提升TC2 钛合金小锻件冲击韧性的工艺试验

文/车安达，张元东，刘秀良，马思琴，张安·江西景航航空锻铸有限公司

TC2 合金是一种中等强度、高塑性近α 型钛合金，在航空航天工业中获得了广泛应用。我公司近期生产的TC2 小锻件，多品种多批次存在冲击韧性富裕量不足甚至不合格的问题，严重影响了交付进度。我公司针对TC2 锻件冲击韧性偏低问题进行了分析，提出了提升TC2 锻件冲击韧性的两种方法，并进行了工艺试制验证，以指导TC2 热加工方案设计。

问题原因分析

锻件要求

我公司承制某主机厂的TC2 小锻件，其验收标准为型号专用标准，室温力学性能要求见表1。根据标准要求，锻件的显微组织应是经α+β 两相区加工后的均匀组织，并以退火状态交付，推荐的热处理制度为：740 ～790℃，保温1 ～2h，空冷。

表1 某TC2 锻件专用标准的室温力学性能要求

冲击韧性偏低的直接原因

根据国内研究结果，钛合金锻件的化学成分、显微组织和纤维流线对锻件的冲击韧性会有较明显的影响。

⑴锻件的化学成分的影响。

我公司TC2 钛合金棒材主要来自宝钛公司和西部超导公司，化学成分符合型号专用标准且各炉次棒材的化学成分比较稳定，但各炉次棒材所生产TC2小锻件均有冲击韧性偏低问题，故可排除化学成分的影响。

⑵纤维流线的影响。

根据统计结果，模锻件和长轴类自由锻件都存在冲击韧性偏低问题。模锻件在变形过程中，有部分金属沿分模面排出，会导致近分模面位置的纤维流线偏离主流线方向，进而可能导致冲击韧性偏低问题。长轴类自由锻件是经过拔长成形的，其主纤维流线有利于提高冲击韧性，但还是存在冲击韧性偏低问题。因此，可排除纤维流线的影响。

⑶显微组织的影响。

研究表明，TC2 钛合金显微组织中的条状α 相含量对TC2 钛合金锻件的冲击韧性有较明显的影响，增加条状α 相含量可提高TC2 钛合金锻件的冲击韧性。通常情况下，退火态TC2 钛合金小规格棒材的显微组织中次生条状α 相含量很低(大多数≤10%)。

TC2 钛合金锻造通常是在相变点下30 ～50℃加热，即Tβ-(30 ～50)℃。因锻造加热温度较低，仅有少量的初生α 相在加热过程中转变为β 相。到达保温时间后，坯料出炉锻造，因坯料规格较小，在坯料与模具接触过程中，坯料迅速降温，少量的转变β 相来不及析出更多的条状α 相，进而可能导致锻件的显微组织中次生条状α 相偏少。按型号标准要求，普通退火热处理温度选用740 ～790℃，温度较锻造温度更低，同样不能有效提升次生条状α 相的含量。

分析存在冲击韧性偏低问题的锻件，发现锻件普遍存在次生条状α 相偏少问题，见图1。因此，显微组织中次生条状α 相含量偏少，应该是导致TC2小锻件冲击韧性偏低的主要原因。

问题解决思路

根据原因分析结果，想要解决TC2 小锻件冲击韧性偏低问题，主要方向应是提高锻件显微组织中的次生条状α 相的含量。研究表明，锻造和热处理过程中的加热温度对锻件次生条状α 相的含量有较明显的影响。当锻造或热处理温度较高时，锻件显微组织中有更多的初生α 相转变为β 相，并在随后的空冷过程中析出较多的次生条状α 相，进而提高冲击韧性。基于此，本文主要采用两种优化思路。

锻后增加近β 退火

查过程记录和工艺文件，我公司TC2 小锻件的锻造温度一般控制在相变点下30 ～50℃，即Tβ-(30 ～50)℃，但所获得的锻件显微组织中次生条状α 相仍较少。因此，本文的第一种优化思路在锻造工序后增加近β 退火，即热加工路线为锻造→近β退火→普通退火，本次工艺试验的锻后近β 退火温度选用相变点下10℃和20℃，即Tβ-10℃和Tβ-20℃。

⑴试验材料。

采用TC2 钛合金φ80mm 规格圆棒材，测定其相变点温度为Tβ=(976±3)℃；

⑵试验方案。

1)下φ80mm×50mm 规格试料2 件，分别编号试验件1 和试验件2。

2)按常规方式锻造：试料先在电阻炉中加热，电阻炉精度为±10℃；加热温度设定为936℃，炉温到达设定温度后开始计时，保温时间设定为100min；达到保温时间后，坯料出炉锻造，在750kg自由锻锤上将坯料拔长至50mm×50mm×100mm，锻后空冷至室温。

3)按表2 的热处理方案对试验件1 和试验件2进行不同的处理，热处理完成后，在同样的位置取样并检测1/2 厚度位置的室温纵向力学性能和显微组织。

表2 试验件的热处理方案

⑶结果和分析。

1)显微组织对比。

图2 是试验件1 和2 在1/2 厚度处相同取样位置的显微组织对比，可以看出，试验件1 的显微组织中次生条状α 相含量≤10%，而试验件2 的显微组织中次生条状α 相含量约为20%～30%，即相比常规热处理状态(试验件1)，锻后增加近β 退火(试验件2)获得了更多的次生条状α 相，达到预期结果。

图2 试验件1 和试验件2 显微组织对比

2)性能对比。

表3 是2 个试验件相同取样位置的室温纵向力学性能对比，可以看出，锻后采用近β 退火后(试验件2)，锻件的冲击韧性相比常规热处理状态(试验件1)明显提升，但锻件的强度较常规热处理状态有较明显的下降，但符合标准要求。

表3 试验件1 和试验件2 室温纵向力学性能对比

锻前增加近β 退火

为了获得较多的次生条状α 相，国内发展了一种等温锻造工艺，该工艺通常在相变点下15 ～25℃加热，锻造所用模具加热至与坯料同样的温度并在锻造过程中保持恒温，锻造结束后空冷至室温。该工艺可显著增加锻件显微组织中的条状α 相含量进而提高冲击韧性，但等温锻造对模具和锻造设备都有特殊要求，模具需采用高温合金，锻造设备只能选用静压机且需设置模具加热工装，生产成本极高且效率极低。

若直接在相变点下15 ～25℃加热后进行自由锻或模锻，锻造过程中的反热现象导致TC2 小锻件产生过烧风险急剧增加，控制不当便会导致锻件整批报废。

因此，本文的第二种优化思路是在锻造工序前增加近β 退火，即热加工路线为近β 退火→锻造→普通退火，本次工艺试验的锻前近β 退火温度选用相变点下20℃，即Tβ-20℃。

⑴试验材料。

采用TC2 钛合金φ80mm 规格圆棒材，测定其相变点温度为Tβ=(976±3)℃；

患儿出生的同时，一位富有的女士在同一病区生了个女孩。她现年已40岁，仅有一个13岁的女儿和目前这个刚出生的女儿。她非常想要一个儿子，所以她请求能够收养患儿，以作为她新生女儿的双胞胎来一起抚养。

⑵试验方案。

1)下φ80mm×50mm 规格试料2 件，分别编号试验件3 和试验件4。

2)试验件4 在电阻炉中进行加热，电阻炉精度为±5℃；加热温度设定为956℃，炉温到达设定温度后开始计时，保温时间设定为60min；达到保温时间后，坯料出炉，空冷至室温；试验件3 不做锻前处理。

3)试验件3 和试验件4 按常规方式锻造：试料先在电阻炉中进行加热，电阻炉精度为±10℃；加热温度设定为936℃，炉子达到设定温度后开始计时，保温时间设定为100min；达到保温时间后，坯料出炉锻造，在750kg 自由锻锤上将坯料拔长至50mm×50mm×100mm，锻后空冷至室温；

4)试验件3 和试验件4 同炉热处理，热处理制度：加热温度设定为780℃，炉温到达设定温度后开始计时，保温时间设定为120min；达到保温时间后，坯料出炉，空冷至室温。

⑶结果和分析。

1)显微组织对比。

图3 试验件3 和试验件4 显微组织对比

2)性能对比。

表4 是试验件3 和试验件4 相同取样位置的室温纵向力学性能对比，可以看出，锻前采用近β 退火后(试验件4)，锻件的冲击韧性相比常规热加工状态(试验件3)明显提升，且锻件的强度较常规热加工状态无明显差异。和锻后增加近β 退火对比，锻前增加近β 退火对冲击韧性的提升幅度较小，但几乎不会造成室温强度的损失，这应该是锻前近β 退火过程中产生的次生条状α 相在锻造过程中有部分被击碎，锻件因此得到位错强化。

表4 试验件3 和试验件4 室温纵向力学性能对比

结论

⑴在锻造工序后增加近β 退火，TC2 锻件的显微组织中可获得较多次生条状α 相，锻件的冲击韧性明显提升，但室温强度会有较明显下降。

⑵在锻造工序前增加近β 退火，TC2 锻件的显微组织中可获得较多次生条状α 相，锻件的冲击韧性明显提升，且室温强度不会有明显下降。

⑶锻前增加近β 退火可用于对所有类型的TC2小锻件进行优化；锻后增加近β 退火可用于指导冲击韧性不合格问题锻件的热处理返修工序。