β锻造工艺对TC17钛合金显微组织的影响

赵兴东，魏 鑫，曾卫东，贺胜通，徐建伟

(1. 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110043)(2.西北工业大学 凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710072)

0 引 言

航空发动机需要在高温、高压、高转速条件下长时间服役，对其压气机盘件性能的要求很高。随着发动机设计理念的发展，压气机盘件由传统的静强度设计理念转变为重视韧性及裂纹扩展抗力的损伤容限设计理念[1]。传统的α+β两相区锻造已无法满足压气机盘件对钛合金的性能要求。β锻造可在不显著降低塑性的前提下，大幅度提高钛合金的韧性及抗裂纹扩展能力，而且β锻造工艺还具有变形抗力低、金属流动性好、热加工性好等特点。因此，钛合金β锻造得到了业界的广泛关注，并进行了针对性研究。例如，Weiss等人[2]研究发现β型钛合金在单相区变形时的组织演变是由动态回复和动态再结晶机制控制，可通过合理控制β单相区的加工工艺获得细小的β再结晶晶粒。张赛飞等人[3]研究了TC17钛合金β锻造的高周疲劳性能，发现β锻造后TC17钛合金的高周疲劳极限达到544 MPa，满足航空发动机对高周疲劳性能的要求。樊江昆等人[4]研究了Ti-7333合金在β锻造过程中的组织演变，指出动态再结晶的体积分数随变形温度的升高和应变速率的下降而增加，而应变速率的提高可以促进晶粒细化。相关研究虽然对钛合金在单相区变形过程中的工艺组织关系有一定的指导作用，但并没有针对其工程应用进行系统的研究。TC17是一种近β型两相钛合金，具有高强、高韧、高淬透性等特点，最高使用温度达到400 ℃，该合金目前已被广泛应用于制造航空发动机转动件。本研究采用TC17钛合金圆柱进行镦粗试验，研究变形量和变形速率对其微观组织的影响规律，以期获得符合实际工程应用的 TC17钛合金β锻造工艺。

1 实 验

实验所用的原材料是由西部超导材料科技股份有限公司提供的TC17钛合金棒材，其名义成分为Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr。通过金相法测得合金相变点为890 ℃，原始组织见图1。由图1可见，原始组织为典型的等轴组织，初生α相均匀地分布在β转变基体上，其尺寸4～5 μm，含量约25%。

图1 TC17钛合金棒材的原始组织Fig.1 Initial microstructure of TC17 titanium alloy bar

β锻造工艺实验在贵州安大航空锻造有限责任公司进行，热压缩前TC17钛合金圆柱坯料尺寸为φ100 mm×150 mm，倒圆角为R10。锻前将圆柱坯料加热至920 ℃，保温1 h，使坯料的组织全部转变为β相，然后在8000T液压机上镦粗变形，锻后空冷。为了研究不同变形量和变形速率对显微组织的影响规律，进行变形量分别为40%、60%、80%, 变形速率分别为2、0.5、0.1 mm/s的锻造。

将锻后的饼坯沿轴线对半剖切，然后切取金相试样。圆饼镦粗过程中由于摩擦的影响产生不均匀变形，坯料各个部位应变大小不同。为了更好地对比工艺参数对组织的影响，金相试样均取自名义真应变与变形量保持一致的位置，本研究中40%、60%、80%变形量的名义真应变分别为0.51、0.92、1.6。通过DEFORM软件模拟确定的相同名义真应变的取样位置如图2虚线所示。金相腐蚀液配比为V(H2O)∶V(HNO3)∶V(HF)= 10∶3∶1，试样腐蚀后采用OLYPLUS/PMG3光学显微镜观察组织。采用Image Pro Plus软件对晶界α相的球化程度以及β再结晶程度进行定量统计。

图2 不同变形量的取样位置示意图Fig.2 Schematic diagrams of sampling positions at different height reductions: (a)40%； (b)60%; (c)80%

2 结果与讨论

2.1 40%变形量时不同变形速率下的微观组织

当变形量为40%时，不同变形速率下的TC17钛合金微观组织见图3。由图3可以看出，在40%的变形量下，变形速率对显微组织的影响不大，呈现出相似的变形特征。由于变形量较小，原始β晶粒承受少量变形，β晶粒接近于原始的等轴状态，晶界α相由于变形的作用发生了一定程度的弯折，个别的地方晶界α相断开，晶内分布着编织较好的网篮组织，片状α相平直、细长，表明晶内的α相基本没有承受变形。从图3还可以看出，晶界α相发生了一定程度的弯折，这是由于原始β晶粒在β锻造过程中承受了一定的变形，各β晶粒之间为了保持变形协调β晶界会发生一定程度的弯折变形，随后在锻后冷却过程中析出的晶界α相勾勒出弯折的β晶界形态[5]。由于变形量较小，TC17钛合金材料在α+β相区几乎没有承受变形，所以晶界α相几乎沿晶界连续分布，晶内的片状α相平直、细长，没有变形的痕迹。

图3 40%变形量时，不同变形速率下TC17钛合金的微观组织Fig.3 Microstructures of TC17 titanium alloy with different deformation rates at the height reduction of 40%: (a)0.1 mm/s; (b)0.5 mm/s; (c)2 mm/s

2.2 60%变形量时不同变形速率下的微观组织

当变形量为60%时，不同变形速率下的TC17钛合金微观组织见图4。由图4可见，当变形量增加到60%时，变形速率对显微组织有比较显著的影响。当变形速率为0.1 mm/s时，原始β晶粒沿压缩轴垂直方向被拉长，晶界由于变形的作用发生较大程度的弯折，晶界α相因承受变形破碎明显，个别的晶界α相甚至发生了球化现象，即α相的长宽比≤2.5∶1[6]。当变形速率进一步加快，达到0.5 mm/s时，α相的球化现象明显减少，但是晶界发生弯折的程度增大。当变形速率达到2 mm/s时，可以看到晶界α相几乎没有出现球化现象，但是在局部区域发现若干尺寸较小的等轴β相相互连接在一起，说明该区域发生了β动态再结晶。在较低变形速率下，由于变形时间较长，β锻造过程中进入α+β两相区时首先在晶界上析出α相，随着变形的继续进行，晶界α相被折断。与40%变形量相比，60%变形量的弯折程度更大，变形时间更长，α相被破碎得更严重，被折断的α相在高温下发生了球化现象[7]。高变形速率下，β相在β单相区经历大部分变形，容易发生动态再结晶[8]。动态再结晶的机制主要是亚晶合并机制[9]。β晶粒在变形过程中晶界部位承受较大的变形量，产生大量位错，由于钛合金层错能比较低，容易发生动态回复，形成细小的亚晶，当相邻的亚晶粒合并时，发生局部动态再结晶，形成如图4c所示的局部再结晶晶粒。

图4 60%变形量时，不同变形速率下TC17钛合金的微观组织Fig.4 Microstructures of TC17 titanium alloy with different deformation rates at the height reduction of 60%: (a)0.1 mm/s; (b)0.5 mm/s; (c)2 mm/s

2.3 80%变形量时不同变形速率下的微观组织

当变形量为80%时，不同变形速率下的TC17钛合金微观组织见图5。由图5可见，当变形量增加到80%时，变形速率对显微组织有非常明显的影响。在0.1 mm/s的变形速率下，原始β晶粒沿垂直于压缩轴的方向显著拉长，β晶粒的长宽比大于5∶1，晶界α相几乎被完全破碎，同时大量的α相发生球化，球化率达到80%。这是由于更大的变形量和更长的下压时间所导致的。晶内的网篮组织编织较差，甚至可以看到少量球状α相，说明变形过程主要发生在α+β两相区，在变形过程中析出的片状α相由于承受大量的变形发生了球化。当变形速率增大至0.5 mm/s时，晶内的网篮组织编织较好，同时可见晶界α相球化明显减少，呈断续状，说明在两相区的变形量较小。当变形速率增大至2 mm/s时，发生了大量的β再结晶，再结晶晶粒尺寸为30～60 μm。与60%的变形量相比，80%变形量的β再结晶晶粒进一步增多，并发生长大现象。由此可见，随着变形量的增大，TC17钛合金组织对变形速率的敏感性逐渐增加。

图5 80%变形量时，不同变形速率下TC17钛合金的微观组织Fig.5 Microstructures of TC17 titanium alloy with different deformation rates at the height reduction of 80%: (a)0.1 mm/s; (b)0.5 mm/s; (c)2 mm/s

2.4 α相球化及β再结晶定量分析

α相的球化和β再结晶晶粒对TC17钛合金的性能有重要的影响。通常来说，球化后的α相有着更好的强度、塑性和疲劳性能，但是抗裂纹扩展能力大大降低[10-11]。而β再结晶晶粒对合金的性能影响较复杂，局部的β再结晶晶粒会导致合金整体组织分布不均匀，在服役过程中，疲劳裂纹有在晶界α相萌生的倾向[12]。图6为采用Image Pro Plus软件得到的不同工艺参数下晶界α相球化及β再结晶程度统计结果。其中α相球化率是通过球化后的α相占晶界α相的体积分数来统计，β再结晶程度是通过再结晶后的β相占β晶粒的总体积分数来统计。由图6可见，晶界α相的球化对变形量和变形速率的要求均很苛刻，只有在80%的变形量和0.1 mm/s的变形速率下才有大量的晶界α相被球化，其余参数下，晶界α相很难被球化。这是因为α相的球化过程需要足够的变形功及保温时间。β再结晶晶粒的体积分数随着变形量和变形速率的增大而增多，在变形量为80%，变形速率为2 mm/s时达到最高值50%。同时，可以发现相比变形量，β再结晶程度对变形速率更加敏感。因此，在TC17钛合金β锻造工艺中，控制变形速率是非常关键的。

图6 不同工艺参数下晶界α相球化及β再结晶统计Fig.6 Statistics of grain boundary α phase globularized(a) and β grain recrystallization(b) under different process parameters

3 结 论

(1)TC17钛合金在β单相区锻造，当变形速率为0.1 mm/s时，晶界α相容易被破碎，被破碎的α相随着变形量的增大，逐渐被球化。变形量越大，越容易被球化，当变形量达到80%时，α相的球化率达到80%.

(2)当变形速率为2 mm/s时，容易发生β动态再结晶。变形量越大，β再结晶的体积分数越高。当变形量达到80%时，β再结晶的体积分数达到50%。

(3)晶界α相的球化条件对变形量和变形速率均较为苛刻。相比变形量，β再结晶程度对变形速率更加敏感。