閔 武 莫安軍 魏明剛 李媛一 余勝峰 栗文強(qiáng)

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽(yáng)萬(wàn)航模鍛有限責(zé)任公司，四川618000)

鈦合金具有較高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性、良好的熱強(qiáng)性和焊接性能[1]，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。現(xiàn)目前，國(guó)內(nèi)外都在追求航空航天關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件的輕量化、高可靠性和長(zhǎng)壽命，因此，就更需要高質(zhì)量的鈦合金鍛件[2]。TC31鈦合金是國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的650～700℃短時(shí)高溫鈦合金[3]，是一種通過細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化等多種機(jī)制實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化的綜合性能優(yōu)異的熱強(qiáng)鈦合金。工藝決定組織，組織決定性能，鍛件的最終性能與具體的鍛造工藝參數(shù)密切相關(guān)[4]，而目前國(guó)內(nèi)關(guān)于TC31鈦合金鍛造工藝參數(shù)對(duì)組織性能影響的研究比較少。在諸多工藝參數(shù)中，鍛造溫度對(duì)鍛件最終性能和組織成分的影響十分顯著和重要。因此，本文重點(diǎn)研究分析了鍛造加熱溫度對(duì)TC31鈦合金性能和組織的影響，確定了最佳鍛造溫度區(qū)間，為制定該鈦合金的鍛造工藝，提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

本文研究使用的材料為TC31鈦合金，是Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-W-Si系列的α+β型高溫鈦合金。試驗(yàn)采用的是厚度為220 mm的TC31鍛坯，沿厚度方向?qū)㈠懪麂徢袨?塊175 mm×175 mm×70 mm(厚)的鍛坯。該鈦合金相變點(diǎn)為1044℃，化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2，顯微組織見圖1。

圖1 顯微組織Figure 1 Microstructure圖2 試驗(yàn)件三維結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Three-dimensional diagram of the test piece

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition (mass fraction，%)

表2 力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties

2 試驗(yàn)方法

TC31鈦合金應(yīng)用于某超高音速飛行器的關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)件，具有典型的“高筋薄腹板”類結(jié)構(gòu)[5]。該類鍛件采用模鍛生產(chǎn)，可節(jié)約大量原材料，縮短加工周期，降低成本。采用具備“高筋薄腹板”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的模鍛件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)件外形尺寸200 mm×200 mm×75 mm，試驗(yàn)件三維結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

為研究不同鍛造溫度對(duì)鍛件組織性能的影響，本文設(shè)計(jì)了3種鍛造加熱工藝參數(shù)，見表3。

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Test plan

在200 MN壓機(jī)上進(jìn)行模鍛試驗(yàn)，試驗(yàn)件實(shí)物見圖3。

圖3 試驗(yàn)件實(shí)物Figure 3 The actual test piece

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將采用不同鍛造加熱溫度模鍛生產(chǎn)的試驗(yàn)件熱處理后，按取樣圖(見圖4)進(jìn)行取樣理化檢測(cè)。

圖4 試驗(yàn)件取樣圖Figure 4 Sampling diagram of test piece

由表4可見，在α+β相區(qū)加熱鍛造時(shí)，隨著加熱溫度的升高，鍛件的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度均有所增加，并且強(qiáng)度隨著鍛造加熱溫度的升高逐漸趨于平穩(wěn)，即鍛造加熱溫度為Tβ-35℃的強(qiáng)度比鍛造加熱溫度為Tβ-50℃的強(qiáng)度提升了約20MPa，鍛造加熱溫度為Tβ-35℃的強(qiáng)度與鍛造加熱溫度為Tβ-20℃的強(qiáng)度相當(dāng)。試驗(yàn)件的塑性指標(biāo)、斷面收縮率和斷后伸長(zhǎng)率隨著鍛造加熱溫度的升高，先略有提高，然后略有降低，但不明顯。

表4 不同鍛造加熱溫度試驗(yàn)件的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of test piecesat different forging heating temperatures

由圖5可見，TC31鈦合金在Tβ-50℃至Tβ-20℃溫度區(qū)加熱鍛造，得到的顯微組織均為α+β雙態(tài)組織。但是，溫度的不同，其形貌差距較大，尤其是初生α含量隨著鍛造加熱溫度的升高而減少，其次生α含量逐漸增多。當(dāng)鍛造加熱溫度為Tβ-20℃時(shí)，初生α含量約15%，形態(tài)呈球狀、橢圓、斷續(xù)的等軸組織，次生α為細(xì)小的針狀，其長(zhǎng)度尺寸約8～25 μm，截面尺寸在1～3 μm，且縱橫交錯(cuò)、形似網(wǎng)籃組織。當(dāng)鍛造加熱溫度為Tβ-35℃時(shí)，初生α含量約35%，形態(tài)呈球狀、橢圓、斷續(xù)、少量短棒狀的等軸組織，次生α呈較粗的針狀，其長(zhǎng)度尺寸約8～22 μm，截面尺寸在2～5 μm，次生α針截面尺寸明顯大于前者。當(dāng)鍛造加熱溫度為Tβ-50℃時(shí)，初生α含量約55%，形態(tài)多為斷續(xù)、短棒狀的等軸組織，球狀、橢圓的等軸組織較少，且有較為明顯的方向性，次生α呈針狀，其長(zhǎng)度尺寸約4～16 μm，截面尺寸在0.5～4 μm，次生α針截面粗、細(xì)差距大。

圖5 不同鍛造加熱溫度的顯微組織Figure 5 Microstructure at different forging heating temperature

由圖5對(duì)比可見，當(dāng)加熱溫度越高，加熱溫度越接近相變點(diǎn)，導(dǎo)致α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嘣蕉?，初生α含量越少，由β相冷卻析出的次生α越多；更高的鍛造加熱溫度，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的能量越充足，初生α相的球化效果越好；次生α相由β相析出后，在變形能的作用下，使其發(fā)生錯(cuò)位、扭曲，從而形成網(wǎng)籃編織狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1)TC31鈦合金在Tβ-50℃到Tβ-20℃溫度區(qū)加熱鍛造得到的顯微組織均為α+β雙態(tài)組織；初生α含量隨著鍛造加熱溫度的升高而減少，次生α含量逐漸增多。

(2)TC31鈦合金在Tβ-50℃到Tβ-20℃溫度區(qū)加熱鍛造，獲得的拉伸性能滿足技術(shù)條件要求，其中在Tβ-35℃拉伸性能最優(yōu)。