TC18自由鍛件3t錘準(zhǔn)β鍛工藝分析及過(guò)程控制

文/李幸福，姚彥軍·陜西宏遠(yuǎn)航空鍛造有限責(zé)任公司

TC18是一種近β型鈦合金，該合金具有高強(qiáng)度、高韌性、高塑性、淬透性好、可焊性好等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)的機(jī)身和起落架上的大型承力結(jié)構(gòu)件。該材料對(duì)鍛造溫度敏感，尤其對(duì)加熱過(guò)程及鍛造過(guò)程的控制是該材料鍛造的難點(diǎn)，要得到合格的鍛件，必須在加熱及鍛造過(guò)程方面嚴(yán)格控制。在實(shí)際鍛造生產(chǎn)中，需要在準(zhǔn)β鍛下成形，使其滿足使用要求，TC18的鍛造需對(duì)來(lái)料的情況進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，不同的原材料結(jié)果所采用的鍛造方法不同。本文針對(duì)鍛件的要求對(duì)原材料按標(biāo)準(zhǔn)復(fù)驗(yàn)后，判定合格和不合格的兩種情況；進(jìn)行分析，確定不同的鍛造方案，采用不同的加熱和生產(chǎn)過(guò)程控制，最終得到所要求的組織，使其滿足使用要求。

本文以某廠所需鍛件，用不同的生產(chǎn)方案以實(shí)際生產(chǎn)情況為依據(jù)，研究TC18鈦合金準(zhǔn)β鍛的加熱及鍛造過(guò)程控制對(duì)其內(nèi)部組織的影響情況。

問(wèn)題提出

TC18是一種高合金化的鈦合金，其名義成分為T(mén)i-5Al-5Mo-5V-1Fe，Tβ轉(zhuǎn)變溫度為870℃～880℃。TC18可以在淬火和退火狀態(tài)下使用，但通常在退火狀態(tài)下使用。加熱和鍛造過(guò)程的控制是該材料生產(chǎn)的難點(diǎn)，對(duì)內(nèi)部組織和性能具有重要的作用。一些資料討論了常規(guī)鍛造溫度對(duì)TC18鈦合金組織和性能的影響，但對(duì)TC18準(zhǔn)β鍛研究較少。

TC18鈦合金在3t自由鍛錘生產(chǎn)時(shí)，在準(zhǔn)β鍛溫度下成形對(duì)合金組織性能產(chǎn)生一定的影響。其結(jié)果表明；顯微組織對(duì)溫度的影響敏感，在兩相區(qū)鍛造時(shí)，顯微組織由初生α相和β相轉(zhuǎn)變組織組成，隨鍛造溫度的升高，初生α相含量變少，尺寸增大，等軸程度增加。在相變點(diǎn)以上鍛造時(shí)若鍛造時(shí)間過(guò)長(zhǎng)得到魏氏組織。該組織相對(duì)于等軸組織，室溫和高溫強(qiáng)度增加，拉伸塑性降低，室溫沖擊降低，在相變點(diǎn)以上鍛造時(shí)若鍛造時(shí)間控制得當(dāng)可獲得均勻的網(wǎng)籃組織，該組織雖然室溫塑性不如等軸組織，但其強(qiáng)度高，高溫性能、斷裂韌性及疲勞性能都優(yōu)于等軸組織。

TC18鍛造對(duì)原材料的原始狀態(tài)（力學(xué)性能、低倍、高倍、探傷結(jié)果及KIC指標(biāo)）按標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)復(fù)驗(yàn)指標(biāo)提出較高的要求；本文針對(duì)按原材料標(biāo)準(zhǔn)復(fù)驗(yàn)后，判定合格和不合格的兩種情況；就內(nèi)部組織進(jìn)行分析；確定不同的鍛造方案；情況如下。

⑴合格的原材料是指對(duì)相關(guān)指標(biāo)復(fù)驗(yàn)后基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；（低倍、高倍、探傷）采用中間制坯＋β相變點(diǎn)上鍛造，因?yàn)橐褟?fù)驗(yàn)合格原材料低倍顯微組織比較均勻，同時(shí)為了減少相變點(diǎn)上鍛造時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而得到魏氏組織，通過(guò)相變點(diǎn)下制坯后，在相變點(diǎn)上鍛造使其內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧木W(wǎng)籃組織。

⑵不合格的原材料是指對(duì)相關(guān)指標(biāo)復(fù)驗(yàn)后不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（低倍顯微組織有初生α相和β相轉(zhuǎn)變組織組成；探傷超標(biāo)）；需在相變點(diǎn)下改鍛＋機(jī)加后檢驗(yàn)低倍、探傷＋中間制坯＋在相變點(diǎn)上鍛造；使其內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧木W(wǎng)籃組織即可。在相變點(diǎn)下改鍛，使等軸組織均勻，檢查制坯，確定是否進(jìn)行相上鍛造，并為相變點(diǎn)上鍛造提前預(yù)制進(jìn)行一定程度的變形，減少相上鍛造工步，避免出現(xiàn)魏氏組織。

如何控制加熱參數(shù)及鍛造過(guò)程使其獲得預(yù)期的組織和性能，是TC18鈦合金準(zhǔn)β鍛造的難點(diǎn)問(wèn)題。

加熱過(guò)程控制要點(diǎn)

TC18鈦合金在相變點(diǎn)上鍛造是指在加熱爐中的實(shí)際料溫應(yīng)符合準(zhǔn)β鍛造要求的溫度。

一般鈦合金鍛造采用高溫電爐加熱，爐子均勻性應(yīng)符合Ⅲ爐要求；爐溫溫差范圍在±14℃之間。對(duì)于對(duì)溫度敏感的TC18鈦合金在β鍛造的溫度偏差應(yīng)控制在±3℃；如何使其滿足上述要求，應(yīng)采用熱電偶帶料測(cè)溫與儀表對(duì)比辦法來(lái)解決上述。具體細(xì)則如下。

⑴加熱時(shí)鍛件必須用墊塊懸空加熱。墊塊高度選在50mm～80mm，并保證加熱設(shè)備處于良好生產(chǎn)狀態(tài)時(shí)方可加熱坯料；一般墊塊采用耐火磚，目的是保證坯料上下加熱均勻。

⑵坯料入爐時(shí)，儀表人員必須綁熱電偶帶料測(cè)溫，加熱時(shí)，儀表顯示溫度為工藝規(guī)定溫度，巡檢儀顯示溫度為實(shí)際爐膛料溫溫度，兩者溫度對(duì)比，允許溫度偏差范圍在±1.5℃；若溫度偏差范圍超出±1.5℃時(shí)，應(yīng)采用調(diào)整儀表溫度來(lái)保證工藝設(shè)定的要求；可調(diào)整儀表顯示溫度，直至與巡檢儀顯示為規(guī)定溫度（允許超差±3℃）；設(shè)定溫度為：相變點(diǎn)上-3℃≤T設(shè)定≤相變點(diǎn)上3℃的范圍內(nèi)。

⑶在升高溫前應(yīng)確認(rèn)鍛造設(shè)備處于完好狀態(tài)，確保相變點(diǎn)上保溫時(shí)間到時(shí)應(yīng)立即生產(chǎn)，在3t自由鍛錘生產(chǎn)時(shí)允許延長(zhǎng)保溫時(shí)間為T(mén)延≤10min。

⑷出爐時(shí)可采用光電測(cè)溫計(jì)隨時(shí)監(jiān)測(cè)料溫；保證終鍛溫度T終鍛≥750℃。

鍛造過(guò)程的控制要點(diǎn)

鍛造是對(duì)鍛件的內(nèi)部組織和性能具有重要作用的關(guān)鍵工序。如何控制在β溫度下鍛造使其獲得預(yù)期組織是TC18鈦合金準(zhǔn)β鍛的關(guān)鍵問(wèn)題。

⑴一般的鈦合金生產(chǎn)方案確定：采用改鍛→中間坯檢測(cè)→相變點(diǎn)下鍛造成形的方法，進(jìn)行材質(zhì)改鍛；改鍛后中間坯進(jìn)行100%低倍檢查、探傷和抽樣高倍檢查，合格后進(jìn)行鍛造成形。而對(duì)于不合格的原材料來(lái)說(shuō)，TC18鈦合金準(zhǔn)β鍛采用β相變點(diǎn)下＋β相變點(diǎn)上成形方法；即相變點(diǎn)下改鍛后中間坯檢查探傷；合格后成形。

⑵改鍛的主要目的：在相變點(diǎn)β下改鍛，采用鐓粗→拔長(zhǎng)，目的是使材料內(nèi)部組織均勻，細(xì)晶粒，同時(shí)通過(guò)改鍛使其尺寸接近鍛件尺寸，從而減少相變點(diǎn)上成形時(shí)間，避免得到魏氏組織。

⑶改鍛方法：鐓粗→拔長(zhǎng)。

⑷工藝流程：改鍛→中間坯機(jī)加→探傷→鍛造成形→熱處理→理化檢測(cè)。

⑸鍛造溫度的確定：Tβ-30℃改鍛；Tβ-30℃中間坯；Tβ＋15℃成形。

⑹鐓粗拔長(zhǎng)改鍛工步設(shè)計(jì)。

1)變形量的確定：20%～30%。

2)火次確定：根據(jù)原材料的狀態(tài)、鍛件重量和生產(chǎn)設(shè)備的能力確定；一般在3t自由鍛錘的生產(chǎn)重量為20kg～60kg；火次一般為2～4火完成。

3)每工步鐓拔次數(shù)變形量：采用鐓粗比1∶2，拔長(zhǎng)比1∶2。

4)中間坯鍛件尺寸確定：一般采用接近鍛件要求的尺寸，并考慮到中間檢測(cè)后不合格可以返修的形狀最好；盡可能在相變點(diǎn)上鍛造時(shí)能夠1火完成，盡可能保證較高的鍛造溫度，鍛造后的尺寸盡可能的符合最終鍛件尺寸，以減少后續(xù)的火次，中間坯尺寸需考慮最終鍛件的成形，保證在準(zhǔn)β鍛時(shí)各部位的變形量在20%～30%；一般自由鍛件中間坯寬度尺寸為鍛件寬度的85%～90%為最佳。

5)改鍛時(shí)嚴(yán)格按流線方向鍛造，最后1火變形后截面必須均勻，長(zhǎng)度尺寸必須嚴(yán)格控制。

6)生產(chǎn)前對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，保證生產(chǎn)設(shè)備處于完好狀態(tài)。

7)送進(jìn)量：每錘壓下量為中間制坯高度的1/3～1/2。

8)坯料轉(zhuǎn)移時(shí)間≤30s，終鍛溫度≥790℃；冷卻方式為鍛后空冷。

生產(chǎn)實(shí)例

生產(chǎn)鍛件的主要參數(shù)

鍛件的主要參數(shù)如表1所示。

表1 生產(chǎn)鍛件主要參數(shù)

表2 原材料化學(xué)成分理化復(fù)驗(yàn)

表3 原材料力學(xué)性能理化復(fù)驗(yàn)

⑴原材料復(fù)檢合格。

1)對(duì)原材料化學(xué)成分WT%按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)檢，結(jié)果為合格。如表2所示。

2)對(duì)原材料力學(xué)性能按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)檢，結(jié)果為合格，如表3所示。

3)低倍組織。無(wú)清晰晶，未見(jiàn)冶金缺陷，如圖1所示。低倍按圖1中1～5級(jí)直徑為φ210mm的棒料，2019年5月生產(chǎn)批次，合格。

4)高倍組織。如圖2所示，為均勻的等軸α組織。直徑為φ210mm的棒料；高倍按圖中1～3類(lèi)。

5)探傷。標(biāo)準(zhǔn)：A級(jí)；標(biāo)準(zhǔn)：按φ2.0mm平底孔，結(jié)果合格。

6)KIC標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)：≥55；實(shí)測(cè)：59.5～58.6，結(jié)果合格。

⑵原材料復(fù)檢不合格。

1)對(duì)原材料化學(xué)成分和力學(xué)性能進(jìn)行理化復(fù)檢，其結(jié)果均合格。

2)低倍組織。有清晰晶，且不均勻，標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示。直徑為φ210mm的棒料；低倍按圖3中1～5級(jí)。

3)高倍組織。如圖4所示，等軸α大小相差很大，甚至晶界處出現(xiàn)粗大條狀α相。直徑為φ210mm的棒料；高倍按圖4中1～3類(lèi)，不合格。

4)探傷。標(biāo)準(zhǔn)：A級(jí)；標(biāo)準(zhǔn)：按φ2.0mm平底孔。實(shí)測(cè)：平均雜波-6dB～-4dB，局部為-2dB，不合格。

5)KIC。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)：≥55；實(shí)測(cè)：42.7～49.3，不合格。

鍛造、熱處理、機(jī)加及檢查

⑴對(duì)于原材料不合格情況采取的鍛造方法。

1)為了使不均勻的等軸組織變均勻，同時(shí)細(xì)化組織，選取在相變點(diǎn)下30℃時(shí)改鍛，按照鐓粗比1∶2，拔長(zhǎng)比1∶2；每工步變形量為20%～30%，來(lái)確定改鍛尺寸；六鐓六拔六火完成后鍛至中間坯尺寸（中間坯尺寸確定：一般采用接近成形尺寸要求的尺寸，并考慮到中間檢測(cè)后不合格可以返修的形狀最好；保證1火完成，盡可能保證較高的鍛造溫度，以減少后續(xù)的火次，中間坯尺寸需考慮最終鍛件的成形，保證在準(zhǔn)β鍛時(shí)各部位的變形量在20%～30%）。該鍛件的中間坯尺寸確定為160mm×170mm×180mm；在保證合適變形量的情況下，反復(fù)鐓拔一方面使沿晶界分布的粗大的條狀α相可以被擊碎，同時(shí)使等軸α變得均勻且細(xì)小。

2)機(jī)加探傷，按A級(jí)進(jìn)行，合格后進(jìn)行相變點(diǎn)上鍛造（β鍛造）。

3)準(zhǔn)β鍛造按溫度按Tβ-30℃+Tβ＋15℃鍛造；工步為160mm×160mm×180mm鍛造至(130±3)mm×(190±3)mm×(180±3)mm，180mm方向?yàn)樵骶€方向；保證合適的變形量，變形量太大，則α相會(huì)球化，甚至導(dǎo)致α相超標(biāo)，變形量太小，晶界α破碎效果不佳，晶界α連續(xù)，影響塑性，所以尺寸需嚴(yán)格控制，同時(shí)相變點(diǎn)上的鍛造時(shí)間不易過(guò)長(zhǎng)防止出現(xiàn)魏氏組織。

4)熱處理按一次退火820℃，保溫180min后空冷＋二次退火620℃保溫360min后空冷。

5)機(jī)加探傷面探傷，按A級(jí)鍛件100%進(jìn)行探傷，結(jié)論為8件探傷合格；1件局部有單顯為-6dB，該件做理化解剖。

6)力學(xué)性能見(jiàn)表4、KIC見(jiàn)表5、氫分析見(jiàn)表6，低倍：符合圖1的5級(jí)；未見(jiàn)冶金缺陷，見(jiàn)圖5。高倍：符合圖2的8級(jí)，見(jiàn)圖6；放大倍數(shù)200×。

⑵對(duì)于原材料合格情況。

1)采取鍛造方法：因顯微組織比較均勻，同時(shí)為了減少相變點(diǎn)上鍛造時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而得到魏氏組織，在相變點(diǎn)下制坯。在相變點(diǎn)上鍛造，目的使其內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧木W(wǎng)籃組織即可。用相變點(diǎn)下30℃中間制坯＋相變點(diǎn)上15℃成形，中間坯尺寸確定與合格的原材料鍛造方法相同。

表4 室溫力學(xué)性能

表5 KIC

表6 氫分析

2)準(zhǔn)β鍛造溫度按Tβ-30℃＋Tβ＋15℃鍛造；工步為160mm×160mm×180mm鍛造至(130±3)mm×(190±3)mm×(180±3)mm，180mm方向?yàn)樵骶€方向；二火完成；保證合適的變形量，變形量太大，則α相會(huì)球化，甚至導(dǎo)致α相超標(biāo)，變形量太小，晶界α破碎效果不佳，晶界α連續(xù)，影響塑性，尺寸需嚴(yán)格控制，同時(shí)由于在β單相區(qū)鍛造，塑性較好，要嚴(yán)格控制鍛錘敲擊頻率。

3)熱處理后空冷機(jī)加探傷，按A級(jí)鍛件100%進(jìn)行探傷，結(jié)論為合格，理化解剖。檢查低倍和高倍；低倍組織見(jiàn)圖7；高倍組織見(jiàn)圖8；力學(xué)性能見(jiàn)表7；KIC見(jiàn)表8；氫分析見(jiàn)表9，均符合鍛件要求。

4)力學(xué)性能見(jiàn)表4、KIC見(jiàn)表5、氫分析見(jiàn)表6、低倍見(jiàn)圖3、顯微組織均合格。低倍：符合圖1的5級(jí)；未見(jiàn)冶金缺陷，見(jiàn)圖3。高倍：符合圖2的4級(jí)，見(jiàn)圖4；放大倍數(shù)200×。

結(jié)論

⑴按鍛件要求對(duì)于原材料復(fù)檢不合格的鍛造工藝為：采用改鍛＋中間坯檢查＋相上鍛造，改鍛使其組織均勻，中間坯檢查確定是否達(dá)到準(zhǔn)β鍛組織要求，相上鍛造目的是得到均勻的網(wǎng)籃組織，鍛造過(guò)程變形量要嚴(yán)格控制。

表7 室溫力學(xué)性能

表8 KIC

表9 氫分析

⑵按鍛件要求對(duì)于原材料復(fù)檢合格的鍛造工藝為：中間坯鍛造+相上鍛造，中間坯鍛造使其尺寸接近成形尺寸，從而減少相變點(diǎn)上成形時(shí)間，避免得到魏氏組織。

⑶中間坯尺寸的確定：一般采用接近鍛件成形的尺寸，并考慮到中間檢測(cè)不合格后可以返修的形狀為最佳；并且盡可能在準(zhǔn)β鍛時(shí)能夠1火完成，并保證較高的鍛造溫度，鍛造后的尺寸盡可能的符合最終尺寸要求，以減少后續(xù)的火次，中間坯尺寸需考慮最終鍛件的成形，保證在準(zhǔn)β鍛時(shí)各部位的變形量在20%～30%；一般自由鍛件中間坯生產(chǎn)時(shí)寬度尺寸為鍛件最終要求寬度的85%～90%之間。

⑷對(duì)于準(zhǔn)β鍛要嚴(yán)格控制相變點(diǎn)上鍛造時(shí)間防止出現(xiàn)魏氏組織，同時(shí)對(duì)于變形量要嚴(yán)格控制到20%～30%，變形量太大，則α相會(huì)球化，甚至導(dǎo)致α相超標(biāo)，變形量太小，晶界α相破碎效果不佳，晶界α相連續(xù)，影響塑性。合理確定中間坯尺寸，爭(zhēng)取相上鍛造1火完成；從而可得到性能要求和組織均符合標(biāo)準(zhǔn)的鍛件。