TA7 钛合金环形件锻造工艺优化及全流程精细化控制

2020-12-18黄通柱雷永旭王瑞林中国航发成都发动机有限公司

锻造与冲压 2020年23期

文/黄通柱，雷永旭，王瑞林·中国航发成都发动机有限公司

门正兴，岳太文，马亚鑫·成都航空职业技术学院

TA7 钛合金是一种中等强度的单相α 型钛合金，其名义成分为Ti-5Al-2.5Sn。TA7 钛合金在低温至500℃范围内均具有比强度高，塑性好、缺口敏感性小、焊接性优良等特点，主要应用于航天领域中低温服役结构件、机匣壳体、壁板以及紧固件等零件。TA7 钛合金锻造温度区间较窄，若工艺控制不当易产生开裂。TA7 钛合金材料显微组织及力学性能对锻造温度区间及变形量非常敏感，常出现组织不合格、力学性能不达标等缺陷，最终成品率较低。

本文以TA7 钛合金环形锻造成形过程为例，分析了原锻造成形方案产生缺陷的主要原因；通过对锻造过程精细化控制和锻造工艺优化得到了均匀细小等轴α 组织、少裂纹的TA7 钛合金环形件，该优化过程对大型钛合金环形件的锻造成形具有指导意义。

TA7 钛合金环形件原材料

成形TA7 钛合金环形件外径750mm，内径680 mm，高115mm，原材料为φ250mm 棒料。采用金相法测得TA7 钛合金相变点为1015℃。原始材料的化学成分见表1。TA7 钛合金原始显微组织，如图1所示，为原始β 相晶间分布拉长状态α 相。

表1 TA7 钛合金原材料化学成分(wt %)

原锻造工艺及成形缺陷

TA7 钛合金环形件原锻造工艺路线为：下料→镦粗→冲孔→马杠扩孔→环轧。在镦粗过程中，TA7 锻件表面产生密集平行或垂直于成形方向的表面裂纹，如图2 所示。在锻造过程中，产生表面裂纹的主要原因为钛合金热传导率较低、常温塑性较差，毛坯表面温度下降过快。解决方法为在坯料表面涂玻璃润滑剂和在锻造过程中垫玻璃布。严格控制成形温度、对成形模具进行预热以及在锻造过程中，增加零件表面清伤工序，也能有效减少零件表面裂纹的产生和扩展。

TA7 钛合金环形件显微组织，如图3 所示，为典型魏氏组织。形成魏氏组织的主要原因为：⑴TA7钛合金原材料为单向拔长开坯棒料，未进行反复镦拔，铸态组织未完全破碎；⑵原锻造工艺流程较短、锻比有限，无法获得均匀细小的等轴α 组织；⑶在锻造过程中，毛坯镦粗和马杠扩孔打击力量较大，产生局部温升现象，导致锻件组织不合格。

锻造工艺优化及过程控制

根据以上分析，对TA7 钛合金环形件锻造成形工艺进行优化，优化后的锻造工艺路线为：下料→两镦两拔→镦粗→冲孔→两次马杠扩孔→环轧，如图4所示。工艺控制要点：⑴在下料过程中，毛料端面必须倒圆角，圆角半径按坯料直径的10%左右控制；⑵TA7 钛合金改锻锻造温度选定在相变点温度以下5℃进行，对零件表面温度进行实时测量，低于锻造温度范围停止锻造；⑶在镦粗过程中，上下锤砧提前预热，零件表面垫玻璃布缓解锻件表面温度下降；⑷最后一次镦粗后，将锻件冷却后进行表面清伤，加热后再冲孔；⑸冲孔过程中，冲子圆角半径5mm，冲孔前对冲子进行预热处理；⑹马杠扩孔及环轧在相变点温度以下25℃进行，防止成形过程中的升温现象；⑺马杠扩孔过程中，每火次的变形量都应控制在30%以上。

TA7 钛合金环形件环轧工序在2500mm 扩孔机上完成，环轧过程控制对环件最终质量至关重要。工艺控制要点：1）环轧过程材料变形程度须大于30%；2）环轧温度为相变点温度以下25℃；3）环轧整个过程应在3 分钟内完成；4）环轧过程芯轴预热150 ～250℃。

TA7 钛合金环形件试制

TA7 钛合金环形件环轧过程，如图5 所示。锻后环件，如图6 所示，表面无裂纹、折叠等表面缺陷。环形件经800℃/2h 退火后，进行力学性能及显微组织检查，室温拉伸、高温拉伸、冲击韧性等力学性能指标均达到TA7 钛合金锻件技术条件的要求，锻件尺寸符合了图纸要求，低倍试样经过检查后无夹杂、偏析等缺陷。TA7 钛合金环形件200 倍及500 倍显微组织，如图7 所示，为拉长状态的α 相和晶间β 相，符合锻件技术条件要求。TA7 钛合金环形件的试制成功，证明了优化后的工艺路线、锻造全流程参数精细化控制合理。