Ti3Al合金叶片锻造工艺研究（上）

文/邰清安，周浩浩，关红，王丹·沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司技术中心

Ti3Al合金叶片锻造工艺研究（上）

文/邰清安，周浩浩，关红，王丹·沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司技术中心

邰清安，研究员级高级工程师，现任中航工业黎明首席技术专家，中航发动机模锻专业首席专家，中航工业高温合金专业一级专家。曾获得国防工业、冶金部、航空部、航空工业总公司、中航工业科技进步一等奖、二等奖、三等奖数十项，发明和实用新型专利数十项，在国内期刊发表科技论文数十篇。

本文通过压扁试样和叶片不同锻造温度、不同变形量及不同热处理温度对Ti3Al合金组织、性能影响的分析和等温锻造成形试验，确定了Ti3Al基合金叶片的锻造工艺参数，并试制出叶片典型件，测试出基本性能和组织，实现了金属间化合物叶片锻件的锻造成形，为结构设计和研制生产奠定了技术基础。

Ti3Al具有耐高温、抗氧化和密度低（4.7g/cm3）的特点，而且弹性模量、抗蠕变性能比钛合金好得多，密度只有镍基合金一半。因此，它与其他TiAl系合金一样被认为是一种理想的富有开发应用前景的航空、航天、军事及民用的新型高温结构材料。国内相关合金近十几年来在塑化、韧化方面取得了重大进展，合金的室温塑性、断裂韧性和冲击韧性等指标达到国际领先水平，现已在我国航天领域多项工程中得到应用。未来的高推比发动机高压压气机机匣、叶片等高温部件有可能采用Ti3Al基合金制造，而目前各单位对TiAl系合金，包括塑性较好的Ti3Al的工程化研究均显不足，因此有必要对其进行进一步工程化应用工艺试验。

试验材料

试验用Ti3Al基合金材料采用三次真空电弧自耗熔炼工艺，铸锭成品规格为φ220mm。在开坯锻造前进行了均匀化处理，三镦三拔后改锻成φ95mm的棒坯；再经二火轧制、车光外圆后达到所需φ28mm的棒材。试验材料相变点1100℃，各化学成分含量如下：Al-12.03%，Nb-30.17%，O-0.064%，N-0.0068%，H-0.0008%，Ti-余量。高低倍组织见图1，高倍组织为三相双态组织，其中α2体积百分含量在15%～20%，低倍组织未见缺陷。

试验结果与分析

锻造工艺性试验

⑴试验方案。

采用两种变形量的楔形试样在压力机上进行压扁试验，大变形的楔形试样变形量按0%～80%，试样尺寸由20mm递减到4mm，压扁到（4±0.5）mm，试样编号为1～4；小变形的楔形试样变形量按0%～30%，试样尺寸由11.5mm递减到7.5mm，压扁到（7.5±0.5）mm，试样编号为6～9。变形温度分别取（1000±10）℃、（1020±10）℃、（1040±10）℃、（1060±10）℃，试验方案见表1，楔形试样表面喷涂高温合金用玻璃润滑剂GDS-17。

图1 棒材的高倍和低倍组织图

表1 楔形试样试验要求

楔形试样热处理为1040℃固溶→保温2h→油冷→850℃时效→保温16h→空冷。每组锻件纵向切开，一半作低倍组织检查，另一半按5%～80%的变形量切取高倍组织试样进行高倍组织检查，通过高倍组织分析确定最佳的锻造加热温度和变形量。

⑵试样低倍组织。

图2 所示为4组变形温度下不同变形量的楔形试样低倍组织图。加热温度低于1020℃和变形量超过70%时出现了锻造裂纹（图3），说明变形量超过70%时不易锻造，加热温度也应控制在1020℃以上。

图2 不同变形温度的楔形试样低倍组织

图3 不同变形量的低倍组织

⑶高倍组织。

由图4可看到，加热温度为1040℃和1020℃的组织比较均匀，变形量在70%以下均无裂纹产生。从获得均匀的组织考虑，Ti3Al基合金叶片的锻造变形程度选择在70%以下、加热温度选1020℃更为适宜。

图4 不同温度、变形量的高倍组织图

《Ti3Al合金叶片锻造工艺研究（下）》见2016年第5期