锻造工艺对大规格TC11钛合金环锻件的力学性能与组织影响

前言：

TC11钛合金的名义成分为Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.25Si，是一种综合性能良好的α+β型热强钛合金。 这种合金具有优异的热强性能，主要用于制作工作温度在500℃以下的关键零部件，是目前航空发动机的压 气机盘、叶片及武器装备上应用最广泛的钛合金之一［1］。本文主要针对大规格钛合金TC11环件的组织 均匀性差、力学性能匹配差等问题，通过不同变形锻造工艺对比，研究其对室温力学性能、显微组织的影响 。制定合理可行的工艺方案，从而最终获得各个部位组织均匀一致、力学性能完全符合标准及用户使用要求 的Φ640*420*45mm 大规格钛合金TC11钛环。

1、试验材料及实验方法

1.1 试验材料

试验材料选用攀钢集团攀枝花钛材有限公司的优质细颗粒海绵钛及合金原材料，真空等离子焊接的自耗 电极采用三次真空自耗电弧炉熔炼，熔炼铸锭尺寸为Φ750mm，试验材料的化学成分符合GB/T 3620-2007 标 准要求。试验材料的（α+β）/β转变温度为1025~1030℃。

1.2 试验方法

试验材料采用同一成分的铸锭，在攀钢集团攀枝花钛材有限公司江油分公司的 45MN 锻压机上锻造，执 行相同的铸锭开坯工艺后锯切平分三节后分别按A、B、C三种工艺方法进行Φ640*420*45mm大规格钛合金 TC11环件锻造，锻造变形工艺见表1。

2、试验结果与讨论

2.1 低倍组织分析

通过上述三种锻造方案锻制的大规格钛合金TC11环件的低倍组织，见图1。

从图中可以看出，工艺A锻造的大规格钛合金TC11 环件的低倍组织有明显的清晰晶，而工艺 B、C锻造 的大规格钛合金TC11环件低倍组织为模糊晶。通过β锻造开坯的坯料，经过两相区内总锻造变形超过80%后 ，低倍组织由清晰晶向模糊晶转变。

2.2 力学性能分析

大规格钛合金TC11环件经 950℃/1.5h.AC+530℃/6h.AC 热处理后，分别在三种锻制工艺得到的成品 环件的外边缘、中心、内边缘位置取横向试样，见图2，进行室温力学性能检测，检测结果见表2。从表2可 以看出，工艺A锻造的大规格钛合金TC11环件在同一截面相邻的各部位力学性能差异较大，中心部位的强度 及塑性都高于环件内外边缘，中心与环件内外边缘相比较，抗拉强度相差约为25MPa。经分析认为，这是由 于锻造变形（镦粗、扩孔）过程中心部位变形更充分，组织更细小。而按工艺B、C锻制的大规格钛合金TC11 环件同一截面上内边缘、中心、外边缘各点力学性能均无明显差异，环件整体力学性能均匀性较好，抗拉强 度差小于 10MPa。工艺 B、C 锻制的大规格钛合金TC11钛环室温力学性能明显优于工艺 A 锻制的大规格钛 合金TC11环件。分析原因为工艺B、C在两相区内变形量相同且高于工艺A，各个部位的变形更充分，组织更 均匀、更细小。而细小组织可以起到“细晶强化”作用［2］。

2.3 显微组织分析

分别对上述三种锻造工艺所得到的成品环件在其对应的内边缘、中心、外边缘各点取横向试样，得到各 部位的显微组织，如图3所示：从图3中可以看出，按工艺A锻制的大规格钛 合金TC11环件在同一截面上内、外边缘的组织为少量等轴α+大量长条α+转变β，中心组织为大量等轴α +少量长条α+转变β，因中心部位含有大量的等轴α其塑性相对较高；工艺B锻制的大规格钛合金 TC11 环 件在同一截面上内、外边缘为等轴α+转变β，初生α含量在50%左右，心部为等轴α+拉长α+转变β，初生 α含量在30%左右，认为心部拉长α的产生原因为环件在镦粗过程中，其心部变形剧烈，温度升高造成的组 织晶粒长大；工艺C锻制的大规格钛合金TC11环件在同一截面上为均匀的等轴α+短棒状α+转变β，初生α 含量在

30~40%之间，认为减少“镦粗-扩口”的变形过程，能有效防止心部温度剧烈升高，变形均匀性更好， 其组织均匀性优于工艺 A、B。工艺 B、C 有较高的机械力学性能是由于具有特殊组织形态有关，该组织的 特点是在转变β基体上分布着等轴α及短棒状α，能提高材料的机械力学性能［3］。

这是由于工艺B、C锻制的大规格钛合金TC11环件在两相区内变形更充分，锻造过程变形均匀，且变形量 大于80%，已满足把单相区不均匀变形生产的少部分的不均匀组织进行充分的变形，所以得到了组织均匀性 好的 TC11 合金Φ640*420*45mm大规格钛合金TC11环件。

3、结论

（1）通过β锻造开坯（变形量大于60%）和两相区内大变形，变形量大于 80%的锻造工艺，可以获得组 织均匀性好、力学性能完全符合标准及用户使用要求的φ640*420*45mm大规格钛合金TC11环件。

（2）大规格钛合金TC11环件在两相区锻造后进行多重退火（950℃/1.5h.AC+530℃/6h.AC），可以获 得具有等轴初生α+短棒状α+转变β，初生α含量在30~50%之间的组织，具有足够高的塑性，满足使用要求 。

（3）在两相区内成品锻造工艺取采用“拔长（变形≥70%）→镦粗→冲孔→扩孔、整形”相比“拔长（ 变形≥50%）→镦粗→冲孔→扩孔、整形→镦粗→扩孔、整形”，其锻造变形流程缩短，操作难度减低。

参考文献

［1］《中国航空材料手册》编辑委员会 ，《中国航空材料手册》第2版第4卷，2002.（1）

［2］ 王小龙，董洁，权亚平，白文 辉.TC11 钛合金Φ320mm棒材锻造工艺研究.中国钛业，2011，（3）

［3］ 王莹，何明，张宝昌.β和近β热 处理对TC11钛合金组织和性能影响的研究.稀有金属，1986，（6）

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