TiAl合金鍛造工藝試驗(yàn)與驗(yàn)證

文／關(guān)紅，邰清安，汪大成·中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司

朱春雷·王紅衛(wèi)·北京鋼鐵研究總院

通過(guò)對(duì)一種TiAl合金進(jìn)行普通鍛、等溫鍛成形試驗(yàn)，以及等溫鍛不同變形速率、不同變形溫度對(duì)組織的影響試驗(yàn)研究，初步確定了TiAl合金的熱加工工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了一種TiAl合金等溫鍛造成形，為合金在新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)上工程應(yīng)用時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的選擇奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

TiAl合金具有密度低，高溫強(qiáng)度高，抗氧化性和剛性好的特點(diǎn)，同時(shí)還具有較好的抗蠕變性能。因此TiAl合金被認(rèn)為是一種理想的富有開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景的航空、航天、軍事及民用系列的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。然而，其較低的高溫塑性導(dǎo)致材料的塑性成形性非常差，使得鈦鋁合金的加工與成形非常困難，從而嚴(yán)重制約了鈦鋁合金在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。

近十幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究人員在鈦鋁合金材料的室溫塑性、斷裂韌性等力學(xué)性能及熱加工工藝性能研究方面取得了顯著的進(jìn)步，將變形γ-TiAl合金室溫抗拉強(qiáng)度提高到了800MPa，室溫拉伸塑性提高到了3%。目前國(guó)內(nèi)TiAl合金還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，還沒(méi)有形成比較系統(tǒng)的工程化的棒材、鍛件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，尚未批量生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用。未來(lái)的高推比發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)機(jī)匣、葉片等高溫部件擬采用TiAl合金材料制造，而目前國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)廠所對(duì)TiAl合金工程應(yīng)用研究較少，因此有必要開(kāi)展TiAl合金工程化的工藝試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用TiAl合金(Ti-46Al-2.5V-1.0Cr-0.3Ni)材料采用真空自耗+真空凝殼+真空自耗的組合工藝冶煉，鑄錠的成品規(guī)格為φ100mm。棒材采用兩次擠壓工藝成形，擠壓過(guò)程中采用不銹鋼作為包套材料。經(jīng)二次擠壓、車光外圓后達(dá)到所需試驗(yàn)用棒材的尺寸。試驗(yàn)用TiAl合金主要化學(xué)成分見(jiàn)表1，高倍及低倍組織見(jiàn)圖1，高倍組織為α+γ兩相雙態(tài)組織，低倍組織未見(jiàn)缺陷。

主要試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)件普通鍛造壓扁采用10MN電動(dòng)螺旋壓力機(jī)，等溫鍛造采用6.3MN四柱液壓機(jī)，加熱采用箱式電爐。

表1 TiAl合金化學(xué)成分(wt%)

圖1 棒材的高倍和低倍組織

試驗(yàn)結(jié)果與分析

涂覆材料和涂覆工藝對(duì)鍛件成形質(zhì)量的影響試驗(yàn)

⑴試驗(yàn)方案。

試驗(yàn)用玻璃潤(rùn)滑劑是由北京天力創(chuàng)玻璃科技開(kāi)發(fā)有限公司提供的，三種成分不同玻璃潤(rùn)滑劑中標(biāo)記a號(hào)的玻璃潤(rùn)滑劑為TG-6；標(biāo)記b號(hào)的玻璃潤(rùn)滑劑為P91-35m；標(biāo)記c號(hào)的玻璃潤(rùn)滑劑為Ti-1200。對(duì)三種玻璃潤(rùn)滑劑進(jìn)行加熱試驗(yàn)，根據(jù)表面殘留玻璃潤(rùn)滑劑狀態(tài)進(jìn)行效果分析，確定適合TiAl合金的最佳玻璃潤(rùn)滑劑，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

⑵試驗(yàn)結(jié)果。

1)加熱溫度1100℃，保溫20分鐘后出爐，涂覆b號(hào)玻璃潤(rùn)滑劑的出現(xiàn)粘盒現(xiàn)象；涂覆c號(hào)玻璃潤(rùn)滑劑的，在出爐10分鐘后玻璃潤(rùn)滑劑大部分脫落，20分鐘后幾乎全部脫落；涂覆a號(hào)玻璃潤(rùn)滑劑的玻璃涂層狀態(tài)良好。

2)加熱溫度1200℃，保溫加熱20分鐘后出爐，涂覆b號(hào)玻璃潤(rùn)滑劑出現(xiàn)粘盒現(xiàn)象，且表面玻璃潤(rùn)滑劑不均勻；涂覆c號(hào)玻璃潤(rùn)滑劑表面狀態(tài)較好，但局部有起層現(xiàn)象；涂覆a號(hào)玻璃潤(rùn)滑劑的玻璃涂層狀態(tài)良好。

3)綜合兩組加熱溫度的試驗(yàn)情況分析，三種玻璃潤(rùn)滑劑涂覆效果對(duì)比，a號(hào)玻璃潤(rùn)滑劑效果最佳。

普通鍛造工藝試驗(yàn)

⑴試驗(yàn)方案。

表2 涂覆材料試驗(yàn)方案

方案一：棒料表面涂玻璃潤(rùn)滑劑+石棉氈+包套+涂玻璃潤(rùn)滑劑+石棉氈，加熱溫度1200℃，保溫15～20分鐘，變形量20%。

方案二：棒料表面涂玻璃潤(rùn)滑劑+石棉氈+包套+涂玻璃潤(rùn)滑劑+石棉氈，加熱溫度1200℃，保溫120分鐘，變形量20%。

⑵試驗(yàn)結(jié)果。

兩次試驗(yàn)結(jié)果都沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目的，全部出現(xiàn)裂紋。分析原因主要是1000噸螺旋壓力機(jī)變形速率太快，不利于塑性較差的TiAl合金變形。另外普通鍛模具溫度低，坯料溫降快，導(dǎo)致壓扁時(shí)出現(xiàn)裂紋。

等溫鍛壓扁工藝試驗(yàn)

⑴試驗(yàn)方案。

制定了三個(gè)試驗(yàn)方案，選擇不同的加熱溫度和變形速率，坯料尺寸φ16mm×40mm，如表3所示。

試驗(yàn)方案一：爐外加熱溫度1200℃，加熱器溫度950℃，棒料保溫時(shí)間1.5～2小時(shí)，變形速率選擇0.02mm/s、0.05 mm/s，變形量34%～42%，試驗(yàn)件共2件。

試驗(yàn)方案二：先對(duì)棒料進(jìn)行了預(yù)熱處理，熱處理制度1280℃/12/AC+950℃/12/FC。爐外加熱溫度1250～1300℃，加熱器溫度950℃，變形速率選擇0.04mm/s，試驗(yàn)件共5件。

試驗(yàn)方案三：先對(duì)棒料進(jìn)行了預(yù)熱處理，熱處理制度1280℃/12/AC+950℃/12/FC。爐外加熱溫度1300℃，加熱器溫度950℃，棒料保溫時(shí)間1.5～2小時(shí)，變形速率選擇0.04mm/s，變形量28%，試驗(yàn)件共4件。

⑵試驗(yàn)結(jié)果。

1)壓扁試驗(yàn)件低倍組織。

方案一試樣的壓扁變形量在30%左右，冷卻到室溫后用砂輪機(jī)打磨周邊將包套去除，發(fā)現(xiàn)鍛件表面有裂紋，見(jiàn)圖2(a)。

方案二試樣由于進(jìn)行了預(yù)處理，并將加熱溫度提高了50～100℃，壓扁后狀態(tài)明顯好于方案一，但表面也有小裂紋。從方案二試樣看，加熱溫度1300℃的表面裂紋比加熱溫度1250℃少，加熱時(shí)間越長(zhǎng)表面裂紋越多，將表面裂紋拋光去除并縱向剖開(kāi)，發(fā)現(xiàn)有2件中間已存在裂紋，見(jiàn)圖2(b)。

方案三試樣在加熱溫度和變形速率相同的情況下，加熱時(shí)間越長(zhǎng)，表面狀態(tài)就越不好，見(jiàn)圖2(c)。

2)壓扁試驗(yàn)件高倍組織。

將試驗(yàn)方案二中1#試件(加熱溫度1250℃)和4#試件(加熱溫度1300℃)橫向剖開(kāi)，見(jiàn)圖3。

壓扁試樣的組織為片層團(tuán)(γ/α2)和等軸γ晶粒組成的兩相雙態(tài)組織，其中片層團(tuán)體積分?jǐn)?shù)在30%～40%。γ/α2相呈片狀組織，最大的片狀組織尺寸在70～80μm左右；白色的γ相晶粒呈等軸組織，由于壓扁后空冷，冷卻速度快，γ相晶?？绽鋾r(shí)未完全析出，高倍組織見(jiàn)圖4(a)、圖4(b)。由圖可看出兩組加熱溫度的組織狀態(tài)無(wú)明顯的差別。

通過(guò)對(duì)TiAl合金等溫鍛造不同變形速率、不同變形溫度及不同變形量對(duì)組織影響試驗(yàn)研究，初步確定了TiAl合金的熱加工工藝參數(shù)，加熱溫度不低于1200℃，試樣需進(jìn)行包套保護(hù)，防止轉(zhuǎn)移過(guò)程中溫降過(guò)快，變形速率選擇0.02～0.07mm/s比較合適，一次變形量控制在20%～30%。

表3 等溫鍛造試驗(yàn)方案

圖2 不同加熱溫度和變形速率下的壓扁試樣

圖3 試樣橫向剖開(kāi)

圖4 等溫鍛造不同加熱溫度壓扁試樣的高倍組織

鍛件設(shè)計(jì)及等溫鍛工裝研制

⑴鍛件圖設(shè)計(jì)。

葉身按葉盆、葉背最大輪廓包容后單面按1.5mm余量設(shè)計(jì)，軸桿單面余量為2.0mm，Z方向加長(zhǎng)7mm余量用于裝夾定位，鍛件圖見(jiàn)圖5。

⑵等溫鍛模具研制。

熱等靜壓成形GHF97合金模具毛坯，采用電脈沖加工成形等溫鍛用模具，承溫能力達(dá)1200℃。模具圖見(jiàn)圖6。

⑶加熱器的研制。

TiAl合金葉片等溫鍛造模具加熱器自帶控溫系統(tǒng)，并與等溫鍛模具和液壓機(jī)上下砧板連接，穩(wěn)定工作溫度為1100～1250℃。加熱器采用電阻加熱，電源采用三相四線制，380V、50Hz，額定功率約為30kW。加熱裝置的安全性能方面，設(shè)置聯(lián)鎖保護(hù)開(kāi)關(guān)，當(dāng)爐門開(kāi)啟時(shí)，自動(dòng)切斷電源，并且要使用具有接地保護(hù)或可靠絕緣操作工具、加熱裝置電熱引出棒或引出線的接線端處設(shè)有安全保護(hù)罩殼。等溫鍛模具加熱器由活動(dòng)爐門、爐體、上連接結(jié)構(gòu)、下連接結(jié)構(gòu)、控溫系統(tǒng)，記錄系統(tǒng)等構(gòu)成。

圖5 葉片鍛件圖

圖6 葉片等溫鍛模具圖

TiAl合金葉片鍛件試制

等溫預(yù)鍛試制

坯料表面涂玻璃并用5mm厚的石棉氈包裹。坯料在爐外溫度為800℃時(shí)入爐加熱升溫到1220℃，保溫3.5小時(shí)，速率0.07mm/s。等溫鍛加熱器溫度為1050℃。葉身變薄量為24.8%，軸桿變形量為21%。對(duì)預(yù)鍛件進(jìn)行吹砂、腐蝕、去除缺陷、光飾等處理。

等溫終鍛試制

預(yù)鍛件表面涂玻璃潤(rùn)滑劑，然后石棉氈包裹。在800℃時(shí)入爐加熱升溫到1220℃，保溫3小時(shí)。等溫鍛加熱器溫度為1050℃。速率0.07mm/s。鍛件取出后立刻用石棉氈包裹，防止溫降快產(chǎn)生裂紋。變形量控制在20%～40%。

鍛件質(zhì)量評(píng)估

⑴高、低倍組織。

縱向低倍組織見(jiàn)圖7，橫向高倍組織見(jiàn)圖8。低倍組織未見(jiàn)目視可見(jiàn)的裂紋、夾雜、偏析、縮孔、氣孔及其他冶金缺陷。高倍組織為(α+γ)兩相區(qū)鍛造的典型組織。

圖8 高倍組織圖

表4 性能檢測(cè)數(shù)據(jù)

⑵力學(xué)性能。

等溫壓扁件進(jìn)行室溫拉伸、高溫拉伸、高溫持久、室溫旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能檢測(cè)，具體性能指標(biāo)見(jiàn)表4，由表4可看到，室溫和高溫性能均達(dá)到較高水平。

結(jié)論

⑴涂覆材料加熱試驗(yàn)表明，標(biāo)號(hào)a牌號(hào)為TG-6的玻璃潤(rùn)滑劑更適合TiAl合金高溫加熱。

⑵普通鍛壓扁試驗(yàn)證明TiAl合金不適合普通鍛造成形。

⑶等溫鍛造試驗(yàn)表明，TiAl合金等溫鍛造成形是可行的，加熱溫度選擇1200～1250℃，試樣需進(jìn)行包套保護(hù)，防止轉(zhuǎn)移過(guò)程中溫降過(guò)快；變形速率選擇0.02～0.07mm/s比較合適，變形量控制在20%～40%。

⑷力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果表明葉片試驗(yàn)件具有良好的室溫拉伸、高溫拉伸和高溫持久性能。