TC2 钛合金等温锻造双冠叶片低倍组织亮线的原因分析

2022-11-03叶宁姚彦军陕西宏远航空锻造有限责任公司

锻造与冲压 2022年19期

文／叶宁，姚彦军·陕西宏远航空锻造有限责任公司

TC2 是一种具有中等强度和较好塑性的近α型高温钛合金材料，主要应用于高性能航空发动机的叶片。TC2 含有4%α 稳定元素Al和1.5%β 稳定元素Mn，名义化学成分为Ti-4Al-1.5Mn。这种合金不能进行热处理强化，只能在退火状态下使用。TC2 具有较好的工艺塑性、焊接性和热稳定性，长期工作温度可达350℃，短时使用温度为750℃，在航空工业、宇航工业、化工工业、造船业等方面日益得到广泛的应用。

等温锻造是近年来发展起来的一种高效、可靠的新工艺。与常规锻造相比，等温锻造工艺不仅能够有效减小或消除模具激冷和材料应变硬化的影响，显著降低变形抗力与提高材料的成形性能，并能在一定的变形温度和速度下实现超塑性变形，已经成为当前钛合金锻件生产工艺的一个重要发展方向。

本文以某型机TC2 合金叶片锻件为研究对象，研究了等温模锻TC2 合金叶片低倍组织亮线现象的原因及改善措施，从而为TC2 钛合金等温锻造叶片生产工作提供技术保障。

试验过程

原材料明细

TC2 钛合金等温锻叶片试验所用原材料为采购到的两种棒材，可称为棒材1 和棒材2，规格为φ150mm×180mm，原材料明细见表1，化学成分见表2。

表1 原材料明细

表2 化学成分(wt%)

锻造试制方案

锻件二维简图见图1，为保证足够的加工余量(叶身单边包络4mm)，叶片总长度为480mm，叶身最大弦宽约84mm，最大厚度15mm，叶片投影面积0.1m2，锻件重量6.01kg。

图1 锻件二维简图

根据锻件的具体形状和坯料尺寸，综合考虑变形量，再结合锻件各处的应力应变，锻件充型能力等，为棒材1、棒材2 设计合理的荒形(图2)和预锻件(图3、图4)，荒形叶身经过拔长后，设计预锻模分配锻造变形量(图5、图6)。

图2 制坯荒形

图3 预锻1 火

图4 预锻2 火

图5 预锻1 火纵向应变模拟

图6 预锻2 火纵向应变模拟

预锻1 火变形量，P1：35%、P2：53%、P3：34%、P4：27%、P5：29%、P6：57%、P7：29%。

预锻2 火变形量，P1：47%、P2：55%、P3：31%、P4：47%、P5：30%、P6：30%、P7：33%、P8：58%、P9：29%、P10：25%。

等温终锻变形量(图7)，P1：12%、P2：33%、P3：43%、P4：50%、P5：49%、P6：49%、P7：41%、P8：24%。

图7 等温终锻纵向应变模拟

主要锻造参数如下，

荒形锻造设备：2t 电液锤；

预锻制坯设备：8000t 压力机；

等温模锻设备：油压机；

锻造温度：Tβ－35℃；

保温系数：0.8min/mm；

预锻参数，1 火：自由下落1 锤，约在50%打击能量下打击1 ～2 锤；2 火：约在60%打击能量下打击1 ～2 锤；

等温终锻压制速度：0.1 ～0.3mm/s；

热处理：780℃环境下保温60min 后出炉空冷，散开空冷。

试验结果

⑴棒材1。

1)高低倍试验。

对棒材1 生产后的锻件进行理化纵向低倍测试，经腐蚀(HF:HNO3:H2O=10:15:75)后发现低倍上有亮线显示，呈沿纵向流线分布，如图8 所示。

图8 纵向低倍结果

将切取的高倍试样，分别磨制纵向面与横向面，并经腐蚀(HF:HNO3:H2O=5:12:83)后，宏观组织照片见图9，高倍组织照片见图10。

由图9 可见，亮线沿纵向流线方向分布，横向面也存在亮线；亮线呈现半清晰晶形态，沿金属流线分布，较为细小。

图9 高倍试样的宏观组织照片

由图10 可见，低倍亮线处的高倍组织(红圈圈示意图)中初生α 相含量较少，亮线处等轴初生α相大量减少，亮线宽度为40 ～50μm。

图10 高倍试样的高倍组织照片

2)能谱试验。

对高倍试样进行能谱测试，结果如图11 所示。

图11 高倍试样的纵向面与横向面EDS 图

高倍试样纵向EDS 分布见表3：高倍纵向试样“亮线”区，Mn 元素最大值为1.83，平均值为1.696；正常区最小值为1.26，平均值为1.356；Mn 元素极差值为0.57，平均差值为0.34；其他元素含量几乎无明显差异。

表3 高倍试样纵向EDS 元素分布表(wt%)

高倍试样横向EDS 元素分布见表4：高倍横向试样“亮线”区，Mn 元素最大值为1.78，平均值为1.65；正常区最小值为1.39，平均值为1.5；Mn 元素极差值为0.39，平均差值为0.15；其他元素含量几乎无明显差异。

表4 高倍试样横向EDS 元素分布表(wt%)

比较可知，纵向试样Mn 元素的波动比横向的高。

⑵棒材2。

1)高低倍试验。

由图12 可见，棒材2 生产后的锻件，其纵、横向低倍组织均匀，无亮线出现。

图12 纵横向低倍组织

由图13 可见，棒材2 生产后的锻件，其纵、横向高倍组织为初生α 相＋基体，高倍组织均匀。

图13 纵横向高倍组织

2)能谱试验。

对高倍试样进行能谱测试(图14、表5)。由表5 可见，四个EDS 采点区，Mn 元素含量无明显差异，极差值为0.14，小于标准供料异常区值。

图14 高倍试样EDS 图

表5 高倍试样EDS 元素分布表(wt%)

试验分析

TC2 合金为近α 相合金，主要合金元素为Al、Mn。在TC2 铸锭的真空自耗熔炼过程中，由于铝、锰属于易挥发组元，在真空冶炼条件下大量挥发，除相当部分被真空机抽出外，大部分在铸锭周边和顶部富集，尤其是Mn 元素偏析更为严重，铸锭表层的含锰量可高达中心部位的15 倍，造成铸锭化学成分不均匀，产生严重的锰偏析。Fe、Mn、Cr 为β 相慢共析型元素，在钛锭凝固时，合金成分会降低凝固温度，使凝固点有一个很大的温度范围，还将导致铸锭凝固期间的溶质偏析。Fe、Mn、Cr 的偏析会导致该区域β 相转变温度的降低，在最终产品中，这些区域显示了不同的微结构，有时在接近正常的β 相变温度处理后，这些溶质富集区在材料中清晰可见，一般称为β 斑。β 斑对锻件疲劳强度有害，因为它们的强度较低，易优先变形，导致早期的形核裂纹。

采用棒材1 生产后的锻件，分析其纵向低倍流线异常情况，查询相关标准图片(图15)，对比TC2 合金与易产生偏析的TC6 与TC4 合金锻件低倍组织流线，可以看出：

⑴TC2 叶片纵向低倍组织流线区“亮线”，类似于图15 中TC6 以及TC4 锻件中局部伪大晶粒加偏析条带，此偏析条带正好类似锻件低倍组织流线中的β 斑偏析。