但單火次變形量遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)方案，合金組織得到了更好的細(xì)化。

圖 3 TC21 鈦合金鍛件經(jīng)準(zhǔn) β 鍛造后的低倍組織 ( a) 方案 1 ( b) 方案 2 ( c) 方案 3

　　2. 2 TC21 鈦合金鍛件的微觀 ( 高倍) 組織分析

　　圖 4 為方案 1 準(zhǔn) β 鍛造后 TC21 鈦合金鍛件不同位置的微觀組織，圖 4 的微觀組織對(duì)應(yīng)了圖 2 中 高倍試樣不同取樣位置的顯微組織。從圖 4 可以看出，方案 1 中 TC21 鈦合金鍛件的微觀組織為網(wǎng)籃組織，原始等軸 α 相已經(jīng)完全消失，次生片層 α 相長大呈束狀分布。在不同取向上的片層 α 相相互交織， 可以有效增大相界面，這種組織的強(qiáng)度和抗蠕變能力一般較好，抗裂紋擴(kuò)展能力較強(qiáng)，從而阻止或減弱裂紋的快速擴(kuò)展，提高鍛件的斷裂韌性。

圖 4 方案 1 準(zhǔn) β 鍛造后 TC21 鈦合金鍛件不同部位的微觀組織 ( a) 上部 ( b) 中部 ( c) 下部

　　圖 5 為方案 2 準(zhǔn) β 鍛造后 TC21 鈦合金鍛件不同部位的微觀組織，其取樣位置與方案 1 的取樣位置相同。通過與圖 4 的微觀組織對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，方案 1 和方案 2 準(zhǔn) β 鍛造后鍛件的微觀組織均為網(wǎng)籃組織，但也可以看出，兩種方案準(zhǔn) β 鍛造后微觀組織中次生片層 α 相形態(tài)存在差異。經(jīng)金相軟件計(jì)算，圖 4 中 TC21 鈦合金鍛件次生片層 α 相的長度和寬度平均值分別為 114 和 13 μm; 圖 5 中 TC21 鈦合金鍛件次生片層 α 相的長度和寬度的平均值分別為 224 和 19 μm，圖 5 中 TC21 鈦合金鍛件次生片層 α 相的長度和寬度明顯大于圖 4，這主要是因?yàn)? 圖 5 ( 方案 2) 對(duì)應(yīng)的準(zhǔn) β 鍛造溫度高于圖 4 ( 方案 1) ，溫度越高，溶質(zhì)原子的擴(kuò)散速率越大，合金元素在更高溫度下的快速擴(kuò)散有利于次生片層 α 相的析出和長大。

圖 5 方案 2 準(zhǔn) β 鍛造后 TC21 鈦合金鍛件不同部位的微觀組織 ( a) 上部 ( b) 中部 ( c) 下部

　　方案 3 準(zhǔn) β 鍛造后 TC21 鈦合金鍛件微觀組織與另外兩種工藝方案有所不同，如圖 6 所示。方案 3 中 TC21 鈦合金高倍次生片層 α 相的長度和寬 度的平均值分別為 88 和 9 μm。從組織圖中可以看 出，方案 3 準(zhǔn) β 鍛造組織內(nèi)包含次生片層 α 相和 少量等軸初生 α 相，這主要是由于方案 3 的鍛造火次比較少、鍛造溫度較低，加熱過程中初生 α 相轉(zhuǎn) 變?yōu)?β 相不完全，有少量初生 α 相殘余，同樣由于鍛造溫度較低，已經(jīng)轉(zhuǎn)變的片層狀 β 相未能長大， 而形成了較細(xì)小的 β 相網(wǎng)籃組織，但由于模鍛準(zhǔn) β 鍛造是 1 個(gè)火次成形，材料變形量大，以及殘余 α 相 的影響，導(dǎo)致不同位置的微觀組織出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。

圖 6 方案 3 準(zhǔn) β 鍛造后 TC21 鈦合金鍛件不同部位的微觀組織 ( a) 上部 ( b) 中部 ( c) 下部

　　2. 3 TC21 鈦合金鍛件的力學(xué)性能分析

　　3 種方案準(zhǔn) β 鍛造后 TC21 鈦合金鍛件的力學(xué)性能如圖 7 所示，圖 7a ～ 圖 7c 分別為方案 1、方案 2 和方案 3 的準(zhǔn) β 鍛造后的 5 組力學(xué)性能測試結(jié)果， 圖 7d 為 3 種方案準(zhǔn) β 鍛造后鍛件的力學(xué)性能測試平均值對(duì)比?？梢钥闯?，TC21 鈦合金鍛件的力學(xué)性能測試結(jié)果表現(xiàn)出高強(qiáng)、高韌的特征，3 種方案準(zhǔn) β 鍛造后 TC21 鈦合金鍛件的力學(xué)性能均較好，但不同方案的工藝參數(shù)性能仍存在一定差異。由圖 7 可以看出，3 種方案準(zhǔn) β 鍛造后得到的 TC21 鈦合金鍛件的抗拉強(qiáng)度均在 1100 MPa 左右，最大值與最小值相差 68 MPa，鍛件強(qiáng)度分布比較均勻，斷后伸長率相差不大，均穩(wěn)定達(dá)到 10% 以上。方案 2 準(zhǔn) β 鍛造 后鍛件的抗拉強(qiáng)度總體均高于另外兩種方案，這可能與方案 2 中鈦合金鍛件的鍛造溫度較高有關(guān)，較高的鍛造溫度造成次生片層 α 相的長度和寬度明顯大于其他兩種方案。較大的次生片層 α 相尺寸，可以使晶粒變形時(shí)滑移長度增加，在晶界和不同位錯(cuò)的交界處發(fā)生滑移堵塞，從而使抗拉強(qiáng)度提高。方案 3 準(zhǔn) β 鍛造后 TC21 鈦合金鍛件的屈服強(qiáng)度和塑性指標(biāo)優(yōu)于方案 1 和方案 2，這與方案 3 鍛后組織內(nèi)存在一定含量的等軸 α 相且片層組織較細(xì)有關(guān)。

　　由于鈦合金的力學(xué)性能受微觀組織形態(tài)的影響較大，微觀組織中相互交錯(cuò)編織的次生片層 α 相可以有效地阻止裂紋擴(kuò)展，提高合金的斷裂韌性，因此，網(wǎng)籃組織的斷裂韌性優(yōu)于其他類型組織。為了使 TC21 鈦合金獲得較高的斷裂韌性，同時(shí)保持其高強(qiáng)度，須控制微觀組織中次生片層 α 相的數(shù)量和形態(tài)。由圖7d 可以看出，3 種方案準(zhǔn) β 鍛造后 TC21 鈦合金鍛件的斷裂韌性 ( KIC ) 均大于 90 MPa·m1/2， 方案 2 準(zhǔn) β 鍛造后 TC21 鈦合金鍛件的斷裂韌性稍高于其他兩種方案，這主要與鍛件微觀組織中的次生片層 α 相的形態(tài)有關(guān)，組織內(nèi)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越細(xì)密、 網(wǎng)籃交織程度越好，裂紋擴(kuò)展路徑會(huì)越曲折，裂紋擴(kuò)展所需能量會(huì)越高，合金的斷裂韌性也越好。

　　對(duì) TC21 鈦合金采用 3 種方案進(jìn)行準(zhǔn) β 鍛造， 可以發(fā)現(xiàn)，不同鍛造溫度下的準(zhǔn) β 鍛造均具有良好的綜合性能，但不同的鍛造溫度和鍛造火次對(duì)合金微觀組織和力學(xué)性能還是存在一定的影響。較高的鍛造溫度有利于獲得 TC21 鈦合金較完整的網(wǎng)籃組織，組織中次生片層 α 相長度和寬度有所增大，但網(wǎng)籃交織程度較好、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)比較周密，合金的斷裂韌性較優(yōu)。較低的鍛造溫度有利于細(xì)化微觀組織，較少的鍛造火次雖然可以獲得更加細(xì)小的微觀組織，但大型鍛件不同部位的微觀組織形態(tài)存在不均勻的情況。

圖 7 TC21 鈦合金鍛件準(zhǔn) β 鍛造后的力學(xué)性能 ( a) 方案 1 ( b) 方案 2 ( c) 方案 3 ( d) 3 種方案對(duì)比

　　03、結(jié)論

　　1) 準(zhǔn) β 鍛造過程中，較高的鍛造溫度 ( Tβ + 15 ℃) 有利于 TC21 鈦合金獲得完整的交織狀網(wǎng)籃組織，組織中次生片層 α 相的長度和寬度較大，但網(wǎng)籃交織程度好、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)細(xì)密，合金的綜合性能 較好，斷裂韌性隨著準(zhǔn) β 鍛造溫度的升高而提高。

　　2) 準(zhǔn) β 鍛造過程中，隨著加熱溫度的升高，合金組織有粗化跡象，保持相變點(diǎn)以上較低溫度 ( Tβ + 5 ℃ ) 加熱鍛造，有利于細(xì)化 TC21 鈦合金的微觀組織，但鍛造后顯微組織中有少量的等軸 α 相殘余，且組織均勻性有所降低。

　　3) 準(zhǔn) β 鍛造過程中，在總變形量相同的情況 下，較少的鍛造火次即單火次有較大變形，有利于獲得更加細(xì)小的微觀組織，但大型鍛件不同部位的微觀組織形態(tài)差異化增大。