文／張?jiān)獤|，張安，車(chē)安達(dá)·江西景航航空鍛鑄有限公司

王曉巍，蔡森·沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司

TC32 鈦合金是中國(guó)航發(fā)航材院自主研發(fā)的中高強(qiáng)高韌α+β 型鈦合金，其名義成分為T(mén)i-5Al-3Mo-3Cr-1Zr-0.1Si，具有沖擊性能和斷裂韌度高，低成本等特點(diǎn)。針對(duì)TC32 合金，我公司開(kāi)展了鍛造溫度的研究，以指導(dǎo)熱加工方案的制定。

試驗(yàn)用原材料

采用TC32 鈦合金φ380mm 規(guī)格圓棒材，熔煉爐號(hào)為332-2206064，測(cè)定其相變點(diǎn)溫度為T(mén)β=(912±3)℃。使用鋸床下φ380mm×100mm 的棒料，按某標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)棒料進(jìn)行熱處理(880℃，保溫2h，空冷；550℃，保溫6h，空冷)。熱處理后的顯微組織如圖1 所示，低倍組織如圖2 所示，室溫力學(xué)性能見(jiàn)表1，高溫拉伸性能見(jiàn)表2。

表1 原材料熱處理后的室溫力學(xué)性能

表2 原材料熱處理后的高溫拉伸性能

圖1 原材料熱處理后的顯微組織

圖2 原材料熱處理后低倍組織

鍛造溫度工藝試驗(yàn)

下料

從上述棒材中再鋸下φ380mm×360mm 規(guī) 格試料，沿原材料十字中心一分四均勻鋸開(kāi)，加工出特定規(guī)格料4 件，并標(biāo)記編號(hào)(1#，2#，3#，4#)，如圖3 所示，選用2#料進(jìn)行本次鍛造溫度試驗(yàn)。

圖3 試驗(yàn)用棒料鋸料示意圖

試驗(yàn)方案

⑴將2#試塊沿厚度方向鋸成3 等份，每份試塊厚度控制(117±3)mm，編號(hào)2-A，2-B，2-C。

⑵選用高溫電爐(Ⅲ類(lèi)爐及以上，爐溫均勻性精度±10℃)進(jìn)行鍛造前加熱，加熱制度按表3 所示。

表3 鍛造溫度試驗(yàn)試塊鍛造前加熱制度

⑶將厚度(117±3)mm 下壓至70mm，鍛造變形量約40%，鍛造設(shè)備選用1000t 快鍛機(jī)。

⑷鍛后熱處理。一次退火：爐膛880℃，保溫120min，出爐空冷；二次退火：爐膛550℃，保溫360min，出爐空冷。

⑸熱處理后檢測(cè)。按表4 進(jìn)行取樣檢測(cè)，取樣位置如圖4 所示，三個(gè)試驗(yàn)件取樣位置應(yīng)保持一致。

表4 工藝試驗(yàn)理化檢測(cè)項(xiàng)目表

圖4 鍛造溫度對(duì)比工藝試驗(yàn)理化檢測(cè)取樣圖

結(jié)果和分析

顯微組織對(duì)比

從圖5 ～圖7 可以看出，組織形貌隨溫度的變化差異較大。當(dāng)鍛前加熱溫度為T(mén)β-40℃時(shí)，組織由等軸α 相和條狀α 相組成，等軸α 相含量約30%～40%；當(dāng)鍛前加熱溫度為T(mén)β-20℃時(shí)，組織由等軸α 相和條狀α 相組成，等軸α 相含量約20%～30%；而當(dāng)鍛件溫度繼續(xù)提高到Tβ+20℃時(shí)，組織中基本為條狀α 相組織，這是由于當(dāng)試塊加熱到相變溫度以上時(shí)，組織中的原始等軸α 相已全部相變。圖5 ～7 也表明同一試驗(yàn)編號(hào)不同取樣位置處，試塊的顯微組織存在一定的差異。由表層及心部等軸α 相減少，條狀α 相增多，而且顯微組織的尺寸有增加的趨勢(shì)，這說(shuō)明試塊的心部散熱較慢，為晶粒的長(zhǎng)大提供了熱力學(xué)基礎(chǔ)。

圖5 鍛造溫度試驗(yàn)編號(hào)2-A 對(duì)應(yīng)的顯微組織

圖6 鍛造溫度試驗(yàn)編號(hào)2-B 對(duì)應(yīng)的顯微組織

圖7 鍛造溫度試驗(yàn)編號(hào)2-C 對(duì)應(yīng)的顯微組織

力學(xué)性能對(duì)比

如圖8 和表5 所示，隨著鍛造溫度由Tβ-40℃升高到Tβ+20℃，鍛件的抗拉強(qiáng)度值呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，屈服強(qiáng)度值逐漸降低，并且當(dāng)鍛造溫度為T(mén)β+20℃時(shí)下跌的趨勢(shì)更大，塑性指標(biāo)均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)并在鍛造溫度為T(mén)β-20℃時(shí)性能最佳，同時(shí)隨著鍛造溫度的升高室溫沖擊韌性值也呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；鍛造溫度選擇Tβ-40℃可滿(mǎn)足生產(chǎn)要求并且力學(xué)性能值存在一定的富裕量，若要提高綜合力學(xué)性能獲得最佳的強(qiáng)塑性和強(qiáng)韌性匹配可選擇Tβ-20℃進(jìn)行鍛前加熱。

表5 鍛造溫度試驗(yàn)拉伸性能理化檢測(cè)結(jié)果

圖8 鍛造溫度試驗(yàn)1/4 厚度處橫向平均室溫拉伸性能折線圖

圖9 鍛造溫度試驗(yàn)1/4 厚度處橫向平均室溫沖擊性能折線圖

從圖10 和表5 中可以看出，在同一取樣位置處，隨著鍛前加熱溫度逐漸升高(由兩相區(qū)加熱到準(zhǔn)β加熱)，試塊橫向高溫抗拉強(qiáng)度有升高的趨勢(shì)但變化不大，這說(shuō)明大而連續(xù)的條狀α 相對(duì)試塊抗拉強(qiáng)度的提升作用不大，破碎細(xì)小的條狀α 相更有利于抗拉強(qiáng)度的提高；隨著鍛前加熱溫度逐漸升高，橫向屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，塑性變化趨勢(shì)相反；在不同取樣位置處，基本表現(xiàn)為1/4 取樣厚度處強(qiáng)度高于1/2 取樣厚度處。

圖10 鍛造溫度試驗(yàn)1/4 和1/2 厚度處橫向平均高溫拉伸性能折線圖

從表6 中可以看出，試塊2-A 的斷裂韌性達(dá)到107MPa·m1/2以 上，試 塊2-B 的 斷 裂 韌 性 達(dá) 到113MPa·m1/2以上，試塊2-C 的斷裂韌性達(dá)到129MPa·m1/2以上，可滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求的80MPa·m1/2，TC32 鈦合金具有優(yōu)異的斷裂韌性。

表6 鍛造溫度試驗(yàn)斷裂韌性檢測(cè)結(jié)果

結(jié)論

⑴當(dāng)鍛前加熱溫度為T(mén)β-40℃和Tβ-20℃時(shí)，鍛件可獲得雙態(tài)組織；當(dāng)鍛前加熱溫度為T(mén)β+20℃時(shí)，鍛件可獲得網(wǎng)籃組織。

⑵當(dāng)鍛前溫度設(shè)定為T(mén)β-40℃至Tβ-20℃時(shí)，鍛件可獲得較好的綜合力學(xué)性能，且在Tβ-20℃時(shí)達(dá)到最佳強(qiáng)韌性和強(qiáng)塑性匹配。但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，較高的鍛前加熱溫度易導(dǎo)致粗晶或組織不均勻問(wèn)題，從而造成鍛件報(bào)廢，建議鍛造溫度設(shè)定為T(mén)β-40℃至Tβ-30℃。