占立水,叶俊青,夏春林,李艳英

(贵州安大航空锻造有限责任公司， 贵州 安顺　561005)

大中央件是球柔性桨毂的核心部件，除了要承受主桨叶和液压阻尼器传递力和力矩外，还需要为主桨弹性轴承和液压阻尼器提供安装接口，结构非常复杂[1]。 我国某机桨毂中央件采用高强、高韧、低密度近β型钛合金制造[2-9]。

由于研制的大中央件TB6钛合金原始铸锭中存在大量的粗大不均匀组织，在后续改锻过程中往往得不到有效改善。棒材低倍组织检测易呈现出晶粒粗大且不均匀，高倍组织存在大块或条状α相等缺陷。如果没有合理的改锻工艺，这些组织缺陷将遗留到锻件中，而且热处理无法消除，给飞行安全带来隐患，因此摸索出合适的热加工工艺参数至关重要。

1　试验材料和试验方法

1.1　试验材料

试验材料为TB6棒材，其化学成分如表1所示。铸锭经开坯、锻造和热处理，得到的显微组织为时效β基体+球状、条状初生α组织，如图1所示。

1.2　试验方法

表1　TB6钛合金化学成分 (质量分数,%)

2　试验结果与讨论

2.1　超塑性变形试验

2.1.1细化晶粒

因原材料为铸锭，故对其进行改锻，以便获取细晶组织。通过1 150 ℃、920 ℃ 2火开坯破碎铸锭粗晶，再通过“低高低”改锻工艺细化晶粒，核心内容是通过控制加热温度控制α相含量及形态，以得到均匀化细晶。“低高低”改锻中的“高”是指在相变点以上温度进行改锻。坯料的前2火两相区改锻，可起到均匀组织、破碎晶界的作用，但两相区变形无法实现坯料的再结晶，其主要作用是使开坯后的组织均匀，但不能达到细化效果。为提供材料再结晶动力，坯料在改锻后水冷，从而增加坯料内应力，为相变点以上改锻实现再结晶提供能量。

变形程度的大小影响储存能的大小，当变形程度不大时，将得到粗大的晶粒[10]。当变形程度大于30%时，钛合金组织开始明显细化，在α+β两相区变形，使针状、片状组织转变为球状组织，总的变形程度不低于60%。因此在制定工艺时，将每道次的变形程度控制在30%～40%，坯料改锻细化晶粒后的显微组织如图1所示。

2.1.2拉伸试验

以0.5 mm/s的恒定速度(应变速率1×10-2s-1)，对晶粒细化了的TB6合金试样(总长度75 mm，有效长度为50 mm的拉伸测试棒)进行高温拉伸实验，其结果见图2。在试验温度范围内，该合金呈现出良好的塑性。随着温度的升高，延伸率不断增大，在750 ℃附近达到最大值， 继续升高温度，延伸率不断下降。

2.1.3应变速率与流动应力的关系

在750 ℃加热温度下，试样以1×100s-1、1×10-1s-1、1×10-2s-1、1×10-3s-1四种应变速率进行压缩实验，实测得到了一组流动应力-应变曲线(如图3所示)。

由图3可以看出，在同一变形温度下，流动应力随应变速率的增大而增大，表明TB6合金是正应变速率敏感材料。应变速率的增加意味着位错运动速度的加快，必然需要更大的切应力。另外，应变速率增加，无足够的时间发展软化过程，这也促使流动应力提高。当应变速率为1×100s-1时，最大流动应力值可达224 MPa,，而当应变速率减小至1×10-3s-1时，最大流动应力仅为59 MPa，相差接近4倍。这主要原因是在压缩过程中，位错的增殖随应变速率的增大而迅速增加，从而使流动应力显著增加[11]。从图3可知，TB6合金锻件成形理想的变形速率区间应小于1×10-3s-1，理想变形速度V=锻件长度×理想变形速率，中央件坯料高度方向大致为437 mm，因此理想变形速度小于0.437 mm/s，结合我厂液压机参数以及生产情况，TB6中央件超塑性成形变形速度平均控制在(0.1～0.437)mm/s。

3　工艺试验研究

利用TB6钛合金在超塑性状态下金属流变应力降低，使锻造压力大大降低，从而降低加工设备吨位，实现大中央件成形的目标。锻造温度和应变速率均对金属流动应力影响较大，结合上述试验结果和我厂生产经验，坯料和模具需喷涂专用润滑剂，并将加热温度设定为754 ℃，锻件实物粗加工如图4所示。锻件热处理制度(730～750 ℃)±10 ℃×2 h，WC+ (510 ℃～540 ℃)±5 ℃×8 h，AC。

3.1　理化测试

3.1.1常规力学性能

锻件力学性能测试结果见表2所示。

表2　常规力学性能

3.1.2高、低倍检测

锻件的低倍组织照片如图5，高倍组织照片如图6。从低倍组织照片看，锻件无粗大晶粒和严重的亮条亮点、缩孔、气孔、分层、偏析、裂纹、金属或非金属夹杂及其他冶金缺陷，不存在明显的穿流和严重涡流，流线方向沿外形分布。

从高倍组织照片来看，无β斑，不存在连续、平直的晶界α相网络及粗大的连续的晶界α相组织。坯料由于经过大变形，变形速度慢，再结晶比较充分，锻件各部位组织均匀，获得了细小等轴组织，初生α含量20%左右，维持了锻件较好的综合力学性能。

3.1.3探伤

探伤设备MarsterScan 700,灵敏度Φ0.8FBH，未见明细的单显，杂波水平Φ1.2-19 dB～Φ1.2-25 dB(标准要求杂波水平低于Φ1.2-9 dB)。

4　结论

1) TB6合金超塑性变形温度为750 ℃左右，而且应变速率对该合金流动应力非常敏感，应变速率越大，流动应力越大，因此要实现对晶粒细化的坯料超塑性成形，应选择较低的应变速率及合适的温度。

2) 某机大中央件超塑性模锻成形工艺采用相变点以下30 ℃，应变速率选用低于1×10-3s-1，可将晶粒细化的坯料成形出外观品质较好、综合力学性能优良、组织均匀细小的合格锻件。

参考文献：

[1]艾剑波,郭俊贤,覃海鹰，等.Ti1023主桨毂中央件的微动疲劳及其防护[J].某机技术,2011,167(2):25-26.

[2]王美姣，孟祥军，廖志谦，等.Ti-1023合金的研究现状[J].材料开发与应用,2009,24(3)：66-69.

[3]刘彬，黄旭，黄利军,等.TB6 钛合金多重固溶时效热处理工艺研究[J].稀有金属,2009,33(4):489-493.

[4]李骋，何玉怀，黄利军,等.TB6 钛合金疲劳及裂纹扩展性能研究[J].失效分析与预防,2008,3(3):17-22.

[5]吕逸帆，孟祥军，李士凯.TB6 合金β 斑研究概述[J].稀有金属材料与工程,2008,37(增刊3):544?548.

[6]林好转，郭灵，连建民，等.T i-1023合金桨毅锻件变形过程有限元法模拟和分析[J].航空材料学报，2003，23：95-98.

[7]陈为，孙巧艳，肖林，等.时效工艺对Ti1023 合金微观组织和力学性能的影响[J].稀有金属材料与工程，2011，40(4):708-710.

[8]王哲.飞机结构应用Ti1023钛合金应注意的问题[J].钛工业进展，2005(3):27-28.

[9]杜忠权，王高潮.Ti-1023钛合金的超塑性力学行为[J].南昌航空工业学院学报，1988(1)：34-45.

[10] 冯霞，严昌永，钱扬顺,等.改善钛合金自由锻件组织均匀性的研究[J].成发科技，2008(3)：23-24.

[11] 赵雪盈，郭鸿镇，姚泽坤,等.Ti-1023合金超塑性压缩时的流动应力及显微组织[J].上海金属，2005，27(5)：26-32.