TA12A钛合金锻造裂纹分析与对策

文／李贵全，陈阳，郭晓明，孔庆伟·沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司精密锻造厂

TA12A钛合金锻造裂纹分析与对策

文／李贵全，陈阳，郭晓明，孔庆伟·沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司精密锻造厂

李贵全，毕业于西北工业大学锻压工程专业，长期从事航空发动机零件锻造技术及工艺研究工作。

通过对TA12A钛合金锻造裂纹产生原因的分析，找出主要影响因素，制定改进控制对策。经过生产试验验证，证明分析结果正确。解决对策采用的锻造工艺方法，完全可以消除锻造裂纹，从而获得合格的TA12A钛合金锻件。该分析与对策，可以为类似尺寸、形状和材料的锻件成形提供借鉴。

问题的提出

发动机轨道座零件设计用材料为TA12A钛合金，采用锻造成形工艺方法，锻件流线要求与棒材流线保持一致，力学性能符合规定的技术标准要求。锻件设计图样见图1。

图1 锻件简图

锻造毛坯规格为φ70mm×47mm，车床平断面、倒角R，表面粗糙度为Ra6.3μm（毛坯设计图样见图2）；加热设备采用箱式电阻炉，锻造设备选用400kg空气锤。本次试制数量分4个批次，共计40件。锻造过程中发现，当坯料镦粗变形达到一定变形量时，沿着两个端面的弧形周边产生轻微的裂纹（见图3），随着变形量的增加，微裂纹扩展，越来越严重，且裂纹数量增加。第一批加热的10件毛坯因为裂纹而报废。

裂纹产生的原因分析

通过对锻件端面裂纹的形貌观察可以看到，裂纹在端面边缘上产生，基本上都是沿着一定的倾斜方向，即同锤击方向形成一定的夹角，且裂纹数量不等。

图2 坯料加工简图

图3 锻造裂纹示意图

TA12A钛合金锻造工艺特性分析

TA12A钛合金是一种近α型钛合金，靠α稳定元素（Al）、中性元素（Sn、Zr）和少量的β稳定元素来强化合金。其合金的特点：⑴具有α型钛合金的组织结构特点，当金属发生塑性变形时，滑移首先是沿着晶体中原子排列密集的晶面和晶向优先产生；⑵加热温度越高，加热时间越长，钛合金表面的污染深度越大，导致材料表面变脆，变形时富氧层形成微裂纹，使材料的热稳定性下降；⑶钛合金的黏性大，摩擦系数大，锻造时金属流动剧烈，由于金属间的摩擦生热会引起温升，即热效应效果非常明显；⑷钛合金的锻造温度范围窄，变形抗力大，需要用较大的作用力才能完成规定的变形量。所以，其力学性能正常情况下是室温塑性、热稳定性能好，而高温性能、断裂韧性、抗裂纹扩展能力差，锻造时很容易产生裂纹。

毛坯规格特点分析

当前我国城市小区治理中的问题和矛盾层出不穷，小区内部业主维权运动此起彼伏，居委会与业委会、物业公司之间为争夺小区治理权而冲突不断，基层政府游离于小区的内部治理，小区治理的相关法律法规不健全等。迄今为止，全国大多数小区尚未建立业主组织或业委会，不少小区的治理要么属于居委会或物业公司的独占式管理，要么陷入混乱状态甚至无政府状态。显然，我国城市小区治理的现代化之路任重而道远。城市小区治理的困境反映了理论认识上的分歧和混乱。

从图2坯料加工简图可以看出，坯料的高度尺寸为43mm，小于坯料直径φ70mm。当变形方向为径向镦粗时，坯料的柱面发生鼓形变形，受到剪切应力的作用非常大；根据自由锻镦粗变形特点，坯料在锤击力作用下大变形时，端面中心将会产生凹陷，即中心的形变远远小于四周的形变；在坯料出炉转移过程中，端面尖边部位的温降远远大于其他部位的温降，当端面边缘温度下降到一定温度时，在剪切应力的作用下，出现微裂纹，随着变形量的加大，裂纹继续扩展。当一次锤击变形量过大时，表层的变形速度大于端面中心处的变形速度，表层的大变形量对端面中心处的小变形区形成一个正拉应力，当该拉应力超过临界应力时，端面也将产生裂纹，应力越大，裂纹越严重。其裂纹走向是由钛合金的晶体结构和变形区分布决定的。

锻造方式分析

锻造时为了满足设计要求的流线方向，锻造方式上采用径向镦粗直接成形的方式。锻造过程中发现，毛坯的端面边缘温度下降很快，而金属内部的温度随着锤击的次数和变形量的增加，在某些部位几乎没有变化。随着变形量加大，边缘部位开始出现微裂纹并随机扩展成裂纹。这是因为由于温度差导致在温度下降的边缘处形成一个剪切应力，当该应力超过了临界值，便产生了微裂纹，并随即扩展成45°方向裂纹。由于毛坯的高径比为h/d≈0.614，所以在进行径向镦粗时，表面的变形速度要大于中心的变形速度，为了不产生端面中心凹陷，就必须加大打击力，随着打击力的增加，变形量增大，应力也就增大，裂纹也就越来越严重。

变形量和变形速度因素分析

为了保证在进行径向镦粗时端面中心不出现凹陷，同时又克服锻造温度范围窄，黏性大的不利因素，操作上采用增加锤击力的方法，通过增大每次锤击的变形量，来提高端面中心的变形速度。然而在非等温条件下，采用这样的方法虽然满足了端面中心具有足够的变形量，但是却带来了坯料周边因温度降低而塑性下降，大而剧烈的变形加速了裂纹的产生和扩展。

通过以上分析得知，导致TA12A钛合金锻造裂纹的原因有以下几个方面：

⑴锻造过程中，坯料的端面边缘温度下降严重，快速变形以及大变形量并不能使该部位的温度提升；低温的部位塑性差，导致变形量过大的部位产生裂纹。

⑵为了减缓温降而采取的提高锤击力，力量过大引起在边缘处产生的剪切应力超过临界值。

⑶高径比为h/d≈0.614的坯料在进行径向镦粗，连续锤击下产生形变时，表面变形量大，而中心部位的变形量小，由变形增量引起的拉应力超过了临界值。

⑷在连续锤击下，表层的应变速率快于中心的应变速率，造成了变形的不均匀，由此在边缘部位产生了拉应力，随着变形不均匀增大，导致拉应力超过了临界值，金属开裂。

⑸坯料表面形成的α硬化层，在温度下降后变得更脆，塑性非常差，在锤击力的打击下开裂，同时因α硬化层下的金属变形对其产生拉应力也会导致其开裂。

解决方案的制定

通过以上造成TA12A钛合金锻造裂纹影响因素的分析可以看出，裂纹主要是采用的锻造方式引发各种影响因素在锻造过程产生的作用所致。根据分析结果制定解决对策如下：

⑴改变形变方式。采用四周镦粗法来提高坯料转移过程中尖边所下降的温度；增加h/d的比值，通过增大h/d的比值来进一步降低每次锤击变形的不均匀性。

⑵改变锤击方式。先小锤轻击尖边变形，使h/d达到一定值，保证随后的镦粗形变均匀。

⑶采用重锤慢打方式。利用钛合金具有的热效应特点，保证变形体温度基本均匀，进一步提高塑性，降低变形抗力。

⑷缩短坯料转移时间。减少高温坯料在空中的停留时间，减慢或减缓尖边部位的温度下降，延迟坯料表层的α硬化层增厚。

试制验证

按照原加热工艺将坯料加热后，按照图4所示的变形方式进行锻造变形。变形后的坯料由于尖边消失，避免了温降，由于热效应使得坯料温度基本上保持一致，彻底消除了因温降带来的塑性降低而产生的微裂纹。

按照图5所示的方向对坯料进行径向镦粗变形，变形采用重锤慢打击的方式。重锤打击可以保证坯料每一锤具有足够的变形量，缓慢锤击可以使重锤得到的热效应具有足够的扩散时间。这样一来，既保证了坯料具有足够变形量又不使其局部温度升高，基本上保持均匀。

为了保证坯料从出炉到锤击的空中转移速度足够快，取消专人取料，改由操作者自己将加热的坯料取出直接放到锤砧上进行锻造变形，严格控制坯料温降。

验证结果

通过采用上述的控制措施，对剩余的30件坯料进行了3个批次的加热和锻造变形。在保证了锻件具有足够的变形量和流线方向的条件下，没有一件锻件产生裂纹。经过对锻件的形状和尺寸检查，100%合格；低倍流线检查符合要求，力学性能检测满足锻件技术条件要求。

图4 沿端面周边锤击变形示意图

图5 径向镦粗变形示意图

结论

通过对TA12A钛合金锻造裂纹产生的原因进行分析，制定出改进控制对策，经过生产试验验证，得到的结论如下：

⑴对TA12A钛合金在锻造过程产生裂纹的原因分析基本正确。

⑵通过生产试验验证，制定的改进控制对策正确，操作方法得当。

⑶采用新制定的变形方法锻造TA12A钛合金锻件，可以获得形状和尺寸合格，低倍流线和力学性能检测结果满足标准要求的锻件。

⑷当锻造类似产品时，可以借鉴本文中所叙述的改进后的锻造工艺。