航天工业用TC4饼材的显微组织和性能研究

文／李进元，张智，高文超·西部钛业有限责任公司

航天工业用TC4饼材的显微组织和性能研究

文／李进元，张智，高文超·西部钛业有限责任公司

采用在2500t快锻机上制坯及1250t压力机上成形的自由锻工艺制取TC4钛合金饼材，分别测试了饼材不同部位的室温力学性能及超声波杂波水平。结果表明，该锻造工艺所制备的TC4钛合金饼材性能符合GJB 391-1987《航天工业用TC4钛合金锻制饼材》标准要求；饼材组织为等轴α组织，均匀性好；超声波杂波水平达到φ1.2mm(-9)～(-6) dB。

钛合金因具有密度小、耐高温、耐腐蚀、比强度高等突出优点，在航空航天领域中获得了广泛的应用。国产TC4属于(α+β）两相钛合金，兼有α和β钛合金的优点，具有较高的比强度、热强性和较好的综合力学性能，主要用于制作飞机的蒙皮、压气机盘和叶片、航天发动机用燃料储存罐等重要的受力复杂的零部件。这些零部件对成品件的要求特别严格，为了获得无缺陷或少缺陷的成品，这些产品从熔炼、开坯以及锻造制作的各个加工步骤都要严格控制。因为在熔炼和开坯时产生的缺陷不容易在后期加工去除，所以，在锻件坯料制作过程中就要控制原始坯料的显微组织和性能。为了获得批次性能稳定及内部组织均匀的最终饼材产品，本文研究了饼材不同部位力学性能及显微组织的变化，并讨论了锻造工艺对以上参数的影响。

表1 TC4合金的化学成分

试验

试验采用西部钛业有限责任公司自行生产的TC4钛合金铸锭，经真空自耗电弧炉三次熔炼，锭型为φ620mm，质量约3000kg，材料化学成分如表1所示。采用金相法测得试验用材料合金的相变点（α+β→β）为990～995℃。铸锭在2500t快锻机经β单相区开坯锻造，再经β单相区和α+β两相区锻造制得饼坯，并在1250t油压机经α+β两相区锻造制得饼材，锻后空冷。室温拉伸试验按照GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》标准在Instron 1185电子万能试验机上进行，金相分析在OLYMPUS PMG3光学显微镜上进行。

图1 TC4钛合金饼材φ200mm低倍组织照片

图2 高倍取样示意图

结果分析与讨论

TC4饼材不同部位低倍及显微组织分析

直径规格为φ200mm成品饼材端面低倍组织照片如图1所示，低倍为模糊晶，组织很均匀。饼材成形在α+β两相区内完成，终锻温度相对较低，初生α相含量较高。从饼材不同部位，即在饼材厚度（h）方向上（A）端面、3h/4、h/2、下（B）端面分别在r/2处、中心处、边缘处取15mm×15mm的高倍试样（图2），并进行金相评级，A、B端面在坯料厚度方向各机加8～10mm。

图3为饼材不同部位高倍组织（200×）照片。从图3中可以看出，同一饼材不同部位显微组织的差异不明显，从4个部位来看，同一端面不同部位的显微组织均匀性较好，饼材的初生α相形态均为等轴组织，其中h/2处等轴α相含量较高，达70%～75%。

图3 饼材不同部位高倍组织（200×）

锻造工艺对饼材不同部位力学性能的影响

⑴锻造温度对TC4饼材性能的影响。

钛合金锻造工艺参数中，加热温度对组织性能的影响最为显著。不同的锻造温度形成不同的组织，而不同的组织决定不同的性能。本工艺饼材成形工艺采用加热温度在低于β相转变温度50～65℃之间锻造时，其强度和塑性指标完全符合GJB 391-1987《航天工业用TC4钛合金锻制饼材》标准的要求，且较富裕。这是因为加热温度和转变温度温差大，锻造过程中变形引起的温度远低于相转变温度，变形完全在两相区进行，变形均匀一致，显微组织得到等轴细化。

⑵变形量对TC4饼材性能的影响。

成品锻造在1250t油压机上完成，镦粗时静压形成的鼓肚较大，滚圆时变形量增加15%～20%，满足使与断面平行和垂直方向的片状α相充分变形的条件，球化过程进行得较充分，组织均匀性好。

在饼材(规格为φ200mm×hmm）厚度方向上（A）端面、3h/4、h/2、下（B）端面的r/2处纵向切取试样。试样经800℃加热→保温60min→空冷的热处理工艺后，进行拉伸、冲击等性能测试。表2为饼材热处理后不同部位试样的室温力学性能。

表2 饼材热处理后不同部位试样的室温力学性能

由图4可分析，饼材不同部位性能均符合标准要求，差异性很小。从图4a曲线看，抗拉强度、屈服强度相差3～5MPa，3h/4、h/2处饼材的强度值偏小，与图3金相组织相匹配，符合理论及实际要求；从图4b曲线看，在饼材靠近端面处试样延伸率相对较好、而饼材内部试样面缩率相对较好；从图4c曲线可以看出饼材两端面比饼材内部硬度稍高，冲击性能较高。

超声波杂波分析

杂波是组织不均匀的反映。粗大不均匀的组织可引起超声波的杂乱反射。对该工艺锻制的TC4钛合金饼材按GJB 391-1987标准中的探伤要求进行探伤，采用USN60型探伤仪，5Pφ1.4mm的探头，接触法检验。饼材杂波水平为φ1.2mm(-9）～(-6）dB，饼材组织均匀性好，与图3的高倍组织相符合。

图4 饼材不同部位的性能变化曲线

结论

通过对同一饼材不同部位试样的显微组织及力学性能进行比较分析，可以得出以下结论：

⑴TC4钛合金饼材，组织均为等轴α组织，组织均匀性好。

⑵TC4钛合金饼材超声波杂波水平一致性好。

⑶饼材不同部位的性能稳定性好。