鍛造工藝對航空用TC17鈦合金鍛件組織性能的影響

鍛造工藝是一種常見的加工技術(shù)，經(jīng)常利用鍛壓機使需要被鍛造的材料由于受到壓力而變形從而使原始的金屬零件轉(zhuǎn)化成為需要的尺寸和狀態(tài)，鍛造主要包含兩種類型，即鍛造和沖壓。

鍛造產(chǎn)生的金屬鍛件具有良好的性能，主要由于鍛造增加了金屬原材料的密度，避免其結(jié)構(gòu)疏松造成的不穩(wěn)定，除此之外，其保證了金屬鍛件產(chǎn)生的性能，因此被廣泛用于目前的零件加工產(chǎn)業(yè)。這些鍛造零件可以應(yīng)用于某些工作環(huán)境苛刻的設(shè)備中，可以有效抗負載，具有極高的穩(wěn)定性，因此鍛件的應(yīng)用前景廣闊。

鈦合金是一種新型的合金[1]，其主要是增加了鈦金屬的強度，同時降低了鈦金屬的密度，從而保證鈦金屬具有優(yōu)秀的耐腐蝕性能，因此有很大的應(yīng)用價值。為了更好地應(yīng)用這些材料，鍛造工藝對鍛件性能影響的研究十分必要。鍛造是利用金屬的塑性[2]，在工具的沖擊或壓力下，獲得具有特定形狀和結(jié)構(gòu)性能的塑性成形工藝。鍛造生產(chǎn)的優(yōu)勢在于，不僅可以獲得機械零件的指定形狀，而且可以改善材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高機械零件的機械性能。鈦合金鍛件廣泛用于制造中溫發(fā)動機風(fēng)扇和壓縮機葉盤。

利用鈦合金鍛件可以有效地將葉盤的結(jié)構(gòu)類型轉(zhuǎn)化，由傳統(tǒng)的多連接葉盤轉(zhuǎn)化成葉片圓盤連接型葉盤[3]，這樣可以導(dǎo)致整個葉盤的結(jié)構(gòu)不那么繁瑣，組成葉盤的材料需求也降低了，因此葉盤此時能進行保形配置，葉盤需要更好地低疲勞和抗蠕變配置。因此，本文研究了鍛造工藝對鈦合金鍛件組織和性能的影響。

1、試驗方案

1.1 整體葉盤形狀與尺寸

研究的鈦合金選用TC17 合金，該鈦合金的是 (Mo+Cr) 含量為8%，比TC4 和Ti-6242 具有更高的中溫強度，因此現(xiàn)在被廣泛地使用在其中。發(fā)動機風(fēng)扇和壓縮機集成葉盤制造可以使用鈦合金鍛件來有效地轉(zhuǎn)化葉盤的結(jié)構(gòu)類型，使其結(jié)構(gòu)由繁到簡，不僅減少了葉盤再制造生產(chǎn)時需要的工序，也降低制造葉盤的材料消耗。由于葉盤在使用過程中必須保證時刻具有彈性，因此必須要避免其由于疲勞產(chǎn)生的不可彎曲的問題。研究表明，葉盤的疲勞問題主要由葉盤的鍛造方式來改善，在鍛造時可以增加其紋理狀態(tài)太保證性能。葉盤組織受熱導(dǎo)致其性能轉(zhuǎn)變的臨界點溫度即為葉盤鍛造時需要注意的變形溫度，根據(jù)葉盤加熱變形溫度得出固定的組織，該組織稱之為三相組織，以上階段的鍛造稱為近β 鍛造。與該過程不同，葉盤組織使用極高的溫度加熱后，導(dǎo)致其性能完全受到損傷，甚至產(chǎn)生層狀結(jié)構(gòu)的過程稱為β鍛造。研究表明，本實驗研究的鈦合金TC17，使用這兩種鍛造方法鍛造出的網(wǎng)籃三相結(jié)構(gòu)更能滿足飛機發(fā)動機的技術(shù)要求。

首先，應(yīng)明確檢測整體葉盤鍛件的盤形和尺寸，如圖1 所示。

如圖1 所示，整個葉盤鍛件由試環(huán)和鼓筒安裝邊部位組成。

1.2 原材料

本試驗選用310mm×80mm 的TC17 合金，該合金的化學(xué)成分能為：5.12Al、4.14Cr、4.06Mo、2.17Sn、1.98Zr、0.01C、0.005N、0.0021H，β 相轉(zhuǎn)變溫度Tβ 為893℃。試驗用料是經(jīng)過相變點下多次鐓拔變形的均勻雙態(tài)組織。

1.3 工藝設(shè)計

為了對比TC17 合金近β 鍛和β 鍛后組織性能，設(shè)計了如下鍛造工藝路線。

第一種，坯料加熱（Tβ+25） ℃，等溫鐓粗，變形速度v=1mm/s，等變形量55%，鍛后空冷，熱處理采用800℃ ×4h，WQ+630℃ ×8h，AC。

第二種，坯料加熱（Tβ-20） ℃，等溫鐓粗，變形速度v=1mm/s，變形量40%，鍛后水冷，熱處理采用850 ℃ ×3h，AC+800℃ ×4h，WQ+630℃ ×8h，AC。

這兩種工藝方案主要的區(qū)別在于其相變點的加熱方式，以一種選用了相變點上加熱，第二種則選用相變點下加熱，兩者鍛后也不一樣，第一種鍛后選擇空冷，第二種則是水冷，熱處理為均勻化+ 固溶+ 時效。

1.4 試驗過程

在試驗過程中，首先需要將原材料進行改鍛，改鍛的環(huán)境控制在3t 范圍內(nèi)，由于改鍛的過程可能會發(fā)生其他類型的反應(yīng)，因此需要預(yù)先設(shè)置改鍛的尺寸，本文采用的鍛錘為常規(guī)鍛錘，需要將改鍛尺寸設(shè)定為250mm×120mm，尺寸輸入后需要進行改鍛的加熱處理，本試驗選取電爐進行加熱處理，設(shè)置電爐的探波數(shù)值，進行預(yù)熱處理后即可開始進行改鍛。

1.5 試驗取樣圖

根據(jù)試驗過程，選取試樣的部位進行試驗取樣，試驗取樣圖如圖2 所示。

由圖2 可知，試樣取樣分成若干步驟，不同的鍛造工藝試驗取樣的位置也不同，圖中的1、2 位置為熱穩(wěn)定取樣，5、6、7、8均為高溫拉伸取樣，4 代表疲勞取樣。

2、試驗結(jié)果與討論

2.1 不同鍛造工藝對顯微組織的影響

如圖3 所示，為近β 鍛工藝鍛件的顯微組織。其初生α 含量約20%，條狀α 沿原始β 晶界分布，原始β 晶粒尺寸較小，晶界基本破碎，為等軸α+ 條狀α+β 狀的三態(tài)組織。

圖4 為β 鍛顯微組織圖，該顯微組織可以反映相變點的熱變形量，經(jīng)過研究證明，其在某個固定溫度可以導(dǎo)致鍛造變形，從而使顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變。

由圖4 可知，試驗中的鈦合金普遍都可以經(jīng)過鍛造產(chǎn)生網(wǎng)籃反映，經(jīng)過鍛造后的鈦合金顯微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出網(wǎng)狀，容易受熱改變性質(zhì)，因此證明此時滿足鍛造條件。

2.2 不同鍛造工藝對力學(xué)性能的影響

分別使用兩種不同的鍛造工藝，即近β 鍛和β 鍛，根據(jù)這兩種鍛造工藝進行性能檢測，分別檢測室溫拉伸，高溫拉伸和熱穩(wěn)定狀態(tài)下兩種鍛造方式的性能差異，由于鍛造工藝受到金屬本身的性能影響，因此需要提前進行熱處理才能進行后續(xù)試驗，檢測結(jié)果如表1~3 所示。

由表1~ 表3 可知，兩種工藝的力學(xué)性能有較大差異，主要體現(xiàn)在斷裂韌性方面，近β 鍛的斷裂韌性相對于β 鍛來說偏小，比較容易由于受到某些刺激而產(chǎn)生斷裂，而β 鍛就比較穩(wěn)定，不容易發(fā)生斷裂，因此β 鍛比近β 鍛的性能高，適合應(yīng)用于葉盤的制造中，除此之外，進行抗疲勞試驗也是為了檢測二者的性能差異，計算二者的最大疲勞樹脂。傳統(tǒng)兩相鈦合金網(wǎng)籃組織高周疲勞較差，但TC17 合金網(wǎng)籃組織的疲勞極限強度可比較高，因此可以用作葉盤的生產(chǎn)材料。

3、結(jié)論

β 鍛工藝的鍛件強度、塑性及斷裂韌性等綜合力學(xué)性能較好，近β 鍛工藝的斷裂韌性較差，因此鈦合金發(fā)動機葉盤應(yīng)選用β 鍛造工藝鍛造。

4、結(jié)語

綜上所述，鈦合金鍛件在航空航天，醫(yī)療方面有重要應(yīng)用，其具有耐腐蝕，高強度的優(yōu)勢，研究表明，近β 鍛雖然強度和塑性優(yōu)于β 鍛，但其斷裂韌性較差。TC17 合金整體葉盤鍛造應(yīng)選用β 鍛工藝，對后續(xù)鈦合金的應(yīng)用有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 白東輝, 湯育璽. 鍛造工藝對TC17 鈦合金鍛件組織性能的影響[J]. 熱加工工藝,2020,49(23):84-86.

[2] 楊華, 高俊峰, 何琪功等. 徑向鍛造機的幾種典型主機結(jié)構(gòu)分析[J]. 鍛壓技術(shù),2021,46(06):16-32.

[3] 闞海波, 呂興龍, 李偉華等. 耐極寒OPGW 金具鍛造與熱處理工藝性能研究[J].電力信息與通信技術(shù),2019,17(08):63-69.