Ti2AlNb基合金薄壁构件热成形工艺研究

史 科，刘 洋，武增臣，李保永，范小龙

(北京航星机器制造公司，北京 100013)

目前航空航天零部件正向轻量化、复杂化、异型化方向发展，并且飞行马赫数越来越高，关键部位要求更耐热，需大量采用轻质耐高温材料.Ti2AlNb基合金具有较高的比强度、断裂韧性、蠕变抗力等综合力学性能，能在600～800℃内长时间使用，短时使用温度达1 000℃左右，是目前最具工程应用前景的金属间化合物之一，近年来已成为美国、日本等新材料领域研究的热点之一［1－4］，例如美国已利用高强高韧的Ti2AlNb 基合金与铸造γ－TiAl合金叶轮组合制成了新颖的双金属离心叶轮［5－7］.国内钢铁研究总院对 TiAl基、Ti3Al基以及Ti2AlNb基等金属间化合物合金制备处于国际先进水平，研制出综合力学性能良好的Ti2AlNb基合金［8］，与国内多家单位进行了合作研究了该类合金各种型材的锻造、轧制、钣金和连接等工艺.目前Ti2A1Nb基合金棒材、铸锭已有较为成熟材料规范，对Ti2AlNb薄板尤其是冷轧薄板的制备技术较难，其工程应用还没有开展过系统研究.

本文以Ti2A1Nb基合金的冷轧板材为研究对象，对其冷成形、焊接、热成形、热处理等工艺进行了较为系统的研究，成形出满足设计要求的加强筋及锥筒零件，为该合金的工程化应用及航空航天构件的精密成形提供了依据.

1 试验

实验材料是由钢铁研究总院提供的名义成分为(Ti－22Al－25Nb，原子数分数/%)的冷轧板材，板厚1 mm.对该材料进行了各种精密下料方式的比较分析，在JAMMES圈圆机上进行冷态卷曲试验，在ACB FCC 500T热成形机上进行热校形、热成形、热处理试验.用Leica MEF4A型显微图像分析仪(OM)进行了显微组织分析，金相腐蚀液:体积分数20%HNO3+体积分数3%HF+H2O.其原始坯料组织形态如图1所示，化学成分见表1.

图1 Ti2A1Nb基合金原始坯料微观组织

表1 Ti2A1Nb基合金化学成分(质量分数/%)

2 结果及分析

2.1 冷成形试验

Ti2A1Nb基合金加工困难，室温塑性低，冷成形易开裂且回弹严重［9］;切削力大、切削温度高、刀具磨损剧烈;含铝成分多，采用一般激光切割加工时反射率高，易对激光器造成损害.对该材料多种精密下料方式进行研究，下料效果见表2，结果显示采用高压水切割方式切割坯料外形效率高，断口质量较好.水切割的坯料形貌如图2所示，切割精度较高，断口平整无开裂.

表2 下料效果对比

在JAMMES精密卷圆机上进行Ti2A1Nb基合金冷态卷曲试验，通过调整压力、间距、辊径等参数经反复冷圈圆后仍只能圈成半圆，圈圆后形貌如图3所示.试验结果显示该材料室温塑性低、回弹严重，对于较为复杂零件的预成形需采用其他方式实现.

图2 水切割下料形貌

2.2 热成形试验

2.2.1 热成形工艺参数确定

Ti2A1Nb基合金性质活泼，高温下易脆化产生裂纹，薄板热成形工艺参数选择及工艺过程控制难度大，此前国内还没有实现过该类材料薄板热成形工程零件的研制.据文献显示［10－14］，该材料在低温区长时间加热时，亚稳态组织中B2相基体上析出次生O相板条并长大，使B2相硬化，降低了材料塑性，变形中产生开裂.Ti2A1Nb基合金的使用温度为600～800℃，因此初步选定成形温度在800℃以上不同温度条件下进行热翻边成形试验，试验结果如表3所示.结果显示该材料在835℃成形时易产生开裂，较为适合的热成形温度应不低于850℃.图4显示成形温度870℃、压下速度为0.2 mm/s条件下热成形出的加强筋零件，显示该条件下成形各部位成形效果良好.

表3 热翻边试验结果

2.2.2 热成形模具结构设计

钛铝金属间化合物使用温度高，其热成形温度也高，高温状态下零件材料与模具材料高温下热膨胀系数不同，模具结构设计需考虑尺寸缩放，缩放时按式(1)计算.最终设计的模具结构如图5所示.

式中:Lcm、Lcj分别为常温时模具、零件的名义尺寸;αm、αj分别为成形温度时模具、零件的热膨胀系数;Δt为成形温度和常温的温差.

图4 870℃、0.2 mm/s成形的加强筋

图5 锥筒热成形模具结构

2.2.3 热成形试验

对于薄壁筒形类零件，若热成形后进行焊接易产生变形，还需经校形处理，因此对于带有焊缝的零件热成形工艺设计是关键技术之一.而钛铝金属间化合物属硬质易脆化材料，焊接方式的选择与焊接工艺控制本身也较为困难.电子束焊接技术以其高能量密度、高熔透性以及焊接变形区小等优点已成为连接Ti2A1Nb基合金的一种重要方法［13，15］.

锥筒零件制造工艺流程为:水切割下料→卷圆→涂高温保护涂料→热校形→电子束焊纵缝→热翻边→热处理→取件.热校形锥筒件如图6所示.研究采用正交试验法，优选出了较佳的热校形及热成形工艺参数如下:热校形温度900℃，保温2 h，空冷;热成形温度850～900℃，压力300 kN，压下速度0.4 mm/s，保压600 s.最终获得锥筒如图7所示，结果显示零件外形良好无裂纹等缺陷.图8为热成形后的电子束焊缝局部放大形貌，结果显示采用电子束焊接焊缝窄，焊接质量较好，经热成形后未产生开裂现象.

图6 热校形锥筒

图7 热成形锥筒

图8 热成形后的电子束焊缝

2.3 热处理试验

Ti2AlNb基合金的微观组织及性能十分敏感于热机械加工和随后热处理工艺［5］，因此需对成形后的锥筒进行热处理.为防止薄壁筒体在加热过程中产生变形，热处理过程在热成形结束后在模具中保压完成，可在一次热循环内完成热成形及热处理，并可消除零件内部应力及焊接应力.根据文献［13］显示，Ti2AlNb基合金电子束焊接后经850℃×2 h空冷处理的焊后接头性能最佳，结合该材料的热成形温度分析，认为该热处理制度较为适合.

对Ti2AlNb基合金锥筒零件的尺寸(包括直径、圆度、锥度等)进行了测量，测试结果如表4所示，满足设计尺寸要求.对成形后零件力学性能进行测试分析，试验结果如表5所示，显示零件成形后本体室温拉伸性能达到原始坯料的91.1%，焊缝处室温拉伸性能达到原始坯料的81.9%，结果表明采用电子束焊接工艺获得的力学性能可满足使用要求.

表4 零件尺寸测量

表5 零件力学性能测试

3 结论

1)Ti2AlNb合金薄板采用高压水切割下料效率高、断口质量较好，其室温成形性能差，卷圆后回弹严重.

2)设计的一套热校形/热成形/热处理一体化工装模具设计方法，可在一套模具上实现以上功能，并保障了零件的尺寸精度与组织性能，实现了Ti2AlNb合金大尺寸零件的工程化应用.

3)采用900℃×2 h的热校形工艺参数可使Ti2AlNb合金薄板筒体获得较好的校形效果;采用热成形方法可加工出Ti2AlNb合金加强筋与锥筒零件，需保证热成形温度在不低于850℃.

4)获得的一套Ti2AlNb合金热成形工艺规范，奠定了工程化应用基础，可为该类材料及结构件的应用研究提供参考依据.

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