自由锻造TC17钛合金饼材的组织与性能研究

2021-12-26张俊杰董轶欧笑笑李巍段晓辉张晓龙蔡东颖

世界有色金属 2021年18期

张俊杰，董轶，欧笑笑，李巍，段晓辉，张晓龙，蔡东颖

（宝鸡钛业股份有限公司，陕西宝鸡 721014）

1 前言

TC17钛合金（即Ti-17）名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr[1]，是一种高强、高韧性和高淬透性的近β型两相钛合金。TC17合金是由美国在20世纪70年代开发研制，广泛的应用于众多先进航空发动机风扇和压气机整体叶盘锻件[2]。

TC17钛合金饼材通常采用传统模锻（即模内成型），而通过自由锻压方式的则相对较少。这是因为相比于传统模锻工艺，自由锻造工艺对现场操作要求更高，操作难度大，但自由锻生产成本较低，可操作性较大，可以通过锻造工艺的控制得到不同的组织结构。本文研究了在不同的自由锻造工艺下，设计制备TC17钛合金饼材，并通过分析其高倍显微组织与室温力学性能，对比不同锻造工艺下自由锻得到的饼材的显微组织与力学性能。

2 试验材料及方法

2.1 试验材料

试验材料采用宝钛集团通过三次真空熔炼生产的TC17钛合金铸锭（铸锭名义尺寸Φ720），主要化学成分如表1所示。测得其相变点温度为902℃～905℃。铸锭通过开坯锻造、中间锻造多火次镦粗、拔长，自由锻压至Φ250mm棒材。在相当于铸锭头部位置切取20mm样片，经切割设备制备出高倍试样，在金相显微镜下观察其高倍显微组织如图1所示，制坯棒材高倍显微组织为α+β两相区组织，初生α相平均尺寸为8μm左右，初生α相体积分数在60%以上，无原始β晶界，无粗大、连续、网状晶界α。

表1 试验用铸锭化学成分质量分数(%)

图1 TC17棒材的原始组织(500X)

2.2 试验方法

将制备好的250mm坯料锯切下料，在31.5MN锻造机上通过自由锻压的方式，将锯切坯料通过路线1与路线2两种锻造工艺方案进行成品锻造。

路线1：将锯切坯料加热到相变点以下30℃～60℃（Tβ-30～60℃）进行镦拔、滚圆、整形（变形量约50%），最终通过机械加工得到成品饼材。

路线2：①将锯切坯料加热到相变点以下20℃（Tβ-20℃）保温一定时间后升温至相变点以上30℃（Tβ+30℃）进行镦拔、滚圆（变形量约30%）。②加热到相变点以下30℃～60℃（Tβ-30℃～60℃）进行镦滚、整形（变形量约20%），最终最终通过机械加工得到成品饼材。

对两种不同锻造工艺路线制备的饼材，锻后进行固溶时效热处理，热处理制度为840℃/2h.AC+800℃/4h.WC+630℃/8h.AC。对饼材分别线切割破开取纵向试样，机械加工制取高倍及力学性能试样，进行显微组织分析和力学性能分析。在INSTRON5581型电子万能材料试验机上进行拉伸实验获得不同锻造工艺下室温力学性能数据。实验采用氢氟酸、硝酸、水按1:3:10比例的酸液腐蚀试样后，在OLYMPUS GX71型金相显微镜上观察其高倍显微组织，获得不同锻造工艺下的高倍显微组织。

3 实验结果与讨论

3.1 显微组织

对两种不同工艺方案锻造制备的TC17饼材，对高倍试样进行磨光、腐蚀，其高倍显微组织如图2所示：（①）与（②）为路线1饼材的高倍显微组织，可见其显微组织是典型的α+β两相区组织，主要由等轴α相与β转变组织构成，初生α相平均尺寸为10μm左右，初生α相体积分数在50%左右，并且伴有少量的次生α相。

图2 不同锻造工艺所对应饼材的显微组织

（③）与(④)为路线2饼材的高倍显微组织，可见其显微组织为均匀的网篮组织，初生α相平均尺寸为4μm左右，初生α相体积分数在30%左右，片状α相细小且均匀，并且不存在完整的原始β晶界或粗大、连续、网状晶界α。由此可见将加热温度提升到β相区，采用恰当的锻造工艺，控制β相区的变形量，可以将原始β晶界充分破碎，得到均匀、细小的网篮组织[3]。

3.2 力学性能

两种锻造工艺路线生产的TC17钛合金饼材力学性能如表2所示。由两种工艺路线方案中的数据统计分析结果可知：等轴组织饼材的断后伸长率（δ/%）与断面收缩率（Ψ/%）均优于网篮组织饼材，可以看出等轴组织的塑性性能明显比网篮组织要好。这是由于在等轴组织中初生α相含量（50%左右）明显大于网篮组织中初生α相含量（30%左右）。在拉伸变形过程的初始阶段，等轴α相与β转变组织上会形成空洞，随着拉伸过程的进行，这些空洞会随之扩展长大，而α相对空洞成长起着阻碍作用[4]。由此可得，初生α相含量越多，则空洞扩展长大所遇到的阻碍就越多，断后伸长率与断面收缩率就越高，合金材料塑性性能越好[5]。

表2 不同锻造工艺所对应饼材的力学性能

路线2制备的饼材的室温抗拉强度（σb）、屈服强度（σ0.2）以及冲击性能（αkU）均优于路线1饼材。这就证明了网篮组织相对于等轴组织具有更高的室温强度及冲击性能。在网篮组织高倍显微组织中可以看出，网篮组织中拥有细小、均匀的片状α相，片状α相对裂纹的连续扩展起到了阻碍作用，当片状α层的厚度大于一定数值后，裂纹扩展则会无法直接穿透片状α层区，从而改变原有裂纹扩展的方向与路线。因此网篮组织中的片状α相在增强合金材料强度与改变裂纹扩展方向的同时，为合金材料断裂过程提供了更高的能量，从而增强了材料的冲击性能[3,6]。