TC18自由锻件3t锤准β锻工艺分析及过程控制

文/李幸福，姚彦军·陕西宏远航空锻造有限责任公司

TC18是一种近β型钛合金，该合金具有高强度、高韧性、高塑性、淬透性好、可焊性好等优点，因而广泛地应用于飞机的机身和起落架上的大型承力结构件。该材料对锻造温度敏感，尤其对加热过程及锻造过程的控制是该材料锻造的难点，要得到合格的锻件，必须在加热及锻造过程方面严格控制。在实际锻造生产中，需要在准β锻下成形，使其满足使用要求，TC18的锻造需对来料的情况进行复验，不同的原材料结果所采用的锻造方法不同。本文针对锻件的要求对原材料按标准复验后，判定合格和不合格的两种情况；进行分析，确定不同的锻造方案，采用不同的加热和生产过程控制，最终得到所要求的组织，使其满足使用要求。

本文以某厂所需锻件，用不同的生产方案以实际生产情况为依据，研究TC18钛合金准β锻的加热及锻造过程控制对其内部组织的影响情况。

问题提出

TC18是一种高合金化的钛合金，其名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe，Tβ转变温度为870℃～880℃。TC18可以在淬火和退火状态下使用，但通常在退火状态下使用。加热和锻造过程的控制是该材料生产的难点，对内部组织和性能具有重要的作用。一些资料讨论了常规锻造温度对TC18钛合金组织和性能的影响，但对TC18准β锻研究较少。

TC18钛合金在3t自由锻锤生产时，在准β锻温度下成形对合金组织性能产生一定的影响。其结果表明；显微组织对温度的影响敏感，在两相区锻造时，显微组织由初生α相和β相转变组织组成，随锻造温度的升高，初生α相含量变少，尺寸增大，等轴程度增加。在相变点以上锻造时若锻造时间过长得到魏氏组织。该组织相对于等轴组织，室温和高温强度增加，拉伸塑性降低，室温冲击降低，在相变点以上锻造时若锻造时间控制得当可获得均匀的网篮组织，该组织虽然室温塑性不如等轴组织，但其强度高，高温性能、断裂韧性及疲劳性能都优于等轴组织。

TC18锻造对原材料的原始状态（力学性能、低倍、高倍、探伤结果及KIC指标）按标准的各项复验指标提出较高的要求；本文针对按原材料标准复验后，判定合格和不合格的两种情况；就内部组织进行分析；确定不同的锻造方案；情况如下。

⑴合格的原材料是指对相关指标复验后基本满足标准要求；（低倍、高倍、探伤）采用中间制坯＋β相变点上锻造，因为已复验合格原材料低倍显微组织比较均匀，同时为了减少相变点上锻造时间过长而得到魏氏组织，通过相变点下制坯后，在相变点上锻造使其内部组织转变为所需的网篮组织。

⑵不合格的原材料是指对相关指标复验后不满足标准要求（低倍显微组织有初生α相和β相转变组织组成；探伤超标）；需在相变点下改锻＋机加后检验低倍、探伤＋中间制坯＋在相变点上锻造；使其内部组织转变为所需的网篮组织即可。在相变点下改锻，使等轴组织均匀，检查制坯，确定是否进行相上锻造，并为相变点上锻造提前预制进行一定程度的变形，减少相上锻造工步，避免出现魏氏组织。

如何控制加热参数及锻造过程使其获得预期的组织和性能，是TC18钛合金准β锻造的难点问题。

加热过程控制要点

TC18钛合金在相变点上锻造是指在加热炉中的实际料温应符合准β锻造要求的温度。

一般钛合金锻造采用高温电炉加热，炉子均匀性应符合Ⅲ炉要求；炉温温差范围在±14℃之间。对于对温度敏感的TC18钛合金在β锻造的温度偏差应控制在±3℃；如何使其满足上述要求，应采用热电偶带料测温与仪表对比办法来解决上述。具体细则如下。

⑴加热时锻件必须用垫块悬空加热。垫块高度选在50mm～80mm，并保证加热设备处于良好生产状态时方可加热坯料；一般垫块采用耐火砖，目的是保证坯料上下加热均匀。

⑵坯料入炉时，仪表人员必须绑热电偶带料测温，加热时，仪表显示温度为工艺规定温度，巡检仪显示温度为实际炉膛料温温度，两者温度对比，允许温度偏差范围在±1.5℃；若温度偏差范围超出±1.5℃时，应采用调整仪表温度来保证工艺设定的要求；可调整仪表显示温度，直至与巡检仪显示为规定温度（允许超差±3℃）；设定温度为：相变点上-3℃≤T设定≤相变点上3℃的范围内。

⑶在升高温前应确认锻造设备处于完好状态，确保相变点上保温时间到时应立即生产，在3t自由锻锤生产时允许延长保温时间为T延≤10min。

⑷出炉时可采用光电测温计随时监测料温；保证终锻温度T终锻≥750℃。

锻造过程的控制要点

锻造是对锻件的内部组织和性能具有重要作用的关键工序。如何控制在β温度下锻造使其获得预期组织是TC18钛合金准β锻的关键问题。

⑴一般的钛合金生产方案确定：采用改锻→中间坯检测→相变点下锻造成形的方法，进行材质改锻；改锻后中间坯进行100%低倍检查、探伤和抽样高倍检查，合格后进行锻造成形。而对于不合格的原材料来说，TC18钛合金准β锻采用β相变点下＋β相变点上成形方法；即相变点下改锻后中间坯检查探伤；合格后成形。

⑵改锻的主要目的：在相变点β下改锻，采用镦粗→拔长，目的是使材料内部组织均匀，细晶粒，同时通过改锻使其尺寸接近锻件尺寸，从而减少相变点上成形时间，避免得到魏氏组织。

⑶改锻方法：镦粗→拔长。

⑷工艺流程：改锻→中间坯机加→探伤→锻造成形→热处理→理化检测。

⑸锻造温度的确定：Tβ-30℃改锻；Tβ-30℃中间坯；Tβ＋15℃成形。

⑹镦粗拔长改锻工步设计。

1)变形量的确定：20%～30%。

2)火次确定：根据原材料的状态、锻件重量和生产设备的能力确定；一般在3t自由锻锤的生产重量为20kg～60kg；火次一般为2～4火完成。

3)每工步镦拔次数变形量：采用镦粗比1∶2，拔长比1∶2。

4)中间坯锻件尺寸确定：一般采用接近锻件要求的尺寸，并考虑到中间检测后不合格可以返修的形状最好；尽可能在相变点上锻造时能够1火完成，尽可能保证较高的锻造温度，锻造后的尺寸尽可能的符合最终锻件尺寸，以减少后续的火次，中间坯尺寸需考虑最终锻件的成形，保证在准β锻时各部位的变形量在20%～30%；一般自由锻件中间坯宽度尺寸为锻件宽度的85%～90%为最佳。

5)改锻时严格按流线方向锻造，最后1火变形后截面必须均匀，长度尺寸必须严格控制。

6)生产前对设备进行检查，保证生产设备处于完好状态。

7)送进量：每锤压下量为中间制坯高度的1/3～1/2。

8)坯料转移时间≤30s，终锻温度≥790℃；冷却方式为锻后空冷。

生产实例

生产锻件的主要参数

锻件的主要参数如表1所示。

表1 生产锻件主要参数

表2 原材料化学成分理化复验

表3 原材料力学性能理化复验

⑴原材料复检合格。

1)对原材料化学成分WT%按标准进行复检，结果为合格。如表2所示。

2)对原材料力学性能按标准进行复检，结果为合格，如表3所示。

3)低倍组织。无清晰晶，未见冶金缺陷，如图1所示。低倍按图1中1～5级直径为φ210mm的棒料，2019年5月生产批次，合格。

4)高倍组织。如图2所示，为均匀的等轴α组织。直径为φ210mm的棒料；高倍按图中1～3类。

5)探伤。标准：A级；标准：按φ2.0mm平底孔，结果合格。

6)KIC标准。标准数据：≥55；实测：59.5～58.6，结果合格。

⑵原材料复检不合格。

1)对原材料化学成分和力学性能进行理化复检，其结果均合格。

2)低倍组织。有清晰晶，且不均匀，标准，如图3所示。直径为φ210mm的棒料；低倍按图3中1～5级。

3)高倍组织。如图4所示，等轴α大小相差很大，甚至晶界处出现粗大条状α相。直径为φ210mm的棒料；高倍按图4中1～3类，不合格。

4)探伤。标准：A级；标准：按φ2.0mm平底孔。实测：平均杂波-6dB～-4dB，局部为-2dB，不合格。

5)KIC。标准数据：≥55；实测：42.7～49.3，不合格。

锻造、热处理、机加及检查

⑴对于原材料不合格情况采取的锻造方法。

1)为了使不均匀的等轴组织变均匀，同时细化组织，选取在相变点下30℃时改锻，按照镦粗比1∶2，拔长比1∶2；每工步变形量为20%～30%，来确定改锻尺寸；六镦六拔六火完成后锻至中间坯尺寸（中间坯尺寸确定：一般采用接近成形尺寸要求的尺寸，并考虑到中间检测后不合格可以返修的形状最好；保证1火完成，尽可能保证较高的锻造温度，以减少后续的火次，中间坯尺寸需考虑最终锻件的成形，保证在准β锻时各部位的变形量在20%～30%）。该锻件的中间坯尺寸确定为160mm×170mm×180mm；在保证合适变形量的情况下，反复镦拔一方面使沿晶界分布的粗大的条状α相可以被击碎，同时使等轴α变得均匀且细小。

2)机加探伤，按A级进行，合格后进行相变点上锻造（β锻造）。

3)准β锻造按温度按Tβ-30℃+Tβ＋15℃锻造；工步为160mm×160mm×180mm锻造至(130±3)mm×(190±3)mm×(180±3)mm，180mm方向为原流线方向；保证合适的变形量，变形量太大，则α相会球化，甚至导致α相超标，变形量太小，晶界α破碎效果不佳，晶界α连续，影响塑性，所以尺寸需严格控制，同时相变点上的锻造时间不易过长防止出现魏氏组织。

4)热处理按一次退火820℃，保温180min后空冷＋二次退火620℃保温360min后空冷。

5)机加探伤面探伤，按A级锻件100%进行探伤，结论为8件探伤合格；1件局部有单显为-6dB，该件做理化解剖。

6)力学性能见表4、KIC见表5、氢分析见表6，低倍：符合图1的5级；未见冶金缺陷，见图5。高倍：符合图2的8级，见图6；放大倍数200×。

⑵对于原材料合格情况。

1)采取锻造方法：因显微组织比较均匀，同时为了减少相变点上锻造时间过长而得到魏氏组织，在相变点下制坯。在相变点上锻造，目的使其内部组织转变为所需的网篮组织即可。用相变点下30℃中间制坯＋相变点上15℃成形，中间坯尺寸确定与合格的原材料锻造方法相同。

表4 室温力学性能

表5 KIC

表6 氢分析

2)准β锻造温度按Tβ-30℃＋Tβ＋15℃锻造；工步为160mm×160mm×180mm锻造至(130±3)mm×(190±3)mm×(180±3)mm，180mm方向为原流线方向；二火完成；保证合适的变形量，变形量太大，则α相会球化，甚至导致α相超标，变形量太小，晶界α破碎效果不佳，晶界α连续，影响塑性，尺寸需严格控制，同时由于在β单相区锻造，塑性较好，要严格控制锻锤敲击频率。

3)热处理后空冷机加探伤，按A级锻件100%进行探伤，结论为合格，理化解剖。检查低倍和高倍；低倍组织见图7；高倍组织见图8；力学性能见表7；KIC见表8；氢分析见表9，均符合锻件要求。

4)力学性能见表4、KIC见表5、氢分析见表6、低倍见图3、显微组织均合格。低倍：符合图1的5级；未见冶金缺陷，见图3。高倍：符合图2的4级，见图4；放大倍数200×。

结论

⑴按锻件要求对于原材料复检不合格的锻造工艺为：采用改锻＋中间坯检查＋相上锻造，改锻使其组织均匀，中间坯检查确定是否达到准β锻组织要求，相上锻造目的是得到均匀的网篮组织，锻造过程变形量要严格控制。

表7 室温力学性能

表8 KIC

表9 氢分析

⑵按锻件要求对于原材料复检合格的锻造工艺为：中间坯锻造+相上锻造，中间坯锻造使其尺寸接近成形尺寸，从而减少相变点上成形时间，避免得到魏氏组织。

⑶中间坯尺寸的确定：一般采用接近锻件成形的尺寸，并考虑到中间检测不合格后可以返修的形状为最佳；并且尽可能在准β锻时能够1火完成，并保证较高的锻造温度，锻造后的尺寸尽可能的符合最终尺寸要求，以减少后续的火次，中间坯尺寸需考虑最终锻件的成形，保证在准β锻时各部位的变形量在20%～30%；一般自由锻件中间坯生产时宽度尺寸为锻件最终要求宽度的85%～90%之间。

⑷对于准β锻要严格控制相变点上锻造时间防止出现魏氏组织，同时对于变形量要严格控制到20%～30%，变形量太大，则α相会球化，甚至导致α相超标，变形量太小，晶界α相破碎效果不佳，晶界α相连续，影响塑性。合理确定中间坯尺寸，争取相上锻造1火完成；从而可得到性能要求和组织均符合标准的锻件。