TC4-DT钛合金锻件组织与拉伸性能研究

刘 卫

(西安三角防务股份有限公司质量保证部，陕西710089)

钛合金具有比强度高、热强性好等特点，被广泛用于汽车、航空航天、舰船、电力以及化工等众多领域[1]。TC4-DT钛合金为增强国内航空能力而研制的新型中强高损伤容限型钛合金[2]。目前对于TC4-DT钛合金的研究大多集中于断裂韧性(KIC)和裂纹扩展速率(da/dn)。拉伸性能作为TC4-DT钛合金室温性能的主要指标，在保证TC4-DT钛合金锻件质量方面同样起到至关重要的作用。我公司利用不同锻造工艺参数生产某大型梁类模锻件，本文主要研究锻造工艺参数对TC4-DT钛合金锻件组织和拉伸性能的影响。

1 原材料及工艺方法

TC4-DT钛合金锻件所用原材料均使用西部超导公司生产的∅380 mm棒材，原材料化学成分和高、低倍相片分别见表1和图1。从图1可以看出，钛合金原材料高倍组织为等轴组织，原材料低倍组织均匀，无冶金缺陷，符合相关标准，可正常投产使用。TC4-DT钛合金原材料相变点参照HB 6623.1—1992淬火金相法测得，将TC4-DT钛合金原材料组织中3%以下的初生α相的淬火温度作为Tβ。TC4-DT钛合金锻件生产工序为：原材料下料→自由锻→模锻→热处理。自由锻、模锻分别在我公司31.5 MN快锻机和400 MN大型模锻液压机上进行，热处理在我公司均匀度为±5℃的台车式热处理炉进行。我公司采用3种锻造工艺生产这种梁类模锻件，工艺1：自由锻2火，锻造温度为Tβ-30℃；模锻2火，锻造温度为Tβ-30℃。工艺2：自由锻12火，锻造温度为Tβ-30℃；模锻2火，锻造温度为Tβ-30℃。工艺3：自由锻12火，锻造温度为Tβ-55℃；模锻2火，锻造温度为Tβ-55℃。3种工艺热处理制度均为：Tβ-30℃，120 min，Tβ+15℃，30 min，空冷+730℃，130 min，空冷。

2 组织与拉伸性能结果分析

2.1 TC4-DT钛合金锻件低倍组织分析

图2为3种工艺生产的TC4-DT钛合金锻件低倍相片，低倍试样均取自TC4-DT钛合金锻件的相同位置。从图2可以看出，3种工艺生产的TC4-DT钛合金锻件低倍组织均为清晰晶组织，无冶金缺陷，均符合相关技术标准。但也可以看出3种工艺所生产的TC4-DT钛合金锻件低倍也存在一定差异。

表1 TC4-DT 钛合金原材料化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition of TC4-DT titanium alloy raw material (mass fraction, %)

图1 TC4-DT 钛合金原材料高、低倍组织Figure 1 Microstructure and macrostructure of TC4-DT titanium alloy raw material

图2 TC4-DT 钛合金锻件低倍组织Figure 2 Macrostructure of TC4-DT titanium alloy forgings

工艺1中TC4-DT钛合金锻件低倍组织不均匀，且在低倍试样心部清晰可见锻造流线。这主要是因为工艺1自由锻造火次较少，在保证总变形量的前提下，每火次变形量较大，梁类锻件各部分截面不同，受力不均导致组织不均匀。锻件心部由于大的变形量，发生动态再结晶，从而使得组织细化，局部应力集中导致出现锻造流线。

工艺2中TC4-DT钛合金锻件由于锻造火次多，锻造温度较高，低倍组织比较均匀，晶粒也比较大。

工艺3中TC4-DT钛合金锻件由于锻造温度较低，阻碍了晶粒长大，使得锻件晶粒较小。

2.2 TC4-DT钛合金锻件显微组织分析

图3为3种工艺生产的TC4-DT钛合金锻件显微组织相片，显微试样均取自TC4-DT钛合金锻件的相同位置。从图3可以看出，3种工艺生产的TC4-DT钛合金锻件显微组织均为片层组织，无冶金缺陷，均符合相关技术标准。

工艺1中TC4-DT钛合金锻件变形不均匀，锻件3个位置显微组织中均出现不同含量的残余初生α相，含量均小于5%，符合相关标准要求。由于变形不均匀，锻造过程中工艺1中锻件显微组织中初生α相破碎程度也不一样，导致最终锻件的初生α相含量也不尽相同。

工艺2和工艺3中TC4-DT钛合金锻件显微组织中已经没有初生α相，可以说明锻造火次影响锻件最终组织中的初生α相含量，锻造火次增加则锻件显微组织中初生α相含量减少。

对比3种工艺的锻件显微组织可以看出，工艺3锻件显微组织中次生α相比较短小。这主要与锻造温度有关，工艺3锻件锻造温度较低，在保证相同变形量的前提下，使锻件显微组织中次生α长大的驱动力降低。

2.3 TC4-DT钛合金锻件拉伸性能分析

经热处理后，在TC4-DT锻件不同位置切取理化试料，然后测试力学性能，表2为3种工艺方法生产的TC4-DT锻件拉伸性能测试结果，测试取样部位均为锻件相同位置。由表2可见，TC4-DT钛合金锻件的力学性能指标均达到了相关标准要求。工艺1中TC4-DT钛合金锻件力学性能均高于其它两种工艺的锻件，具有较高的拉伸强度和塑性，这主要与工艺1中TC4-DT钛合金锻件显微组织中残余的初生α相有关。工艺1中TC4-DT钛合金锻件拉伸变形是在初生α相的个别晶粒中以滑移开始的，随变形量增加，滑移将占据越来越多的α晶粒，并向周围的β转变组织扩展，因而空洞形核、连接和扩展较迟，断裂前将产生更大的变形，因此拉伸性能较好[3]。但同时可以看出，工艺1中TC4-DT钛合金锻件拉伸性能相对其它两种工艺比较不均匀，与低倍、高倍组织结果一致，主要是由于锻造火次较少，变形不均匀导致的。

图3 TC4-DT钛合金锻件显微组织相片Figure 3 Microstructure picture of TC4-DT titanium alloy forgings

表2 TC4-DT 钛合金锻件拉伸性能测试结果Table 2 Tensile properties results of TC4-DT titanium alloy forgings

由表2也可以看出，工艺2中TC4-DT钛合金锻件拉伸性能数据较均匀，与低倍组织结果一致，工艺2中锻件拉伸性能强度整体优于工艺3的锻件。组织决定性能，相比工艺3，工艺2中锻件低倍组织晶粒较大，显微组织中次生α相比较长。片层组织转变组织中有较多的次生条状α相，尺寸较大的集束决定了晶体具有很大的滑移长度，因在晶界和不同位集的交界处发生滑移堵塞，从而使拉伸性能提高。

3 讨论

由于变形条件不同，TC4-DT钛合金锻件组织和拉伸性能存在较大差异。锻造火次影响锻件的组织均匀性。本文中由于TC4-DT钛合金锻件尺寸较大，锻件各部位截面相差较大，在保证相同变形量条件下，锻件各部位组织产生较大差异，拉伸

性能也不尽相同。工艺1中由于锻造火次较少，锻件组织不均匀，拉伸性能也不均匀。但工艺1中锻件锻造火次较少，显微组织中存在一定的残余初生α相，导致锻件拉伸性能提高。锻造温度对于TC4-DT钛合金锻件组织和性能也有重要影响。随着锻造温度升高，TC4-DT钛合金锻件晶粒尺寸增大，显微组织中次生α长度增加，锻件的拉伸强度升高。

4 结论

(1)锻造火次影响TC4-DT钛合金锻件的均匀性，锻造火次增加，锻件的组织和拉伸性能均匀性增加。

(2)TC4-DT钛合金锻件显微组织中残余一定量的初生α相有利于提高拉伸性能。

(3)锻造温度升高，TC4-DT钛合金锻件拉伸强度增加。

参考文献

[1] 王以华，林健，吴振清，等.钛合金的应用前景及其锻压技术[J].金属加工，2009(21)：12-28.

[2] 史小云，付宝全，王文盛，等.锻造温度对 TC4-DT 钛合金棒材力学性能及显微组织的影响[J].中国有色金属学报，2010(10)：79-82.

[3] 刘超平.热加工工艺对钛合金组织和性能的影响[D].沈阳：东北大学，2011.