鈦及鈦合金大規(guī)格棒材換向鐓拔工藝研究

侯 鵬，李 維，李進元，蒲 宣，王宏權(quán)，郭 征

（西部材料有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201）

0 引言

鈦及鈦合金具有熔點高、密度小及強度高等主要特點，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)中，如用于制造壓氣機盤、葉片等承受大壓力的旋轉(zhuǎn)件［1］。自由鍛是鍛制鈦及鈦合金棒材、餅材及環(huán)材等的主要加工方法之一，換向鐓拔作為自由鍛的一道工序在自由鍛造加工過程中使用廣泛，在大規(guī)格棒材加工生產(chǎn)過程中它是必須采用的一道關(guān)鍵工序。鈦及鈦合金的線膨脹系數(shù)小、抗拉強度高、金屬流動性差，所以對于大規(guī)格坯料若在加工過程中采用直墩直拔，會造成金屬變形不均勻、強度低、塑性差［2］，而采用換向鐓拔，在鍛造過程中能使得整個坯料截面獲得非常均勻的組織，從而提高產(chǎn)品的綜合性能。

1 實驗材料及實驗方法

1.1 實驗材料

實驗采用西部鈦業(yè)公司生產(chǎn)的TC4鈦合金鑄錠，鑄錠相變點為980℃～985℃，其外觀如圖1所示。鑄錠經(jīng)扒皮、取樣、探傷后切除冒口，扒皮后的成品鑄錠外徑為Φ690 mm，并經(jīng)中分鋸切后轉(zhuǎn)入后序鍛造工序。

1.2 實驗方法

鈦合金棒材鍛造溫度從開坯到成品，必須逐漸由高到低，特別是成品鍛造前的兩次加熱更應(yīng)該嚴(yán)格控制其加熱溫度和加熱時間，同時控制好終鍛溫度，變形要均勻、速度適中。

首先，鑄錠在1 150℃制坯，經(jīng)軸向拔長至方坯后，空冷修磨帶鋸下料。方坯分兩組，一組采用換向鐓拔工藝，一組采用直鐓直拔工藝。鑄錠在α＋β／β相變點以上大變形，變形抗力小，塑性高，鍛透性好，鑄造的粗大組織基本被破碎，得到較均勻、細(xì)小的纖維組織。然后在相變點以上40℃～70℃進行二火鐓拔，空冷修磨，再在兩相區(qū)采用合適的變形速度、變形程度進行反復(fù)鐓拔。最后在兩相區(qū)拔長、滾圓，鍛制成Φ200 mm的成品棒材。從成品棒材上取樣，采用同一熱處理制度退火后測試棒材的室溫、高溫力學(xué)性能，并利用實驗后的試樣進行顯微組織觀察。

圖1 TC4鑄錠外觀

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 低倍組織

圖2、圖3分別為TC4合金方坯直鐓直拔和換向鐓拔結(jié)束后的低倍組織照片。觀察圖2、圖3，可以看出低倍中均無肉眼可見的裂紋、夾雜、偏析及其他冶金缺陷，無清晰晶。這表明結(jié)合β單相區(qū)及α＋β兩相區(qū)的鍛造工藝過程較好，達到了細(xì)化晶粒、改善材料內(nèi)部組織的目的。坯料完全被鍛透，鑄錠內(nèi)部的疏松、氣泡等冶金缺陷得到有效鍛合。

將圖2與圖3對照發(fā)現(xiàn)，圖2中組織大小分布不均，有大的片狀組織，且呈一定的流線分布。說明坯料在直鐓直拔過程沿徑向從中心至邊部變形量不同，變形不均勻，存在變形死區(qū)，導(dǎo)致坯料在整個橫截面上組織大小分布不均；而圖3組織大小均勻，無大的片狀組織。說明換向鐓拔坯料變形均勻，變形死區(qū)小，組織均勻性好。

圖2 直鐓直拔的低倍組織

圖3 換向鐓拔的低倍組織

2.2 顯微組織

圖4 、圖5分別為直鐓直拔及換向鐓拔后成品棒材退火后的顯微組織。由圖4和圖5可看出：成品的顯微組織為典型的兩相區(qū)加工的雙態(tài)均勻組織，無完整的原始β晶界。圖4中等軸初生α與長條α并存分布于β轉(zhuǎn)基體上，且呈現(xiàn)一定的流向；圖5為等軸初生α均勻分布于β轉(zhuǎn)基體上。與圖4對比，圖5中的α相等軸化程度好，分布均勻，晶粒細(xì)小。造成這種差異的主要原因是：在直鐓直拔過程中，由于壓機的上、下砧與坯料之間的摩擦以及溫降等客觀因素的存在，坯料僅沿著軸向一個方向反復(fù)拔長和鐓粗，變形過程中存在變形死區(qū)，坯料內(nèi)、外存在溫差，內(nèi)、外變形抗力大小不同，最終導(dǎo)致變形不均勻；而采用換向鐓拔，可以同時交替改變軸線和棱邊，坯料的X、Y、Z三個方向均經(jīng)過了反復(fù)鐓粗和拔長，金屬流動性好，使得整個坯料獲得非常均勻的組織，晶粒細(xì)化，等軸化程度好，避免了變形不均和變形死區(qū)的形成，并且可以消除由于直鐓直拔產(chǎn)生的十字亮線所形成的剪切帶。

2.3 力學(xué)性能

圖4 直鐓直拔的顯微組織 200×

從成品棒材上取樣，按照800℃保溫90 min進行熱處理，空冷后做性能測試。表1、表2分別為直鐓直拔和換向鐓拔后成品棒材室溫下力學(xué)性能的實測值與標(biāo)準(zhǔn)值的對照表。表3和表4分別為直鐓直拔和換向鐓拔后成品棒材的高溫力學(xué)性能的實測值和標(biāo)準(zhǔn)值的對比。

從表1～表4中數(shù)據(jù)可以看出：棒材的室溫力學(xué)性能、高溫力學(xué)性能、室溫缺口及持久強度都符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且高于標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)換向鐓拔后的成品棒材的室溫力學(xué)性能等相對于直鐓直拔明顯提高。在伸長率和斷面收縮率基本保持同一水平的情況下，室溫抗拉強度提高了60 MPa～70 MPa，屈服強度提高了35 MPa～50 MPa，高溫抗拉強度提高了20 MPa～30 MPa。以上數(shù)據(jù)表明：換向鐓拔使坯料晶粒細(xì)化，強度提高。方坯在拔長過程中晶粒沿著金屬流動方向伸長而被拉長［3，4］，鐓粗時晶粒又沿著垂直方向伸長，經(jīng)過反復(fù)換向鐓拔，晶粒在伸長過程中互相交割，不斷變小，最終使晶粒得到細(xì)化。隨著塑性變形的進行，位錯密度不斷增加，晶粒不斷細(xì)化，位錯在運動時的相互交割加劇，結(jié)果即產(chǎn)生固定的割階、位錯纏結(jié)等障礙，使位錯運動的阻力增大，引起變形抗力的增加，這樣，金屬的塑性變形就變得困難，要繼續(xù)變形就必須增大外力，因此提高了金屬的強度。通常坯料在強度增加的同時，塑形、韌性會有所下降，但從表中數(shù)據(jù)可以看出，兩者數(shù)值偏差不大，說明在保持塑形、韌性基本不變的條件下，經(jīng)換向鐓拔后棒材的強度提高。

圖5 換向鐓拔的顯微組織 200×

表1 直鐓直拔Φ200 mm成品棒材室溫力學(xué)性能表

3 結(jié)論

本文通過高低倍、力學(xué)性能等實驗方法，研究和對比了兩種加工方式對鈦及鈦合金材料組織和性能的影響。實驗表明：

（1）與直鐓直拔相比，經(jīng)換向鐓拔后材料變形均勻，變形死區(qū)少；低倍組織中無大的片狀組織，顯微組織等軸化程度好，初生的α相均勻分布在β轉(zhuǎn)基體上。

（2）經(jīng)換向鐓拔后的成品棒材的綜合力學(xué)性能相對于直鐓直拔明顯提高，坯料變形均勻，晶粒細(xì)化，強度提高。

表2 換向鐓拔Φ200 mm成品棒材室溫力學(xué)性能表

表3 直鐓直拔Φ200 mm成品棒材高溫力學(xué)性能表

表4 換向鐓拔Φ200 mm成品棒材高溫力學(xué)性能表

［1］ 黃伯云，李成功.中國材料工程大典［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［2］ 王金友，葛志明，周彥邦.航空用鈦合金［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

［3］ 毛衛(wèi)民，趙新兵.金屬再結(jié)晶與晶粒長大［M］.北京：北京科技大學(xué)出版社，1993.

［4］ 樊東黎.熱處理工程師手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.