熱加工工藝對葉片用TC4鈦合金棒材組織與性能的影響

韓飛孝，孫小平,2，鄭念慶,2，菅申申，史蒲英，趙小花,2，王凱旋

(1. 西部超導材料科技股份有限公司 特種鈦合金材料制備技術國家地方聯合工程實驗室，陜西 西安 710018) (2. 西北工業大學，陜西 西安 710072)

TC4鈦合金具有高比強度、較寬的工作溫度范圍和優異的耐腐蝕性能，是制造航空發動機壓氣機盤、葉片等的首選材料之一[1]。航空發動機葉片的工作條件極為復雜和苛刻，需承受巨大的氣動應力、離心應力和溫度負荷作用[2]，因而對葉片用鈦合金棒材的顯微組織和力學性能提出了很高的要求，如GJB 494A—2008《航空發動機壓氣機葉片用鈦合金棒材規范》要求葉片用TC4鈦合金棒材的初生α相含量不低于25%。

超聲波探傷檢驗是航空航天領域鈦合金原材料驗收的基本要求，部分原材料訂貨標準中對探傷的要求也十分苛刻，如GJB 494A—2008要求轉子葉片用棒材探傷雜波水平不大于0.8 mm-12dB。國內學者對鈦合金顯微組織與超聲探傷雜波的對應關系進行了研究[3-7]，發現探傷雜波的高低不僅與組織中α相和β相的含量及尺寸大小有關，還與組織的均勻性、織構等密切相關。因此，在鈦合金研制和生產過程中，除組織和常規性能外，對超聲探傷雜波水平也應重點關注。

目前，國內制造葉片用TC4鈦合金棒材的熱加工工藝主要有精鍛和軋制，但對2種加工方式下TC4鈦合金棒材組織和性能(包括超聲探傷雜波)的綜合對比研究較少。為此，對比分析了精鍛和軋制2種加工方式下葉片用TC4鈦合金棒材的組織與性能，并研究了精鍛溫度和變形量對棒材組織與性能的影響，以期為優化熱加工工藝，制備滿足GJB 494A—2008要求的葉片用TC4鈦合金棒材提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗材料為經3次真空自耗電弧熔煉(VAR)+多火次墩拔鍛造制備的φ95 mm TC4鈦合金棒坯。棒坯β相轉變溫度為995 ℃，化學成分如表1所示。棒坯橫向組織由初生等軸α相和β轉變組織組成，為典型的雙態組織，初生等軸α相含量超過65%，如圖1所示。

表1 TC4鈦合金棒坯的化學成分(w/%)

圖1 TC4鈦合金棒坯的橫向顯微組織Fig.1 Transverse microstructure of TC4 titanium alloy billet

1.2 方法與設備

將φ95 mm TC4鈦合金棒坯切割成等長度的棒料，按照表2方案進行鍛造試驗：① 在940 ℃分別進行兩火精鍛、一火精鍛+一火軋制和兩火軋制，得到規格為φ30 mm的成品TC4鈦合金棒材(中間道次規格均為φ55 mm)；② 分別在920、960 ℃進行兩火精鍛試驗，得到規格為φ30 mm的成品TC4鈦合金棒材；③ 分別在920、940、960 ℃進行一火精鍛試驗，得到規格分別為φ50、φ65 mm的成品TC4鈦合金棒材。

表2 TC4鈦合金棒材加工方案

沿成品TC4鈦合金棒材橫向R/2處切取金相試樣和力學性能試樣。金相試樣經磨拋后用腐蝕劑(HF、HNO3、H2O體積比為1∶3∶6)浸蝕，采用蔡司Axio Vert.A1倒立式顯微鏡觀察顯微組織，利用Image-Pro Plus 5.0圖像軟件分析初生α相含量，每個試樣至少觀察5個視場，取平均值。力學性能試樣經800 ℃/1.5 h/AC退火后，采用Zwick Z330試驗機進行室溫拉伸性能測試，采用Zwick Z100試驗機進行高溫拉伸性能測試，采用Zwick RMT-D10(100 kN)試驗機進行高溫持久性能和蠕變性能測試。采用USPC7100型探傷儀進行水浸超聲探傷檢驗，探頭為ISS/G/C 10MHz，φ0.8 mm平底孔。

2 結果與分析

2.1 精鍛和軋制棒材的組織與性能對比

圖2是在940 ℃分別進行兩火精鍛、一火精鍛+一火軋制和兩火軋制后得到的φ30 mm TC4鈦合金棒材的橫、縱向顯微組織。從圖2可以看出，棒材均為典型的雙態組織，但不同加工方式獲得的棒材α相含量、形態、尺寸及分布存在一定差異。兩火精鍛棒材的初生α相含量約為65%，縱向α相拉長明顯，精鍛+軋制和兩火軋制棒材的初生α相含量較低，分別約為55%和45%，但縱向等軸性更好。這是因為在相同的加熱溫度下，精鍛棒材較軋制棒材變形時間長，鍛造過程中發生了明顯的溫降，而軋制棒材變形時間短、溫升明顯，實際變形溫度高于精鍛棒材，導致軋制棒材縱向初生α相的等軸化程度更高。此外，精鍛棒材的次生α相多呈碎點狀或扭曲的條狀分布，而軋制棒材的次生α相多呈平直的長條狀分布，這是由2種加工方式的特點決定的。精鍛變形道次間的持續時間長，兩道次變形間隙會析出少量的次生α相，次生α相在下一道次的鍛造過程中會發生破碎，進而多呈碎點狀或扭曲的條狀分布，如圖2a、2d所示。而軋制變形速度快，組織中的次生α相主要是在軋制變形結束后，在冷卻過程中從β晶界、α/β相界或β晶粒內高能缺陷處形成的，且多呈平直的集束狀分布，如圖2b、2e所示。與精鍛+軋制工藝相比，兩火軋制工藝的溫升更為明顯，導致成品組織中初生等軸α相的含量較精鍛+軋制工藝更少，但次生α相的厚度更大，如圖2c、2f所示。

圖2 不同加工方式制備的φ30 mm TC4鈦合金棒材的橫、縱向顯微組織Fig.2 Transverse and longitudinal microstructures of φ30 mm TC4 titanium alloy bar under different processing methods: (a) transverse， two pass forging;(b) transverse， forging+rolling; (c) transverse， two pass rolling; (d) longitudinal， two pass forging; (e) longitudinal， forging+rolling; (f) longitudinal， two pass rolling

兩火精鍛、一火精鍛+一火軋制和兩火軋制的φ30 mm TC4鈦合金棒材經800 ℃/1.5 h/AC退火后的室溫拉伸、高溫拉伸、高溫持久和蠕變性能見表3。從表3可以看出，在相同熱處理條件下，精鍛和軋制棒材的室溫拉伸塑性、高溫持久和蠕變性能差異較小，但精鍛棒材的室溫強度和高溫強度明顯高于軋制棒材。這是因為精鍛棒材的初生α相含量略高于軋制棒材，且次生α相多呈碎點狀或扭曲的條狀分布，晶粒細小，阻礙了位錯運動，起到了細晶強化的作用。

表3 不同加工方式制備的φ30 mm TC4鈦合金棒材力學性能

表4是在 940 ℃分別進行兩火精鍛、一火精鍛+一火軋制、兩火軋制后得到的φ30 mm TC4鈦合金棒材的超聲探傷雜波水平。從表4可以看出，兩火精鍛棒材的探傷雜波水平為φ0.8 mm-(9～12)dB，精鍛+軋制、兩火軋制棒材的探傷雜波水平均為φ0.8 mm-(12～16)dB，小于兩火精鍛棒材。這是因為軋制棒材初生α相含量低，次生α相的集束尺寸增加，相界面取向差減小，組織更加均勻，故探傷雜波水平低。從圖2也可以看出，精鍛棒材的等軸α相分布不均勻，存在α相聚集現象，導致超聲波信號散射加劇，探傷雜波水平高于軋制棒材。

表4 不同加工方式制備的φ30 mm TC4鈦合金棒材超聲探傷雜波水平

從以上組織、性能和超聲探傷雜波水平的分析可知，精鍛和軋制方式制備的棒材各有特點，除超聲探傷雜波水平稍高外，精鍛棒材的室溫強度和高溫強度優勢明顯。因此，為進一步提高TC4鈦合金精鍛棒材的組織與性能匹配，開展了精鍛溫度和變形量對TC4鈦合金棒材組織與性能的影響研究。

2.2 精鍛溫度和變形量對組織與性能的影響

圖3是按照表2精鍛方案，在不同溫度下精鍛得到的φ30、φ50、φ65 mm TC4鈦合金棒材的顯微組織。從圖3可以看出，隨著精鍛溫度的升高，棒材初生α相含量從920 ℃精鍛時的約80%降低到940 ℃精鍛時的約65%，當精鍛溫度繼續提高到960 ℃時初生α相含量不足50%，但碎點狀或扭曲的條狀α相含量逐漸增多。這是因為精鍛溫度的升高加劇了初生α相轉變[8]，使鍛造過程中形成的碎點狀或扭曲的次生α相更多。從圖3還可以看出，對于相同規格的TC4鈦合金棒材，精鍛溫度越高，初生α相的分布越均勻。相同變形溫度下，精鍛變形量越大，棒材組織越細小，α相發生扭曲和聚集的不均勻現象也更為明顯。

圖3 經不同溫度精鍛的不同規格TC4鈦合金棒材的橫向顯微組織Fig.3 Transverse microstructures of TC4 titanium alloy bar with different specifications under different forging temperatures: (a) 920 ℃/φ30 mm；(b) 940 ℃/φ30 mm；(c) 960 ℃/φ30 mm；(d) 920 ℃/φ50 mm；(e) 940 ℃/φ50 mm；(f) 960 ℃/φ50 mm；(g) 920 ℃/φ65 mm；(h) 940 ℃/φ65 mm；(i) 960 ℃/φ65 mm

圖4是在不同溫度下精鍛得到的不同規格TC4鈦合金棒材經800 ℃/1.5 h/AC退火后的室溫拉伸和高溫拉伸性能。從圖4a、4c可以看出，精鍛溫度越低、變形量越大，棒材的室溫拉伸和高溫拉伸強度也越高，這與組織中初生α相和次生α相的含量和形態有關。經920 ℃精鍛后的φ30 mm棒材，初生α相含量高，次生α相破碎明顯且多呈碎點狀分布，其室溫拉伸和高溫拉伸強度最高。隨著精鍛溫度的升高，初生等軸α相的含量逐漸減少，呈碎點狀或扭曲條狀的次生α相含量逐漸提高，但在800 ℃/1.5 h/AC退火條件下，次生α相的形貌并未發生明顯變化，因此影響棒材室溫拉伸和高溫拉伸強度的主要因素還是初生等軸α相的含量。在相同的精鍛溫度下，精鍛變形量越大，晶粒尺寸越小，棒材累積的位錯密度越高，對應的強度也越高。此外，精鍛溫度和變形量對TC4鈦合金棒材的塑性影響并不明顯，如圖4b所示。

圖4 在不同溫度下精鍛的不同規格TC4鈦合金棒材的拉伸性能Fig.4 Tensile properties of TC4 titanium alloy bar with different specifications under different forging temperatures： (a，b) room temperature; (c) high temperature (T=400 ℃ )

表5是在不同溫度下精鍛得到的不同規格TC4鈦合金棒材的超聲探傷雜波水平。從表5可以看出，920～960 ℃精鍛的φ30 mm TC4鈦合金棒材的探傷雜波水平為φ0.8 mm-(9～12)dB，φ50 mm棒材的探傷雜波水平為φ0.8 mm-(12～16)dB,可見相同精鍛溫度下φ50 mm棒材的探傷雜波水平低于φ30 mm棒材。920 ℃精鍛的φ65 mm TC4鈦合金棒材探傷雜波水平為φ0.8 mm-(12～16)dB，但當精鍛溫度提高到940 ℃和960 ℃時，探傷雜波水平都降低到φ0.8 mm-(16～20)dB，說明相同規格的TC4鈦合金棒材，隨著精鍛溫度的提高，探傷雜波水平逐漸降低，而精鍛溫度一定時，變形量越大，TC4鈦合金棒材的探傷雜波水平越高。這是因為超聲波探傷雜波的變化與TC4鈦合金棒材組織中初生α相和次生α相的含量、尺寸和分布情況均有關。精鍛溫度越高，精鍛變形量越小，TC4鈦合金棒材初生α相的含量低且等軸性好，次生α相的含量高且片層較平直，整體組織均勻性越好，超聲波探傷時信號散射越小，雜波水平越低。

從以上分析結果可知，隨著精鍛溫度的升高，TC4鈦合金棒材的探傷雜波水平逐漸減小。但精鍛溫度的提高會導致初生α相含量降低(會對成品葉片的疲勞性能產生不利影響[9])，室溫拉伸和高溫拉伸強度下降。因此，針對葉片用TC4鈦合金棒材，當精鍛溫度為940 ℃時，棒材的探傷雜波水平可以達到φ0.8 mm-9dB以下，初生α相含量可以達到65%左右，性能保持在較高水平，整體組織、性能匹配較好。

表5 不同溫度下精鍛得到的TC4鈦合金棒材的超聲探傷雜波水平

3 結 論

(1) 與軋制工藝相比，精鍛工藝制備的TC4鈦合金棒材室溫拉伸和高溫拉伸強度優勢明顯，但超聲探傷雜波水平稍高。

(2) 隨著精鍛溫度升高，TC4鈦合金棒材的初生等軸α相含量逐漸減少，室溫拉伸和高溫拉伸強度下降，但超聲探傷雜波水平逐漸減小。隨著精鍛變形量增大，棒材晶粒尺寸逐漸減小，室溫拉伸和高溫拉伸強度逐漸提高，但組織均勻性變差，超聲探傷雜波水平增大。

(3) 精鍛溫度選用940 ℃時，TC4鈦合金棒材的組織和性能匹配較好。