1、引言
鈦合金是二戰(zhàn)以后發(fā)展起來的新型金屬結(jié)構(gòu)材料。其主要特點(diǎn)是比重小、強(qiáng)度高，因而比強(qiáng)度高，同時(shí)具有良好的耐熱、耐腐蝕性能．是現(xiàn)代飛機(jī)受力構(gòu)件的主選材料。隨著時(shí)間的推移，鈦合金在飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量占的比例越來越大。TC4(即Ti-6AL-4V)產(chǎn)量占鈦合金總產(chǎn)量的一多半，TC4鈦合金鍛件在新型飛機(jī)中的用量亦越來越大，并且人們對(duì)鈦合金各方面性能的了解越來越清楚，對(duì)其性能要求越來越科學(xué)、準(zhǔn)確。例如，在Y7-200A鈦合金鍛件生產(chǎn)時(shí)要求全面貫徹Hβ5432-89(飛機(jī)用TC4鈦合金鍛件)標(biāo)準(zhǔn)，該航標(biāo)比公司以前執(zhí)行的技術(shù)協(xié)議要求更全面、準(zhǔn)確，僅TC4鈦合金室溫力學(xué)性能要求就不大一樣，41廠在按航標(biāo)進(jìn)行TC4鈦合金鍛件試生產(chǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有幾項(xiàng)鍛件性能指標(biāo)不合格，主要是“缺口應(yīng)力斷裂”指標(biāo)小于5小時(shí)，而該項(xiàng)指標(biāo)在以前鍛件生產(chǎn)的技術(shù)協(xié)議中并沒有要求。針對(duì)存在的問題開展了TC4鈦合金鍛件性能的工藝改進(jìn)工作。
2、TC4鍛件缺口應(yīng)力斷裂不合格原因分析
鈦合金按退火組織可分為α型、β型和α+β型三種。α型鈦合金中的鈦為密排六方晶格，稱α-Ti。β型鈦臺(tái)金中的鈦呈體心立方晶格，稱β-Ti。α-Ti強(qiáng)度高、耐熱性較好。但由于是密排六方品格，塑性較差、變形抗力較大，壓力加工較為困難。β-Ti的耐熱性較差，但工藝性好，易于加工。α-鈦合金的性能對(duì)應(yīng)于α-Ti，它的主要優(yōu)點(diǎn)是耐熱性較高，組織穩(wěn)定，缺點(diǎn)是不能熱處理強(qiáng)化。β型鈦合金的性能對(duì)應(yīng)于β-Ti，其優(yōu)點(diǎn)是工藝塑性高，加工成型容易，熱處理后能達(dá)到很高的強(qiáng)度，缺點(diǎn)是合金復(fù)雜熔煉比較困難、性能不夠穩(wěn)定、耐熱性較差、易被氣體污染。α+β型鈦合金兼有α型和β型鈦合金的優(yōu)點(diǎn)，即具有較高的耐熱性、熱加工比較容易，并能熱處理強(qiáng)化，基本相α和β的比例、性質(zhì)和形態(tài)決定合金的機(jī)械性能。包括缺口應(yīng)力斷裂指標(biāo)。
2.1 TC4鈦合金的金相組織形態(tài)特征
TC4鈦合金屬α+β型鈦合金，它的組成為Ti-6AL-4V，退火組織為α+β相，它含有6％的α穩(wěn)定元素鋁，通過固溶強(qiáng)化使d相的強(qiáng)度得到提高，釩穩(wěn)定β相的能力較小，因此退火組織中β相的數(shù)量較少，大約占7~10％。
TC4鈦合金在不同的熱處理和熱加工條件下，其基本相α、β的比例、性質(zhì)和形態(tài)是很不相同的。TC4合金的β轉(zhuǎn)變溫度在1000℃左右，若將TC4加熱到950℃，空冷后所得組織為初生α+β轉(zhuǎn)變組織，如果加熱到1100℃、空冷，則得到粗大的完全轉(zhuǎn)變的β相組織，稱為魏氏組織。如果加熱和變形聯(lián)合作用，對(duì)TC4合金的組織和性能的影響更為顯著，如果將TC4合金加熱到β轉(zhuǎn)變溫度以上，但變形較小，所得的組織的特征是原始的β晶界完整，晶粒比較粗大，晶內(nèi)的片狀(或針狀)α相按一定位相排列，即形成魏氏組織。相應(yīng)于這類組織的性能特點(diǎn)是：塑性、沖擊韌性較低，但抗蠕變能力較好。如果開始變形溫度在β轉(zhuǎn)變以上，但變形程度足夠太，則得到的魏氏組織的特征是：α相勾劃出的β晶界不同程度被粉碎，因而不完整、不清晰，條狀α相不同程度被扭曲，這種組織被稱為網(wǎng)籃狀組織。相應(yīng)于這類組織的性能特點(diǎn)是塑性、沖擊韌性較魏氏組織較好．接近或相當(dāng)于等軸細(xì)晶組織，高溫持久和蠕變性能也較好。如果加熱溫度低于β轉(zhuǎn)變溫度，而且變形程度足夠，所得組織特征是在等軸組織α相的基體上分布有一定數(shù)量的小島狀的β相或β轉(zhuǎn)變組織．即得到所謂等軸組織。這種組織的性能特點(diǎn)是綜合性能較好，特別是塑性和沖擊韌性較高。如果在α+β相區(qū)高溫部分變形后又經(jīng)高溫退火(退火溫度接近β轉(zhuǎn)變溫度)，就得到混合型組織，即在β轉(zhuǎn)變組織基體上分布一定數(shù)量的等軸α相(或初生α相)，這類組織的性能是綜合性能好。
從以上對(duì)金相組織的分析可以看出，若TC4性能下降，可能由鍛造過程中兩個(gè)環(huán)節(jié)引起：
①加熱溫度過高，達(dá)到或超過β轉(zhuǎn)變溫度；
②鍛件變形程度不夠大。
2.2從鍛造工藝上分析
TC4鈦合金如果始鍛溫度超過合金的β轉(zhuǎn)變溫度，由于β晶粒劇烈長大，鍛后形成魏氏組織。在機(jī)械性能上的反映是，鍛件的室溫塑性很低，不合技術(shù)要求，鍛造溫度對(duì)α+β鈦合金的β晶粒尺寸與室溫性能的影響是隨著溫度的提高(β相轉(zhuǎn)變以上)β晶粒變大，而延伸率和斷面收縮率變小。這種由于鍛造溫度超過合金的β轉(zhuǎn)變溫度，而使鍛件晶粒長大，塑性下降的現(xiàn)象，稱為β脆性。因此，對(duì)于α+β鈦臺(tái)金，為了避免β脆性，同時(shí)使鍛件具有良好的綜合性能，應(yīng)在其β轉(zhuǎn)變溫度以下鍛造。鈦合金的β轉(zhuǎn)變溫度不僅與合金的成份有關(guān)，而且即使同一牌號(hào)的合金其β轉(zhuǎn)變溫度也可能隨爐而異。
鈦合金變形抗力比較高，而其導(dǎo)熱性又比較差(鈦合金的導(dǎo)熱性為鋼的1/5，鋁合金導(dǎo)熱性的1/15)。因此，在合金劇烈流動(dòng)和過重錘擊下，由于變形效應(yīng)可能使鍛件個(gè)別部位的溫度顯著上升，若此溫度超過β轉(zhuǎn)變溫度，則會(huì)引起不希望的后果。
變形程度對(duì)鈦合金的性能也有影響，變形程度過大、過小都會(huì)引起晶粒粗大，造成性能下降。因此，鈦合金鍛造時(shí)，每一火的變形程度應(yīng)大于15~20％，小于85％。
由以上分析．可以初步確定出可能引起TC4鈦合金性能不合格的幾個(gè)因素：
①鍛坯加熱時(shí)溫度過高、超過了該批鍛件的β轉(zhuǎn)變點(diǎn)：
②成份偏差，致使該批鈦棒的β轉(zhuǎn)變點(diǎn)降低，使得鍛坯在正常溫度下加熱就超過了β轉(zhuǎn)變點(diǎn)：
③鍛造時(shí)單次錘擊過重，致使單次變形程度過大，從而引起局部過熱和聚集再結(jié)晶，使TC4鈦合金性能下降：
④鍛后熱處理溫度過高，使TC4鍛件溫度接近和超過了β轉(zhuǎn)變點(diǎn)。使熱處理后的鍛件組織呈魏氏組織．從而降低了鍛件性能。
3、試驗(yàn)研究
3.1試驗(yàn)參數(shù)的選取和試驗(yàn)結(jié)果
針對(duì)以上分析，改變TC4合金的鍛造工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)(試驗(yàn)參數(shù)見表1)，同時(shí)在錘上鍛造過程中，注意輕打快打。
試驗(yàn)結(jié)果：所有性能指標(biāo)均合格，其中“缺口應(yīng)力斷裂”指標(biāo)均大于5小時(shí)。
3.2試驗(yàn)結(jié)果分析
①從爐溫及始鍛溫度看，加熱溫度并沒有過高，即 使再超過20℃也能鍛制出合格鍛件；
②熔煉爐號(hào)534—102127與出問題的鍛件爐號(hào)完全一樣，在加熱溫度高20℃的條件下，仍鍛制出合格 產(chǎn)品，說明原材料無成份偏析；
③試驗(yàn)中改變了過去錘上鍛造時(shí)，單次錘擊過重的作法，輕打快打，所以這次試驗(yàn)件性能達(dá)標(biāo)，輕打快打是改善鍛件性能的一個(gè)重要因素；
④鍛后熱處理溫度比原參數(shù)降低20℃，也可能是改善鍛件性能因素的一個(gè)方面，因?yàn)閺臏囟壬峡矗魻t溫由于控溫偏差達(dá)到795℃，這就超過了HB/Z137和生產(chǎn)說明書所規(guī)定的780℃，從而導(dǎo)致鍛件性能下降。
3.3試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證
為了進(jìn)一步驗(yàn)證以上試驗(yàn)結(jié)果，又結(jié)合生產(chǎn)作了一個(gè)試驗(yàn)(試驗(yàn)參數(shù)見表2)。在錘上鍛造時(shí)，仍然注意輕打快打。
試驗(yàn)結(jié)果表明鍛件檢測(cè)全部合格，其中“缺口應(yīng)力斷裂”指標(biāo)均大于5小時(shí)。
攻關(guān)前后TC4鈦鍛件力學(xué)性能見表3
4、結(jié)論
在貫徹HB5432—89進(jìn)行TC4鈦合金鍛件生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制鍛造的工藝參數(shù)，首先應(yīng)注意在鍛造中輕打快打，降低單次錘擊變形量，第二，鍛后熱處理溫度名義值不應(yīng)達(dá)780℃，而應(yīng)在770℃以下，為了取得較好的綜合機(jī)械性能下限溫度不能低于760％，其他溫度范圍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。總之，通過對(duì)TC4鈦合金鍛造工藝參數(shù)的試驗(yàn)研究，保證了TC4鍛件的正常生產(chǎn)。
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