锻造温度对TC32 合金组织和性能的影响

文／张元东，张安，车安达·江西景航航空锻铸有限公司

王晓巍，蔡森·沈阳飞机工业(集团)有限公司

TC32 钛合金是中国航发航材院自主研发的中高强高韧α+β 型钛合金，其名义成分为Ti-5Al-3Mo-3Cr-1Zr-0.1Si，具有冲击性能和断裂韧度高，低成本等特点。针对TC32 合金，我公司开展了锻造温度的研究，以指导热加工方案的制定。

试验用原材料

采用TC32 钛合金φ380mm 规格圆棒材，熔炼炉号为332-2206064，测定其相变点温度为Tβ=(912±3)℃。使用锯床下φ380mm×100mm 的棒料，按某标准要求对棒料进行热处理(880℃，保温2h，空冷；550℃，保温6h，空冷)。热处理后的显微组织如图1 所示，低倍组织如图2 所示，室温力学性能见表1，高温拉伸性能见表2。

表1 原材料热处理后的室温力学性能

表2 原材料热处理后的高温拉伸性能

图1 原材料热处理后的显微组织

图2 原材料热处理后低倍组织

锻造温度工艺试验

下料

从上述棒材中再锯下φ380mm×360mm 规 格试料，沿原材料十字中心一分四均匀锯开，加工出特定规格料4 件，并标记编号(1#，2#，3#，4#)，如图3 所示，选用2#料进行本次锻造温度试验。

图3 试验用棒料锯料示意图

试验方案

⑴将2#试块沿厚度方向锯成3 等份，每份试块厚度控制(117±3)mm，编号2-A，2-B，2-C。

⑵选用高温电炉(Ⅲ类炉及以上，炉温均匀性精度±10℃)进行锻造前加热，加热制度按表3 所示。

表3 锻造温度试验试块锻造前加热制度

⑶将厚度(117±3)mm 下压至70mm，锻造变形量约40%，锻造设备选用1000t 快锻机。

⑷锻后热处理。一次退火：炉膛880℃，保温120min，出炉空冷；二次退火：炉膛550℃，保温360min，出炉空冷。

⑸热处理后检测。按表4 进行取样检测，取样位置如图4 所示，三个试验件取样位置应保持一致。

表4 工艺试验理化检测项目表

图4 锻造温度对比工艺试验理化检测取样图

结果和分析

显微组织对比

从图5 ～图7 可以看出，组织形貌随温度的变化差异较大。当锻前加热温度为Tβ-40℃时，组织由等轴α 相和条状α 相组成，等轴α 相含量约30%～40%；当锻前加热温度为Tβ-20℃时，组织由等轴α 相和条状α 相组成，等轴α 相含量约20%～30%；而当锻件温度继续提高到Tβ+20℃时，组织中基本为条状α 相组织，这是由于当试块加热到相变温度以上时，组织中的原始等轴α 相已全部相变。图5 ～7 也表明同一试验编号不同取样位置处，试块的显微组织存在一定的差异。由表层及心部等轴α 相减少，条状α 相增多，而且显微组织的尺寸有增加的趋势，这说明试块的心部散热较慢，为晶粒的长大提供了热力学基础。

图5 锻造温度试验编号2-A 对应的显微组织

图6 锻造温度试验编号2-B 对应的显微组织

图7 锻造温度试验编号2-C 对应的显微组织

力学性能对比

如图8 和表5 所示，随着锻造温度由Tβ-40℃升高到Tβ+20℃，锻件的抗拉强度值呈现增加趋势，屈服强度值逐渐降低，并且当锻造温度为Tβ+20℃时下跌的趋势更大，塑性指标均呈现先升高后降低的趋势并在锻造温度为Tβ-20℃时性能最佳，同时随着锻造温度的升高室温冲击韧性值也呈现先升高后降低的趋势；锻造温度选择Tβ-40℃可满足生产要求并且力学性能值存在一定的富裕量，若要提高综合力学性能获得最佳的强塑性和强韧性匹配可选择Tβ-20℃进行锻前加热。

表5 锻造温度试验拉伸性能理化检测结果

图8 锻造温度试验1/4 厚度处横向平均室温拉伸性能折线图

图9 锻造温度试验1/4 厚度处横向平均室温冲击性能折线图

从图10 和表5 中可以看出，在同一取样位置处，随着锻前加热温度逐渐升高(由两相区加热到准β加热)，试块横向高温抗拉强度有升高的趋势但变化不大，这说明大而连续的条状α 相对试块抗拉强度的提升作用不大，破碎细小的条状α 相更有利于抗拉强度的提高；随着锻前加热温度逐渐升高，横向屈服强度呈现降低的趋势，塑性变化趋势相反；在不同取样位置处，基本表现为1/4 取样厚度处强度高于1/2 取样厚度处。

图10 锻造温度试验1/4 和1/2 厚度处横向平均高温拉伸性能折线图

从表6 中可以看出，试块2-A 的断裂韧性达到107MPa·m1/2以 上，试 块2-B 的 断 裂 韧 性 达 到113MPa·m1/2以上，试块2-C 的断裂韧性达到129MPa·m1/2以上，可满足标准要求的80MPa·m1/2，TC32 钛合金具有优异的断裂韧性。

表6 锻造温度试验断裂韧性检测结果

结论

⑴当锻前加热温度为Tβ-40℃和Tβ-20℃时，锻件可获得双态组织；当锻前加热温度为Tβ+20℃时，锻件可获得网篮组织。

⑵当锻前温度设定为Tβ-40℃至Tβ-20℃时，锻件可获得较好的综合力学性能，且在Tβ-20℃时达到最佳强韧性和强塑性匹配。但在实际生产过程中，较高的锻前加热温度易导致粗晶或组织不均匀问题，从而造成锻件报废，建议锻造温度设定为Tβ-40℃至Tβ-30℃。