鈦合金壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片模鍛件標(biāo)準(zhǔn)與實物的顯微組織對比分析

張啟元，李亞非，霍榮偉，熊志亮，高軍，向順成

1.張家界航空工業(yè)職院 湖南張家界 427000

2.中國航發(fā)貴陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所 貴州貴陽 528000

3.長沙理工大學(xué) 湖南長沙 410000

1 序言

鈦合金具備比強(qiáng)度高、密度小、抗腐蝕性能強(qiáng)等優(yōu)點，作為結(jié)構(gòu)材料，適用于航空航天、能源等領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于各種飛機(jī)承力梁、框架等構(gòu)件，以及航空渦輪發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)盤、葉片和內(nèi)函機(jī)匣等部件上[1，2]。

渦輪發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片隨輪盤轉(zhuǎn)動過程中，對空氣做功壓縮，使壓力升高，從而為渦輪與燃燒室提供數(shù)十公斤的高速、高壓氣流，低壓壓氣機(jī)（風(fēng)扇）直接為發(fā)動機(jī)提供部分反推力。

對于壓比15以上的新型壓氣機(jī)而言，其出口溫度高達(dá)500℃左右，耦合離心載荷與氣動載荷，對材料500℃的靜強(qiáng)度、持久拉伸與疲勞拉伸性能要求極高[3，4]。因此，壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片、輪盤基本均選高溫?zé)釓?qiáng)鈦合金制造[5，6]。BT9鈦合金是蘇聯(lián)在1958年研制的熱強(qiáng)型馬氏體α＋β鈦合金，耐熱溫度500℃，成功用于米格21、蘇25等多款二代戰(zhàn)斗機(jī)配裝的渦輪燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)輪盤和葉片。BT8合金是在BT9合金成分基礎(chǔ)上經(jīng)過調(diào)整W、Si含量而設(shè)計的500℃高溫長壽命熱強(qiáng)鈦合金。

王博涵[7]、印志坤[8]等在過去大量的研究基礎(chǔ)上，通過試驗揭示：α+β鈦合金的力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度、塑性、沖擊韌度及斷裂韌度）依存于其顯微組織形態(tài)與相組成。劉書君[9]系統(tǒng)研究了熱鍛造過程的工藝參數(shù)（溫度、時間、變形速率、變形量及冷卻方式），熱處理方式與參數(shù)（退火、固溶、時效）對顯微組織的影響機(jī)制。DUTTA等[10]創(chuàng)新性地將鍛造與增材制造相結(jié)合，研究制備材料組織與性能的聯(lián)系。雖然傳統(tǒng)模鍛過程的組織、性能演化機(jī)理較清晰，但若考慮內(nèi)摩擦熱、模具熱導(dǎo)率及潤滑脂等影響，則顯微組織控制與調(diào)整更為復(fù)雜。因此，針對模鍛件的顯微組織與力學(xué)性能，制定科學(xué)、合理的檢驗要求，是鍛件產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證。

本研究挑選目前國內(nèi)在產(chǎn)的TC8合金與TC11合金制壓氣機(jī)葉片模鍛件，檢測其化學(xué)成分、顯微組織與力學(xué)性能，并將檢測結(jié)果與國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行對比，期望從國產(chǎn)與蘇聯(lián)制葉片、標(biāo)準(zhǔn)要求與實物質(zhì)量、顯微組織與力學(xué)性能的對應(yīng)關(guān)系中，厘清α+β型熱強(qiáng)鈦合金應(yīng)用于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片模鍛件的設(shè)計思路、影響因素、控制要點，從而積累航空材料的應(yīng)用經(jīng)驗，為未來新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝研發(fā)與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 研究方法與內(nèi)容

2.1 合金原材料

TC8與TC11原材料均來自寶鈦集團(tuán)采用VAR（真空熔煉）三次工藝制備的坯料。

TC11合金葉片鍛件原材料選用直徑20mm規(guī)格棒材，檢驗標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GJB 494A—2008《航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片用鈦合金棒材規(guī)范》[11]，葉片鍛件檢驗標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行HB 7726—2002《航空發(fā)動機(jī)用鈦合金葉片精鍛件規(guī)范》[12]。

TC8合金葉片鍛件原材料選用直徑24mm規(guī)格，棒材與葉片模鍛件均選用XX型號標(biāo)準(zhǔn)。

BT8、BT9鈦合金葉片用棒材均使用蘇聯(lián)航空航天標(biāo)準(zhǔn)OCT1 90006—86《制造葉片用鈦合金毛坯技術(shù)條件》，OCT1 90002—86《鈦合金葉片模鍛件技術(shù)條件》。

2.2 葉片鍛件實物

本研究選取TC8鈦合金葉片與樣機(jī)BT8葉片進(jìn)行比較，TC8鍛件葉身沿縱向結(jié)構(gòu)、橫向解剖（距葉尖1/2處、葉根處，見圖1），并砂紙打磨、拋光、HCl＋HF腐蝕液腐蝕20s后，用肉眼與光學(xué)顯微鏡檢查低倍組織與顯微組織。

圖1 葉片低倍/顯微組織取樣

3 研究結(jié)果

3.1 化學(xué)成分對比

TC8與TC11兩種鈦合金的化學(xué)成分見表1。由表1可見，兩種鈦合金化學(xué)成分的差別微小，TC8合金的Al、Si含量稍低于TC11合金，此外，TC11鈦合金含少量Zr。

表1 TC8與TC11鈦合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

Al是熱強(qiáng)鈦合金中重要的高溫強(qiáng)化元素，可強(qiáng)化α相與α′相，一般含量較高。Si、Mo是β相強(qiáng)化元素，強(qiáng)化β相。Zr為中性元素，同時強(qiáng)化α相與β相。

3.2 棒材標(biāo)準(zhǔn)對低倍組織要求

中國、蘇聯(lián)/俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)所列的葉片棒材低倍組織評級圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 葉片棒材低倍組織中國標(biāo)準(zhǔn)評級圖

圖3 葉片棒材低倍組織蘇聯(lián)/俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)評級圖

TC11合金棒材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，酸浸的低倍試樣上不允許存在氣孔、夾雜及縮孔等缺陷，且對其低倍晶粒應(yīng)進(jìn)行評級判定，對工作葉片不允許超過圖2中的2級。TC8棒材低倍組織的冶金缺陷、低倍晶粒的要求與GJB 494A—2008完全一致。

BT8、BT9合金棒材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，直徑≤50mm棒材的BT8與BT9棒材低倍組織不允許存在孔洞、偏析與夾雜等冶金缺陷與分層、裂紋等鍛造缺陷，且低倍晶粒清晰度不超過圖3中的3級。

經(jīng)比較，圖2中的2級表征：晶界幾乎完全不可見，無明顯晶粒塑性變形痕跡，可判定為典型的模糊晶低倍組織，且晶粒再結(jié)晶充分，α相球化程度高，對應(yīng)為優(yōu)良等軸組織（顯微組織）圖像。圖3中的3級可見少量保留塑性變形痕跡，可判定為等軸化程度不徹底的半模糊晶。因此，可認(rèn)為國產(chǎn)棒材標(biāo)準(zhǔn)的低倍組織要求嚴(yán)于蘇聯(lián)/俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 葉片模鍛件標(biāo)準(zhǔn)對低倍組織要求

HB 7726—2002標(biāo)準(zhǔn)對TC11合金葉片橫向低倍組織要求：不允許存在縮孔等冶金缺陷，低倍清晰晶粒等級不超過圖2中的2級。不允許存在分層、裂紋等缺陷。

TC8合金葉片模鍛件標(biāo)準(zhǔn)對低倍組織要求：不允許有裂紋、孔洞、分層、偏析級夾雜等缺陷；縱向低倍組織流線應(yīng)沿受檢面的最大外輪廓面分布，不應(yīng)存在紊流與穿流。此外，葉片在半成品狀態(tài)需進(jìn)行表面腐蝕檢查，不應(yīng)有燒傷痕跡；低倍晶粒的清晰度不應(yīng)超過圖3中的3級（允許個別區(qū)域為4級，但不超過受檢面的20%）。

BT8、BT9合金葉片模鍛件標(biāo)準(zhǔn)低倍組織要求與TC8合金完全相同。

綜合上述標(biāo)準(zhǔn)對棒材、葉片鍛件的低倍組織要求，可認(rèn)為技術(shù)細(xì)節(jié)大體相同：均不允許存在各種冶金缺陷；低倍晶粒應(yīng)為模糊晶。但也存在如下差異。

1）葉片模鍛件充型流線應(yīng)沿外輪廓分布。

2）葉片模鍛件不允許出現(xiàn)分層、折疊類鍛造缺陷。

3）葉片模鍛件低倍組織個別區(qū)域允許降低晶粒等級。

分析造成上述差異的原因在于：葉片為模鍛成形，相對于棒材的熱軋成形而言，在局部區(qū)域（榫頭、葉根）可能存在變形不均勻，沖型困難的實際情況，故適當(dāng)加強(qiáng)對流線的檢測，而略微降低晶粒清晰度等級要求。

3.4 棒材標(biāo)準(zhǔn)對顯微組織要求

GJB 494A—2008標(biāo)準(zhǔn)對TC11棒材的初生α相含量、條狀α相尺寸、塊狀α相尺寸、組織不均勻程度共4個方面加以控制：要求初生α相含量≥30%，長條狀α相尺寸≤0.06mm，塊狀α相應(yīng)不超過3級（具體形貌見圖4），組織不均勻性不得超過3級（具體形貌見圖5），顯微組織評級結(jié)果應(yīng)不超過圖6中的5級（中國標(biāo)準(zhǔn)）。

圖4 塊狀α相形貌等級

圖5 熱軋棒材不均勻性組織形貌等級

圖6 顯微組織中國標(biāo)準(zhǔn)評級圖

TC8合金棒材標(biāo)準(zhǔn)要求與TC11合金棒材要求一致。BT8合金、BT9合金棒材標(biāo)準(zhǔn)對顯微組織要求不超過圖7中的4級（蘇聯(lián)/俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)）。

圖7 顯微組織蘇聯(lián)/俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)評級圖

通過綜合比較圖4～圖7的顯微組織可發(fā)現(xiàn)，圖6、圖7的評級圖的等級由低向高演化，體現(xiàn)出隨變形量變小、變形速率降低、變形溫度升高而呈現(xiàn)出的由等軸組織向網(wǎng)籃組織和魏氏片層組織轉(zhuǎn)化的特點。伴隨α相球化程度逐漸降低，晶界α相析出逐漸連續(xù)的特征。但這種顯微組織評價方式較為籠統(tǒng)，未涉及相含量、相結(jié)構(gòu)及微區(qū)組織的要求。

反觀圖4與圖5，其分別從塊狀α相形貌、塑性變形的原始β晶粒形貌來評價顯微組織，若在配合對初生α相含量、長條α相尺寸的要求，則對等軸組織的描述與評級更加具體、科學(xué)、細(xì)致入微。

3.5 葉片模鍛件標(biāo)準(zhǔn)對顯微組織要求

TC11合金葉片模鍛件標(biāo)準(zhǔn)要求顯微組織：初生α相含量≥30%，組織均勻性不超過圖6中對應(yīng)的3級，顯微組織評級結(jié)果應(yīng)不超過圖6中的5級。TC8合金葉片與BT8、BT9合金葉片鍛件標(biāo)準(zhǔn)對顯微組織要求不超過圖7中的4級。

由此可見，TC11合金葉片模鍛件標(biāo)準(zhǔn)繼承了棒材對顯微組織的形貌與等級要求，而適當(dāng)降低了對條狀α相、塊狀α相的形貌要求，這符合標(biāo)準(zhǔn)對低倍組織要求適當(dāng)降低的原則。

3.6 實際國產(chǎn)TC8及蘇制BT8合金葉片組織檢驗

按照圖1所示的部位與方向解剖蘇聯(lián)BT8合金與國產(chǎn)TC8合金葉片模鍛件：對原產(chǎn)與仿制葉片分別進(jìn)行了橫向解剖，檢測其低倍組織與顯微組織。高低倍組織級別比較見表2，BT8與TC8合金葉片模鍛件顯微組織分別如圖8、圖9所示。

表2 TC8與BT8合金葉片高低倍組織級別比較（級）

圖8 BT8合金葉片模鍛件顯微組織

圖9 TC8合金葉片模鍛件顯微組織

從圖8可看出，不同區(qū)域的BT8鈦合金葉片組織較為均勻；橫向低倍組織均為典型模糊晶，未見裂紋等鍛造缺陷，也未見變形不均勻?qū)е碌募?xì)晶帶等異常組織。

顯微組織破碎程度高，初生α相含量約35%，呈細(xì)小、球狀彌散分布。葉身與葉根處組織基本無差別，說明葉片不同部位的變形量分布較均勻，且熱處理工藝控制得當(dāng)。

從圖9可看出，國產(chǎn)TC8合金葉片模鍛件顯微組織與BT8合金葉片組織較相似，均為細(xì)小等軸化組織，二者之間存在如下少量差別。

1）雖然TC8合金葉片葉根部位組織更細(xì)小，但初生α相分布不如BT8均勻，局部初生α相呈塊狀分布。

2）TC8合金葉片葉身部位組織保留沿流線拉長的塑性變形痕跡，條狀α相呈斷續(xù)狀分布，但尚未出現(xiàn)“蠕蟲”狀結(jié)構(gòu)（圖6中的4級、5級）。

綜上所述，可認(rèn)為國產(chǎn)TC8合金葉片的初生α含量、顯微組織等級達(dá)到了BT8合金葉片樣件水平，但組織均勻性、塊狀α相、條狀α相指標(biāo)略低于BT8合金葉片水平。

4 分析與討論

壓氣機(jī)葉片受力情況復(fù)雜，在離心拉伸載荷、氣動扭轉(zhuǎn)載荷，以及振動疲勞載荷耦合高溫的作用下，葉片易發(fā)生拉伸斷裂、疲勞裂紋、蠕變變形，因此壓氣機(jī)葉片優(yōu)選熱強(qiáng)鈦合金材料。

450℃以上長期使用的熱強(qiáng)鈦合金，從強(qiáng)化機(jī)制分為近α鈦合金（控制β相含量處于較低水平）與α＋β鈦合金（利用沉淀第二相有效強(qiáng)化β相）兩大類[13]。其中馬氏體型α＋β鈦合金依靠淬火過程形成的畸變α′與α″相強(qiáng)化β基體，以抵御高溫下應(yīng)力造成的β晶粒內(nèi)位錯滑移。

熱強(qiáng)鈦合金的強(qiáng)化機(jī)制與相結(jié)構(gòu)密切相關(guān)（見圖10）：α相為hcp類晶格結(jié)構(gòu)，滑移系少，是抵御高溫蠕變的強(qiáng)化相；β相為bcc類型晶格結(jié)構(gòu)，滑移系多、塑性好，是控制塑性的主要因素。對于馬氏體型α＋β熱強(qiáng)鈦合金而言，通過適宜的熱變形控制組織形貌，配合固溶＋時效處理控制相結(jié)構(gòu)，最終可獲得熱強(qiáng)性能優(yōu)良的顯微組織[14]。

圖10 鈦合金的α相與β相晶格結(jié)構(gòu)示意

Al、Sn是重要的α相強(qiáng)化元素，有益于提高合金組織穩(wěn)定性、高溫強(qiáng)度與抗氧化性，但不利于塑性，影響變形工藝性能。熱強(qiáng)合金的鋁當(dāng)量[Al]通常接近變形鈦合金的上限7.8%左右[15]。Mo、W、Nb屬高熔點合金元素，也是重要的β相強(qiáng)化元素，有益于提高合金抗蠕變性能，含量也較高。在長期熱暴露過程中，金屬硅化物沉淀導(dǎo)致合金脆化，塑性降低，因此TC8合金較之TC11合金不含Si元素。

熱軋棒材在鍛壓成形為葉片模鍛件過程中可能形成各種鍛造缺陷：對低壓壓氣機(jī)寬弦葉片而言，變形溫度較低或一火次形變量較大，將可能導(dǎo)致葉身出現(xiàn)細(xì)晶帶甚至微裂紋[16]；若鍛造過程潤滑不當(dāng)，則會導(dǎo)致鍛件表面出現(xiàn)重皮現(xiàn)象；若鍛造加熱過程發(fā)生“跑溫”，則會導(dǎo)致變形時低塑性魏氏組織片層間出現(xiàn)裂紋等。因此，對鍛造缺陷應(yīng)嚴(yán)格控制。然而，由于不同種類的葉片形狀各有差別，鍛造缺陷（折疊、裂紋及重皮等）形成機(jī)理不一，因此很難統(tǒng)一解剖部位進(jìn)行檢測。一般而言，按照形變量的不同選擇3個及以上橫截面進(jìn)行解剖檢測，可認(rèn)為是對鍛造缺陷以及合金組織最合理的檢測。

圖2中的1～6級，分別顯示的是高溫下變形量逐漸降低（或變形溫度逐漸升高）的形變組織的低倍形貌變化趨勢：形貌從模糊晶粒（1～2級）到保留流變痕跡的半模糊晶粒（3級）再到半清晰晶粒（4～6級），其中3～4級組織為變形過程再結(jié)晶未充分進(jìn)行，從而保留了流變痕跡的低倍組織。此組織的顯微特征為：初生α相保留被拉長的形貌，破碎程度較小，與圖6中的3級具有相似性。反觀圖6中的4級組織，屬于保留塑性流變痕跡的近網(wǎng)籃組織：α相呈“蠕蟲”狀、破碎未充分，原始β晶粒內(nèi)交錯析出二次α相，推測對應(yīng)的鍛壓條件為：一火形變量不足；變形溫度稍低；變形速率稍快。

從圖7對應(yīng)的4級不均勻組織來看，原始晶界區(qū)域的α相保留長條狀，而β相呈破碎不完全塊狀，這種不均勻組織一定程度上將遺傳給葉片鍛件，對葉片的沖擊韌度、高溫持久性能、抗高周疲勞性能將造成不利影響[17]，因此需加嚴(yán)控制。

再論標(biāo)準(zhǔn)對于組織中α相含量與形貌的控制：首先，彌散分布的初生α相是合金的增韌相，因此，30%的α相含量要求是為兼顧足夠的沖擊韌度與高周疲勞性抗力而提出的。實踐證明，30%～60%α相含量的組織，其綜合力學(xué)性能為最佳[18]。另外，就初生α相形貌而言，聚集的條狀或塊狀α相將導(dǎo)致低應(yīng)力條件下，在條狀或塊狀α相內(nèi)或α相與β相界面萌生孔洞，成為裂紋源，極大地降低合金的強(qiáng)度與韌性。因此，需嚴(yán)格控制初生塊狀α相的形貌與尺寸。

由此可見，國產(chǎn)葉片用棒材的低倍、顯微組織評級方法不僅與實際鍛壓條件相匹配，而且立足于葉片工況對性能、組織的要求，應(yīng)認(rèn)為技術(shù)要求是嚴(yán)謹(jǐn)、充分且合理的。

實際上，圖3與圖7均來自蘇聯(lián)航空標(biāo)準(zhǔn)No 1054—76《鈦合金的金相分析》[19]，為國內(nèi)鈦合金鍛造企業(yè)廣泛應(yīng)用，被簡稱為10級低倍圖與9級（圖7中未列出第7、第8、第9級組織）高倍圖。

應(yīng)指出的是，圖2與圖6、圖3與圖7的各級組織并非完全的一一對應(yīng)關(guān)系：圖2、圖3表征由于變形量持續(xù)降低對低倍組織形貌的影響。圖6、圖7的1～6級體現(xiàn)由等軸組織逐漸向晶界連續(xù)α相網(wǎng)籃組織的轉(zhuǎn)化趨勢。等軸組織的塑性、伸長率優(yōu)于網(wǎng)籃組織（雙相鈦合金組織與性能對應(yīng)關(guān)系見表3），更適合作為抵御高周疲勞破壞（高頻振動）的轉(zhuǎn)子葉片使用；后者斷裂韌度數(shù)值更高，更適合作為抵御低周疲勞破壞（拉-拉疲勞）的輪盤[20]。

表3 （α＋β）雙相鈦合金組織與力學(xué)性能的對應(yīng)關(guān)系

C8合金葉片組織相比B T8合金葉片更細(xì)小。理論上，細(xì)小組織預(yù)示其組織塑性、韌性更好，抗高周疲勞性能更優(yōu)異。然而，鈦合金材料疲勞特性也依賴于組織均勻性，TC8葉片組織均勻性是不及BT8葉片的，因此高周疲勞抗力孰優(yōu)孰劣，尚難以判定。

5 結(jié)束語

1）我國TC11合金與TC8合金為仿制蘇聯(lián)的馬氏體熱強(qiáng)鈦合金，成分、組織、性能均接近，經(jīng)（α+β）雙相區(qū)模鍛的等軸組織符合壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片承載要求。

2）TC11合金熱軋棒材標(biāo)準(zhǔn)對低倍組織、組織不均勻性、初生α相含量，以及塊狀與條狀α相形貌提出要求，項目充分且要求科學(xué)，有益于葉片質(zhì)量管控。而TC8、BT8、BT9合金熱軋棒材標(biāo)準(zhǔn)僅對低倍組織、顯微組織等級提出要求。

3）TC11合金葉片模鍛件標(biāo)準(zhǔn)對組織不均勻性、初生α相含量和顯微組織等級提出要求，而TC8、BT8、BT9合金葉片標(biāo)準(zhǔn)僅對顯微組織等級提出要求。前者更符合生產(chǎn)實際需要。

4）雖然國產(chǎn)TC8鈦合金葉片的顯微組織更細(xì)小，但組織均勻性略低于BT8合金葉片鍛件的水準(zhǔn)。