Ti150合金离心叶轮锻件工艺优化

夏春林，叶俊青，叶康源，李文渊，赵子博，王海菊

Ti150合金离心叶轮锻件工艺优化

夏春林1，叶俊青1，叶康源1，李文渊2，赵子博2，王海菊1

（1.贵州安大航空锻造有限责任公司，贵州 安顺 561005；2.中国科学院金属研究所，沈阳 110041）

解决Ti150合金离心叶轮锻件低倍组织不均匀和锻件力学性能离散性较大的问题。通过对锻件进行金相组织分析，再利用EBSD、DEFORM等工具分析锻件成形时应变分布及组织特点，探索低倍组织不均匀和锻件力学性能离散性较大的原因及解决方法。通过对棒材进行六方拔长、倒棱、平头和滚圆等处理，实现从圆棒到六方形再到圆棒的变形过程（改锻），使棒材各部位的变形均匀，达到消除微织构的目的。对棒材进行反复镦拔（改锻），可有效消除棒材中的微织构并改善低倍组织的不均匀，是控制锻件力学性能离散性的重要措施。中间坯组织的均匀性是影响低倍组织不均匀和锻件力学性能离散性的主要因素，通过对棒材进行改锻，Ti150合金离心叶轮锻件的组织及力学性能优异，满足相应的技术要求。

Ti150合金；离心叶轮；改锻；电子背散射衍射

钛合金由于具有耐腐蚀性好、耐高温、比强度高等一系列优点，广泛应用于航空航天领域，是当代飞机和发动机的主要结构材料之一，主要用于制造航空发动机中的重要零部件和飞机机体结构件[1-3]。为了满足新型飞机和先进航空发动机的设计需求，世界各国竞相研制工作温度可达600 ℃及以上的高温钛合金。目前，国外投入使用的典型高温钛合金有美国的Ti–1100合金、英国的IMI834合金以及俄罗斯的BT36和BT41合金等，国内科研院所在600 ℃高温钛合金方面开展了大量研究[4-7]，自主研发的高温钛合金有Ti–55、Ti60、Ti600、Ti150等[8-11]。

Ti150合金离心叶轮锻件研制过程中存在组织性能不均匀、锻件力学性能离散性较大等问题，严重制约了材料的应用，降低了发动机的安全可靠性。锻件的显微组织、性能不均匀不仅与等温锻造工艺有关，还与原材料组织均匀性有关，若原材料组织不均匀及工艺设计不合理，不均匀组织保留至锻件中，会进一步影响锻件的质量稳定性。文中针对自主研发的Ti150合金离心叶轮锻件研制过程中存在的问题，研究了Ti150合金棒材改锻（反复镦拔）工艺对组织、性能的影响，以期为该合金锻件研制生产提供借鉴。

1 原工艺分析

原材料来自宝钛集团有限公司生产的230 mm规格Ti150合金棒材，用于制造棒材的铸锭采用真空自耗电弧炉熔炼3次，最后1次熔炼稳定阶段的压力不大于5 Pa。棒材化学成分如表1所示。利用金相法测得该合金的α+β/β转变温度为1 042 ℃。原材料低倍组织为模糊晶，如图1所示，高倍组织的等轴初生α球化不明显，再结晶不充分，初生α相为长条状，体积分数约为80%，如图2所示。

表1 Ti150合金棒材的化学成分

Tab.1 Chemical components of Ti150 alloy bar wt.%

图1 原材料的低倍组织

图2 原材料的高倍金相组织

Ti150合金离心叶轮锻件图以及取样位置如图3所示，锻件外径最大尺寸为377 mm，高度为128 mm，未注公差为±1 mm，拔模斜度为7°，其余未注圆角半径为5 mm。

锻件原工艺如下：棒材下料（230 mm×180 mm）→两端机加倒角20 mm→等温模锻（坯料加热温度1 002 ℃，终锻温度≥850 ℃，模具加热温度900 ℃，锻造速率3～0.1 mm/s）→锻件心部机加38 mm通孔→热处理（1 017 ℃×4 h固溶后油冷，700 ℃×3 h时效后空冷）→粗加工→超声波探伤→组织性能测试。

图3 锻件图以及取样位置示意图（mm）

锻件低倍组织如图4a所示，高倍金相组织如图4b所示，由图4可知，锻件低倍未见缺陷及清晰晶，呈现花样纹特征，流线基本沿外廓分布，局部变形激烈，这种特征容易带来性能上的差异。高倍金相显微组织为典型双态组织，初生α体积分数约15%，如图4b所示。锻件按HB/Z 37[12]要求，采用水浸法超声波探伤，当量平底孔为0.8 mm，锻件检测结果未见单显，其探伤杂波水平为0.8 mm–（12 dB）（即采用0.8 mm的平底孔进行超声波探伤，杂波噪音分贝为12 dB），低波损失≤6 dB。

图4 锻件金相组织

统计学中用变异系数CV表示一组相关数据的离散程度[13]，文中通过对锻件不同位置的力学性能进行统计，分析锻件性能指标CV值，各位置性能指标如表2所示。目前航空类锻件科研课题要求锻件性能指标CV值均小于3%，由表2可知，图3中的1#、2#、3#、4#位置伸长率、断面收缩率指标的变异系数CV不符合要求，另外1#位置抗拉强度富裕量仅有5 MPa，Ti150合金离心叶轮锻件抗拉强度、屈服强度指标的变异系数CV值小于3%，伸长率指标的CV值为5.18%，断面收缩率指标的CV值高达8.51%，锻件力学性能的均匀性需提升。

表2 各位置性能指标

Tab.2 Performance index of each location

采用三维制图软件建立了坯料及模具有限元模型，如图5所示，并通过Deform数值模拟软件对坯料成形进行数值模拟分析。将坯料视为塑性材料，模具视为刚性材料，采用四边形单元对坯料进行网格划分，模拟相关参数如下：坯料温度为1 002 ℃，模具加热温度为900 ℃，坯料网格数为30 000，剪切摩擦因数为0.3，热交换系数为5 kW/(m2·K)，锻造速率从3 mm/s逐渐减小至0.1 mm/s，锻件最终应变分布如图6所示。由图6可知，锻件应变分布不均匀，锻件上端及下端面变形较小，应变在0.2左右，而心部及外侧区域应变为0.67～1.3，变形不均匀且存在小应变区域，达不到再结晶的条件，导致原材料低倍不均匀的组织保留到锻件中，从而使锻件不同区域的性能测试结果差异较大。

图5 数值模拟模具示意图

由于Ti150合金锻件局部区域在模锻成形过程中变形量较小，晶粒不容易破碎发生再结晶，因而保留了原材料微织构，如图7中的白色椭圆区域（电子背散射衍射EBSD测试取样位置为图3中的5#位置）所示，这类织构类型属于显微组织的择优取向。

图6 锻件终锻应变分布

图7 EBSD晶粒取向分布图

2 工艺优化

相变、再结晶和热变形等因素会影响钛合金织构的形成和演变[14]，而钛合金织构会使局部趋于单晶特性，使锻件在断裂韧性、塑性等性能方面表现出各向异性，单一类型织构处易萌生裂纹，导致锻件提前失效，因此锻件锻造工艺必须考虑织构的存在和消除方法。文中锻件的显微组织择优取向织构可通过改锻增大变形方式改善，从而获得均匀细小、晶粒取向混乱的等轴组织。大量文献资料表明[15-18]，晶粒细化主要发生在棒材开坯和改锻过程，可通过对温度和变形量进行控制，从而影响合金的静态和动态再结晶过程。为了改善锻件组织均匀性并消除锻件中的微织构，需对棒材进行多个方向镦拔，增大变形量，提高变形畸变能，达到动态再结晶细化晶粒的目的。

优化后的锻造工艺如下：下料（230 mm× 185 mm）→端面机加倒角20 mm→棒材改锻〔加热温度1 002 ℃，进行拔长、倒棱、平头并滚圆至直径（170±5）mm×（335±15）mm，后再镦粗至坯料高度=185 mm，终锻温度≥850 ℃，重复上述工序3次，最后进行整形〕→中间坯机加（210 mm× 195 mm）→等温模锻（坯料加热温度1 002 ℃，温度≥850 ℃，模具加热温度900 ℃，锻造速率3～ 0.1 mm/s）→锻件心部机加直径（38±1）mm的通孔→热处理（1 017 ℃×4 h固溶后油冷，700 ℃×3 h时效后空冷）→机加工→超声波探伤→组织性能测试。

棒材在两相区经过3次反复镦拔改锻后，经金相检测，其低倍、高倍组织照片如图8a和8b所示，低倍为模糊晶，高倍组织等轴初生α相球化较好，再结晶充分，初生α体积分数约40%。

采用优化工艺生产的Ti150离心叶轮盘锻件实物如图9所示，低倍测试结果如图10所示，图3中取样位置1#、4#、5#区域的高倍组织照片如图11所示，对应的电子背散射衍射EBSD晶粒取向分布如图12所示。图3中取样位置1#、2#、3#、4#区域的室温力学性能测试、600 ℃高温力学性能测试结果分别见表3—4。图10—12表明，通过反复镦拔的改锻方式，可以有效消除原材料中的微织构，使锻件低倍组织均匀，不同区域高倍组织初生α相的体积分数均控制在15%左右。

图8 改锻后组织

图9 离心叶轮盘锻件实物

图10 优化后的锻件低倍组织

图11 不同取样位置处的高倍组织照片

图12 EBSD晶粒取向分布图

由表3可知，锻件室温拉伸的抗拉强度、屈服强度、伸长率及断面收缩率等指标的变异系数CV值分别为1.13%、0.68%、2.91%、2.51%。与优化前相比，变异系数CV值大幅度降低，Ti150钛合金离心叶轮锻件不同部位性能差异大及1#区域强度富裕量偏低的问题得到了改善。

采用优化工艺生产的Ti150合金离心叶轮锻件，按HB/Z 37要求，采用水浸法进行超声波探伤，当量平底孔选用0.8 mm时，锻件检测结果未见单显，其探伤杂波水平为0.8 mm–（21 dB），低波损失≤6 dB，与工艺优化前相比，杂波降低了9 dB。杂波水平的高低与材料显微组织密切相关，杂波是组织不均匀的反应[19]，由此可知，Ti150合金原材料改锻对锻件组织均匀性有较大的改善作用。

表3 室温拉伸性能

Tab.3 Tensile property at room temperature

表4 600 ℃高温拉伸性能

Tab.4 Tensile property at 600ºC high temperature

3 结论

1）采用两相区改锻（反复镦拔）+等温锻方案生产的Ti150钛合金离心叶轮锻件力学性能优异，各部位力学性能均满足要求，且室温拉伸性能、高温拉伸性能均具有较大的富余量，锻件不同区域的抗拉强度、屈服强度、伸长率及断面收缩率等指标的变异系数CV值均小于3%。

2）改锻（反复镦拔）有利于消除Ti150钛合金原材料中的微织构，可改善锻件组织均匀性，达到降低探伤杂波的目的。

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Process Optimization of the Ti150 Alloy Centrifugal Impeller Forging

XIA Chun-lin1, YE Jun-qing1, YE Kang-yuan1, LI Wen-yuan2, ZHAO Zi-bo2, WANG Hai-Ju1

(1. Guizhou Anda Aviation Forging Co., Ltd., Guizhou Anshun 561005, China; 2. Institute of Metal Research, CAS, Shenyang 110041, China)

The paper aims to resolve the macrostructure nonuniformity under low magnification and high discreteness of the mechanical property for Ti150 alloy centrifugal impeller forging. The metallographic image analysis, electron backscatter diffraction (EBSD) and Numerical simulation software (DEFORM) were used to analyze the strain distribution and the microstructure characteristics of the forging, so that the reasons and solutions of the macrostructure nonuniformity under low magnification and high discreteness of the mechanical property were explored. The deformation process (substituting forging) from round bar, hexagonal bar, to round bar was realized by means of hexagonal drawing, chamfering, flat head and rolling, which were repeated three times to make deformation of each part of the bar uniform and eliminate its microtexture. The results showed that the microtexture was eliminated, macrostructure nonuniformity under low magnification was improved, and the integral microstructure uniformity was increased, which proved that the substituting forging for the bar is an important method to control the high discreteness of the mechanical property of the forging. The microstructure uniformity of the intermediate billet is the main factor on the macrostructure nonuniformity under low magnification and high discreteness of the mechanical property. By adopting the substituting forging for the bar, the Ti150 alloy centrifugal impeller forging can be produced with excellent microstructure and mechanical properties, which can meet corresponding technical requirements.

Ti150 alloy; centrifugal impeller; substituting forging; electron backscatter diffraction

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.06.012

TG146.23

A

1674-6457(2022)06-0086-07

2021–09–18

夏春林（1986—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为难变形合金等温锻造。

责任编辑：蒋红晨