趙民權(quán)， 王 媛， 董 健， 虞忠良， 謝 力， 關(guān)玉龍

(撫順特殊鋼股份有限公司 技術(shù)中心， 遼寧 撫順 113001)

TC11合金屬于馬氏體型的α+β兩相鈦合金，其名義成分為Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si，是一種較好的熱強(qiáng)合金，具有比強(qiáng)度高、中溫性能好、耐腐蝕性能好、質(zhì)量輕、屈服強(qiáng)度高、疲勞強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，該合金還具有良好的熱加工性，可以進(jìn)行焊接和各種方式的機(jī)加工，可在500 ℃及以下長期使用。該合金的特性使其在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤、葉片和葉輪等關(guān)鍵零部件獲得了廣泛應(yīng)用，是目前航空工業(yè)應(yīng)用最廣泛的鈦合金之一[1]。隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，對TC11合金棒材的規(guī)格和組織性能要求也越來越高，數(shù)量也逐步擴(kuò)大。在工廠生產(chǎn)中精鍛機(jī)可有效提高生產(chǎn)效率，采用精鍛機(jī)生產(chǎn)TC11合金大圓棒材時(shí)，低倍組織出現(xiàn)暗斑偏析。本文主要對TC11合金φ210 mm精鍛棒材低倍偏析的原因進(jìn)行分析，避免同類缺陷再次發(fā)生，并確定合理的生產(chǎn)工藝對偏析棒材進(jìn)行改鍛挽救。

1 試驗(yàn)材料及方法

鑄錠采用真空自耗爐3次冶煉，原材料選用一級小顆粒海綿鈦和優(yōu)質(zhì)的中間合金，生產(chǎn)φ610 mm鑄錠，鑄錠化學(xué)成分均勻，其結(jié)果見表1，滿足GJB 2744A—2007《航空用鈦及鈦合金鍛件規(guī)范》要求。

鑄錠生產(chǎn)采用相變點(diǎn)以上的較高溫度區(qū)域+稍高于相變點(diǎn)的中溫區(qū)域多次鐓拔變形，變形后的坯料開至一定尺寸經(jīng)修磨后重新裝爐，加熱溫度控制在α+β/β相變點(diǎn)以下30～40 ℃。工藝1采用精鍛機(jī)一火多道次生產(chǎn)，變形量>70%；工藝2采用壓機(jī)拔長+摔圓生產(chǎn)，總變形量>70%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 低倍組織分析

從圖1的低倍照片可以看出，工藝1即精鍛成品的棒材基體都為模糊晶，但是在R/2處出現(xiàn)一圈大小不等、呈雜亂分布的暗斑，TC11合金低倍出現(xiàn)的暗斑一般為β斑點(diǎn)。出現(xiàn)這種斑點(diǎn)有兩種可能性：冶煉工藝不合理造成的鑄錠化學(xué)成分宏觀偏析或鍛造工藝不當(dāng)造成的鍛造過程中局部劇烈變形升溫超過α+β/β相轉(zhuǎn)變溫度而形成的。同樣的原材料由工藝2生產(chǎn)的棒材低倍都為模糊晶、不存在點(diǎn)偏現(xiàn)象，因此排除冶煉宏觀偏析，證明低倍暗斑的出現(xiàn)是由精鍛工藝不合理造成的[2]。

圖1 不同工藝處理后TC11合金的低倍照片(a)工藝1;(b)工藝2Fig.1 Macrographs of the TC11 alloy treated by different processes(a) process 1; (b) process 2

2.2 顯微組織分析

從工藝1生產(chǎn)的棒材上切取一塊包含正常區(qū)域和缺陷區(qū)域的試樣進(jìn)行金相檢測，檢測后得到的顯微組織如圖2所示。從圖2可以看出，工藝1生產(chǎn)的棒材基體由等軸的初生α相+條狀α相和轉(zhuǎn)變?chǔ)孪鄻?gòu)成，暗斑區(qū)域顯微組織由片層的β相轉(zhuǎn)變組織+針狀α相構(gòu)成，過渡區(qū)基本介于兩者之間。

圖2 經(jīng)工藝1處理后TC11合金不同區(qū)域的顯微組織Fig.2 Microstructure of different regions in the TC11 alloy treated by process 1(a,b) 基體(substrate); (c) 過渡區(qū)域(transition zone); (d) 暗斑區(qū)域(speckle zone)

由工藝2切取試樣的顯微組織如圖3所示。從圖3可以看出，工藝2生產(chǎn)的棒材整體顯微組織比較均勻，基本由等軸的初生α相+拉長的條狀α相和轉(zhuǎn)變?chǔ)孪鄻?gòu)成，不存在某個(gè)區(qū)域組織明顯區(qū)別于基體組織，可進(jìn)一步說明工藝1生產(chǎn)的棒材低倍暗斑是由精鍛工藝不合理造成的，不存在鑄錠化學(xué)成分宏觀偏析。

圖3 經(jīng)工藝2處理后TC11合金不同位置的顯微組織(a)R/2處;(b)邊部Fig.3 Microstructure of different regions in the TC11 alloy treated by process 2(a) R/2; (b) edge

2.3 掃描電鏡能譜分析

在低倍檢驗(yàn)有暗斑的區(qū)域切取一塊包含正常區(qū)域和缺陷區(qū)域的試樣進(jìn)行掃描電鏡分析，采用掃描電鏡配置的能譜儀分別對缺陷區(qū)域和基體進(jìn)行微區(qū)化學(xué)成分分析，掃描電鏡照片見圖4，缺陷區(qū)域與正常區(qū)域的能譜分析結(jié)果見表2。

圖4 經(jīng)工藝1處理后TC11合金SEM照片(1-3暗斑區(qū)域、4-6基體區(qū)域)Fig.4 SEM images of the TC11 alloy treated by process 1 (1-3 speckle zone; 4-6 matrix zone)

表2 經(jīng)工藝1處理后TC11合金缺陷區(qū)域與正常區(qū)域的微區(qū)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

從分析結(jié)果可以看出，暗斑區(qū)域的微區(qū)成分Mo含量明顯高于基體區(qū)域，Mo元素在鈦鑄錠中的凝固機(jī)理是從邊部向R/2區(qū)域逐漸增加，到R/2區(qū)域達(dá)到最大值，再向中心區(qū)域Mo含量逐漸減少，鑄錠中心Mo含量最低。Mo屬于β相穩(wěn)定元素，在鈦合金中屬于易偏析元素之一，而TC11合金中Mo含量較高，雖然經(jīng)過3次自耗熔煉及冶煉過程增加攪拌已把Mo偏析的可能性降到最低，但是在一定程度上還存在微區(qū)的化學(xué)成分偏析。

結(jié)合低倍、顯微組織和掃描電鏡能譜分析可以認(rèn)為本次棒材出現(xiàn)的低倍β斑點(diǎn)是由于精鍛工藝設(shè)置不合理，即道次變形量、進(jìn)給速度、重?fù)粼O(shè)置的道次等綜合因素導(dǎo)致的。這些綜合因素導(dǎo)致棒材在精鍛連續(xù)變形過程中，劇烈變形產(chǎn)生的大量變形熱不能及時(shí)釋放，變形升溫向外轉(zhuǎn)移，精鍛錘頭同時(shí)還在擊打變形，而且鈦合金導(dǎo)熱性差，精鍛道次變形量過大、頻率高，產(chǎn)生的變形熱集中在棒材半徑的位置，使其在半徑的位置局部明顯升溫，加上冶煉造成的微區(qū)成分偏析，偏析區(qū)域Mo含量相對偏高，會(huì)降低合金的相變溫度。微區(qū)成分偏析導(dǎo)致局部的相變溫度低于基體的相變溫度，局部變形熱超過α+β/β相變溫度，產(chǎn)生α→β相變，形成具有原始β晶界，晶粒內(nèi)為全片層的β相轉(zhuǎn)變組織和針狀α相，即β斑點(diǎn)[3]。

2.4 性能檢驗(yàn)

在兩塊不同工藝生產(chǎn)的棒材低倍上切取橫向性能試樣，取樣位置按照GJB 2744A—2007要求選擇R/2處。熱處理制度為960 ℃×2 h，空冷+530 ℃×6 h，空冷。不同工藝處理的TC11合金的力學(xué)性能見表3。

從表3可以看出，兩個(gè)工藝生產(chǎn)的棒材都能滿足GJB 2744A—2007要求，但工藝1處理后試樣的伸長率和斷面收縮率明顯偏低，勉強(qiáng)合格。眾多研究發(fā)現(xiàn)，β斑點(diǎn)對鈦合金的拉伸性能、熱穩(wěn)定性、斷裂韌性、高周及低周疲勞性能等均會(huì)產(chǎn)生不利影響，因此在鈦合金生產(chǎn)中一定要從原材料選擇、冶煉工藝制定、鍛造工藝制定上進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免產(chǎn)生β斑點(diǎn)[4]。

表3 經(jīng)不同工藝處理后TC11合金的室溫(20 ℃)橫向力學(xué)性能

2.5 挽救措施

把產(chǎn)生β斑點(diǎn)的棒材加熱至β相區(qū)以上較高溫度，適當(dāng)保溫一定時(shí)間，使α相向β相轉(zhuǎn)變，形成具有β晶界、晶粒內(nèi)為片狀β相和針狀α相的魏氏組織，使偏析區(qū)的組織得到一定程度的均勻化[5]。處理后的棒材選擇相變點(diǎn)α+β/β以下溫度重新加熱，用合理的鍛造方法進(jìn)行鍛造，使單火變形量>70%，變形后的坯料修磨后重新加熱至α+β/β相變點(diǎn)以下30～40 ℃，用軋機(jī)兩火軋制至φ30 mm軋棒，單火軋制變形量>70%，綜合變形量疊加>200%，生產(chǎn)的φ30 mm軋棒檢驗(yàn)如圖5及表4所示。

圖5 φ30 mm TC11合金軋棒的顯微組織Fig.5 Microstructure of the φ30 mm TC11 alloy rolling bar

表4 φ30 mm TC11合金軋棒的縱向力學(xué)性能

從檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，生產(chǎn)的軋棒顯微組織為均勻、細(xì)小的等軸α相+轉(zhuǎn)變?chǔ)孪嘟M織，不存在如改鍛前所示的明顯的組織不均勻區(qū)域，各項(xiàng)性能優(yōu)異，綜合性能良好，探傷可以達(dá)到φ0.8 mm平底孔。說明利用上述方法可以有效消除因鍛造工藝不合理形成的TC11合金β斑，可以通過一定工藝改鍛進(jìn)行材料挽救，在一定程度上減少材料損失。

3 結(jié)論

1) TC11合金精鍛機(jī)生產(chǎn)的大圓棒材低倍暗斑主要是由于冶煉時(shí)微區(qū)成分偏析及鍛造工藝不合理，鍛造變形熱引起局部升溫，溫升后溫度高于相變溫度，局部相對基體提前發(fā)生相變而形成β斑，屬于鍛造缺陷。

2) TC11合金棒材由于鍛造工藝不合理引起的低倍β斑點(diǎn)可通過加熱至α+β/β相變點(diǎn)以上較高溫度擴(kuò)散退火，多火次大變形量生產(chǎn)小圓軋材進(jìn)行消除，在一定程度上減少材料損失。