热加工工艺对叶片用TC4钛合金棒材组织与性能的影响

TC4钛合金具有高比强度、 较宽的工作温度范围和优异的耐腐蚀性能， 是制造航空发动机压气机盘、 叶片等的首选材料之一[1]，航空发动机叶片的工作条件极为复杂和苛刻， 需承受巨大的气动应力、离心应力和温度负荷作用[2]， 因而对叶片用钛合金棒材的显微组织和力学性能提出了很高的要求， 如GJB 494A-2008《航空发动机压气机叶片用钛合金棒材规范》要求叶片用TC4钛合金棒材的初α相含量不低于 25％ 。

超声波探伤检验是航空航天领域钛合金原材料验收的基本要求， 部分原材料订货标准中对探伤的要求也十分苛刻， 如 GJB 494A-2008 要求转子叶片用棒材探伤杂波水平不大于0.8mm-12ｄＢ，国内学者对钛合金显微组织与超声探伤杂波的对应关系进行了研究[3 － 7]， 发现探伤杂波的高低不仅与组织中α 相和 β 相的含量及尺寸大小有关， 还与组织的均匀性、 织构等密切相关，因此， 在钛合金研制和生产过程中， 除组织和常规性能外， 对超声探伤杂波水平也应重点关注。

目前， 国内制造叶片用TC4钛合金棒材的热加工工艺主要有精锻和轧制， 但对 2 种加工方式下TC4钛合金棒材组织和性能(包括超声探伤杂波) 的综合对比研究较少，为此， 对比分析了精锻和轧制2 种加工方式下叶片用TC4钛合金棒材的组织与性能， 并研究了精锻温度和变形量对棒材组织与性能的影响， 以期为优化热加工工艺， 制备满足 GJB494A-2008要求的叶片用TC4钛合金棒材提供参考。

1、实 验

1.1 实验材料

实验材料为经 3 次真空自耗电弧熔炼(ＶAＲ) ＋多火次墩拔锻造制备的 ϕ95mmTC4钛合金棒坯。

棒坯 β 相转变温度为 995 ℃， 化学成分如表 1 所示。

棒坯横向组织由初生等轴α相和 β 转变组织组成，为典型的双态组织， 初生等轴α相含量超过 65％ ，如图1所示。

1.2 方法与设备

将 ϕ95mmTC4钛合金棒坯切割成等长度的棒料， 按照表 2 方案进行锻造试验: ① 在 940 ℃ 分别进行两火精锻、 一火精锻 ＋ 一火轧制和两火轧制， 得到规格为 ϕ30mm的成品TC4钛合金棒材(中间道次规格均为 ϕ55 mm); ② 分别在 920、 960 ℃ 进行两火精锻试验， 得到规格为 ϕ30mm的成品TC4钛合金棒材; ③ 分别在 920、 940、 960 ℃ 进行一火精锻试验， 得到规格分别为 ϕ50、 ϕ65mm的成品TC4钛合金棒材。

沿成品TC4钛合金棒材横向 Ｒ/2 处切取金相试样和力学性能试样，金相试样经磨抛后用腐蚀剂(ＨＦ、 ＨＮＯ₃、 H₂O 体积比为 1 ∶ 3 ∶ 6) 浸蚀， 采用蔡司 Aｘｉｏ Ｖｅｒｔ. A1 倒立式显微镜观察显微组织， 利用ＩｍAｇｅ-Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ 5. 0 图像软件分析初α相含量， 每个试样至少观察 5 个视场， 取平均值，力学性能试样经 800 ℃/1. 5h/AC退火后， 采用 Ｚｗｉｃｋ Ｚ330 试验机进行室温拉伸性能测试， 采用 Ｚｗｉｃｋ Ｚ100 试验机进行 高 温 拉 伸 性 能 测 试， 采 用 Ｚｗｉｃｋ ＲＭＴ-Ｄ10(100 ｋＮ)试验机进行高温持久性能和蠕变性能测试。

采用 ＵＳＰＣ7100 型探伤仪进行水浸超声探伤检验，探头为 ＩＳＳ/Ｇ/ Ｃ 10ＭＨｚ， ϕ0.8mm 平底孔。

2、 结果与分析

2.1 精锻和轧制棒材的组织与性能对比

图 2 是在 940 ℃ 分别进行两火精锻、 一火精锻＋ 一火轧制和两火轧制后得到的 ϕ30mmTC4钛合金棒材的横、 纵向显微组织，从图 2 可以看出， 棒材均为典型的双态组织， 但不同加工方式获得的棒材α相含量、 形态、 尺寸及分布存在一定差异，两火精锻棒材的初α相含量约为 65％ ， 纵向α相拉长明显， 精锻 ＋ 轧制和两火轧制棒材的初α相含量较低， 分别约为 55％ 和 45％ ， 但纵向等轴性更，这是因为在相同的加热温度下， 精锻棒材较轧制棒材变形时间长， 锻造过程中发生了明显的温降，而轧制棒材变形时间短、 温升明显， 实际变形温度高于精锻棒材， 导致轧制棒材纵向初α相的等轴化程度更高，此外， 精锻棒材的次α相多呈碎点状或扭曲的条状分布， 而轧制棒材的次α相多呈平直的长条状分布， 这是由 2 种加工方式的特点决定的，精锻变形道次间的持续时间长， 两道次变形间隙会析出少量的次α相， 次α相在下一道次的锻造过程中会发生破碎， 进而多呈碎点状或扭曲的条状分布， 如图 2A、 2ｄ 所示，而轧制变形速度快， 组织中的次α相主要是在轧制变形结束后，在冷却过程中从 β 晶界、 α/ β 相界或 β 晶粒内高能缺陷处形成的， 且多呈平直的集束状分布， 如图2ｂ、 2ｅ 所示，与精锻 ＋ 轧制工艺相比， 两火轧制工艺的温升更为明显， 导致成品组织中初生等轴α相的含量较精锻 ＋ 轧制工艺更少， 但次α相的厚度更大， 如图 2ｃ、 2ｆ 所示。

两火精锻、 一火精锻 ＋ 一火轧制和两火轧制的ϕ30mmTC4钛合金棒材经 800 ℃/1.5h/AC退火后的室温拉伸、 高温拉伸、 高温持久和蠕变性能见表3，从表 3 可以看出， 在相同热处理条件下， 精锻和轧制棒材的室温拉伸塑性、 高温持久和蠕变性能差异较小， 但精锻棒材的室温强度和高温强度明显高于轧制棒材，这是因为精锻棒材的初α相含量略高于轧制棒材， 且次α相多呈碎点状或扭曲的条状分布， 晶粒细小， 阻碍了位错运动， 起到了细晶强化的作用。

表 4 是在 940 ℃ 分别进行两火精锻、 一火精锻＋ 一火轧制、 两火轧制后得到的 ϕ30mmTC4钛合金棒材的超声探伤杂波水平，从表 4 可以看出， 两火精锻棒材的探伤杂波水平为 ϕ0.8 mm-(9~12)ｄＢ，精锻 ＋ 轧制、 两火轧制棒材的探伤杂波水平均为ϕ0.8 mm-(12~16)ｄＢ， 小于两火精锻棒材，这是因为轧制棒材初α相含量低， 次α相的集束尺寸增加， 相界面取向差减小， 组织更加均匀， 故探伤杂波水平低，从图 2 也可以看出， 精锻棒材的等轴α 相分布不均匀， 存在α相聚集现象， 导致超声波信号散射加剧， 探伤杂波水平高于轧制棒材。

从以上组织、 性能和超声探伤杂波水平的分析可知， 精锻和轧制方式制备的棒材各有特点， 除超声探伤杂波水平稍高外， 精锻棒材的室温强度和高温强度优势明显，因此， 为进一步提高TC4钛合金精锻棒材的组织与性能匹配， 开展了精锻温度和变形量对TC4钛合金棒材组织与性能的影响研究。

2.2 精锻温度和变形量对组织与性能的影响

图 3 是按照表 2 精锻方案， 在不同温度下精锻得到的 ϕ30、 ϕ50、 ϕ65mmTC4钛合金棒材的显微组织，从图 3 可以看出， 随着精锻温度的升高， 棒材初α相含量从 920 ℃ 精锻时的约 80％ 降低到940 ℃ 精锻时的约 65％ ， 当精锻温度继续提高到960 ℃ 时初α相含量不足 50％ ， 但碎点状或扭曲的条状α相含量逐渐增多，这是因为精锻温度的升高加剧了初α相转变[8]， 使锻造过程中形成的碎点状或扭曲的次α相更多，从图 3 还可以看出，对于相同规格的TC4钛合金棒材， 精锻温度越高，初α相的分布越均匀，相同变形温度下， 精锻变形量越大， 棒材组织越细小，α相发生扭曲和聚集的不均匀现象也更为明显。

图 4 是在不同温度下精锻得到的不同规格TC4钛合金棒材经 800 ℃/1.5h/AC退火后的室温拉伸和高温拉伸性能，从图 4A、 4ｃ 可以看出， 精锻温度越低、 变形量越大， 棒材的室温拉伸和高温拉伸强度也越高， 这与组织中初α相和次α相的含量和形态有关，经 920 ℃ 精锻后的 ϕ30mm棒材， 初α相含量高， 次α相破碎明显且多呈碎点状分布， 其室温拉伸和高温拉伸强度最高，随着精锻温度的升高， 初生等轴 α 相的含量逐渐减少， 呈碎点状或扭曲条状的次生α相含量逐渐提高，但在800 ℃/1.5/AC退火条件下， 次α相的形貌并未发生明显变化， 因此影响棒材室温拉伸和高温拉伸强度的主要因素还是初生等轴α相的含量，在相同的精锻温度下， 精锻变形量越大， 晶粒尺寸越小，棒材累积的位错密度越高， 对应的强度也越高，此外， 精锻温度和变形量对TC4钛合金棒材的塑性影响并不明显， 如图 4ｂ 所示。

表 5 是在不同温度下精锻得到的不同规格TC4钛合金棒材的超声探伤杂波水平，从表 5 可以看出，920~960 ℃ 精锻的 ϕ30mmTC4钛合金棒材的探伤杂波水平为 ϕ0.8 mm-(9~12) ｄＢ， ϕ50mm棒材的探伤杂波水平为 ϕ0.8 mm-(12~16)ｄＢ， 可见相同精锻温度下 ϕ50mm棒材的探伤杂波水平低于 ϕ30 mm棒材，920 ℃精锻的 ϕ65mmTC4钛合金棒材探伤杂波水平为 ϕ0.8 mm-(12~16)ｄＢ， 但当精锻温度提高到 940 ℃和 960 ℃时， 探伤杂波水平都降低到 ϕ0.8mm-(16~20)ｄＢ， 说明相同规格的TC4钛合金棒材，

随着精锻温度的提高， 探伤杂波水平逐渐降低， 而精锻温度一定时， 变形量越大，TC4钛合金棒材的探伤杂波水平越高，这是因为超声波探伤杂波的变化与TC4钛合金棒材组织中初α相和次α相的含量、 尺寸和分布情况均有关，精锻温度越高， 精锻变形量越小，TC4钛合金棒材初α相的含量低且等轴性好， 次α相的含量高且片层较平直， 整体组织均匀性越好， 超声波探伤时信号散射越小，杂波水平越低。

从以上分析结果可知， 随着精锻温度的升高，TC4钛合金棒材的探伤杂波水平逐渐减小，但精锻温度的提高会导致初α相含量降低(会对成品叶片的疲劳性能产生不利影响[9])， 室温拉伸和高温拉伸强度下降，因此， 针对叶片用TC4钛合金棒材， 当精锻温度为 940 ℃ 时， 棒材的探伤杂波水平可以达到 ϕ0.8 mm-9ｄＢ 以下， 初α相含量可以达到 65％左右， 性能保持在较高水平， 整体组织、 性能匹配较好。

3、结 论

(1) 与轧制工艺相比， 精锻工艺制备的TC4钛合金棒材室温拉伸和高温拉伸强度优势明显， 但超声探伤杂波水平稍高。

(2) 随着精锻温度升高，TC4钛合金棒材的初生等轴α相含量逐渐减少， 室温拉伸和高温拉伸强度下降， 但超声探伤杂波水平逐渐减小，随着精锻变形量增大， 棒材晶粒尺寸逐渐减小， 室温拉伸和高温拉伸强度逐渐提高， 但组织均匀性变差， 超声探伤杂波水平增大。

(3) 精锻温度选用 940 ℃ 时，TC4钛合金棒材的组织和性能匹配较好。

参考文献 Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ

[1] 陶春虎， 刘庆瑔， 刘昌奎， 等. 航空用钛合金的失效及其预防[Ｍ]. 2 版. 北京: 国防工业出版社， 2013.

[2] 蔡建明， 曹春晓. 航空发动机钛合金材料与应用技术[Ｍ]. 北京: 冶金工业出版社， 2021.

[3] 张永红， 李永春， 曹凯.TC4钛合金板材双晶探头超声波检测[Ｊ]. 宇航材料工艺， 2012， 42(5): 72 － 75.

[4] 宋韦韦， 李本江， 宋增金， 等. ＴA15 钛合金显微组织对超声探伤底波衰减的影响[Ｊ]. 钛工业进展， 2021， 38(3): 35 － 40.

[5] 佟健， 邰文彬， 党永丰， 等. 钛合金棒材典型冶金次生缺陷超声波探伤波形特征分析[Ｊ]. 钛工业进展， 2018，35(4): 40 － 43.

[6] 李华， 马英杰， 邱建科， 等.TC4钛合金显微组织对超声波探伤杂波水平的影响[Ｊ]. 稀有金属材料与工程，2013， 42(9): 1859 － 1863.

[7] 郭凯， 杜博生， 周中波， 等. 热处理对 TC11 钛合金棒材超声波探伤的影响[ Ｊ]. 热加工工艺， 2018， 47 (14):152 － 154.

[8] Ｓｕｎ Ｓ Ｄ， Ｚｏｎｇ Ｙ Ｙ， ＳｈAｎ Ｄ Ｂ， ｅｔ Aｌ. Ｈｏｔ ｄｅｆｏｒｍAｔｉｏｎ

ｂｅｈAｖｉｏｒ Aｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆTC4ｔｉｔAｎｉｕｍ A

ｌｌｏｙ[Ｊ]. ＴｒAｎｓAｃｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ ＭｅｔAｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ ＣｈｉｎA，2010， 20(11): 2181 － 2184.

[9] 刘庆瑔.航空发动机钛合金叶片制造技术及失效分析[Ｍ]. 北京: 航空工业出版社， 2018.

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