TC10 钛合金平衡肘锻造工艺及组织性能研究

文／张晓龙，张俊杰，赵金星，董轶，郑鹏飞，屠孝斌，李巍，段晓辉·宝鸡钛业股份有限公司

为开辟钛合金平衡肘新工艺路线，提高其使用寿命，本文采用自由锻造的方式制备出TC10 钛合金平衡肘锻件，并研究了其显微组织与力学性能。结果表明：通过自由锻造的方式，采用合理的工艺路线，可以制备出TC10 平衡肘锻件，锻件的探伤、组织与性能均满足产品要求，并且其塑性明显优于平衡肘铸件。同时可采用渗氮的方法对平衡肘锻件局部位置进行表面硬化，其维氏硬度可达到1000 以上。

TC10(Ti-662) 钛 合 金 是 一 种 富β 的α+β型钛合金，其名义成分为Ti-6Al-6V-2Sn-0.5Fe-0.5Cu。相比TC4 钛合金，TC10 钛合金增添的β 相稳定元素有效改善了其热处理特性，其常温及高温性能均有明显提升，退火态强度超过TC4 退火态的强度，也可通过固溶时效热处理达到更高的强度。由于其优异的力学性能、耐热性能(可在400℃以下长期使用)、较好的抗氧化和耐腐蚀性和优于其他合金的可热加工性、淬透性与可焊接等特点，被广泛应用于飞机机身、火箭发动机、核反应堆部件、车辆平衡肘以及石油勘探设备等部件。

TC10 钛合金平衡肘通常采用铸造工艺路线进行生产，而采用锻造工艺路线的则非常少。采用铸造工艺生产的TC10 钛合金平衡肘存在因内部缺陷(如气孔)导致铸件断裂的现象，而采用锻造工艺路线生产的平衡肘则可有效避免内部缺陷的问题，确保锻件长期有效使用。本文采用自由锻造工艺制得TC10钛合金平衡肘，并对其显微组织与力学性能进行分析研究。

试验用材及工艺路线确认

试验材料

试验材料采用宝钛集团有限公司生产的、经真空自耗电弧炉二次熔炼而成的TC10 钛合金铸锭(φ626mm)，主要化学成分见表1。经金相法测得α+β/β 相转变温度为990 ～995℃。铸锭经β 相区和α+β 两相区多火次自由锻造制备相应坯料后，再进行后续锻件的生产。

表1 铸锭化学成分(质量分数，%)

确定工艺路线

采用自由锻造方法制备TC10 钛合金平衡肘锻件的主体工艺思路为：坯料制备→平衡肘毛坯锻件制备→锻件热处理→粗加工→局部表面硬化(表面渗氮)→精加工→成品。

其中平衡肘毛坯锻件的制备设计了两条工艺路线：方法a，将坯料生产至板坯，再通过线切割方式制备出平衡肘锻件毛坯；方法b，将坯料生产至棒材，再通过自由锻造的方式经压弯生产至平衡肘锻件毛坯。

方法a 的优点是锻件制备简单，缺点是采用线切割的方式切取毛坯锻件破坏了坯料内部原有流线，锻件性能较差易断裂；方法b 的优点是坯料的流线得以保留，锻件性能好；缺点是锻件成形过程复杂，机加工难度较高。方法a 与方法b 的毛坯锻件流线示意图见图1。

经项目组讨论分析，最终确定采用方法b 进行平衡肘毛坯锻件的生产。

平衡肘锻件生产及组织性能研究

平衡肘毛坯锻件的生产

采用方法b，通过3150t 水压机并借助简单的工模具，将TC10 棒材压弯生产制备出TC10 钛合金平衡肘毛坯锻件，具体生产过程见图2。第一步，将加热后的棒材坯料放置在平台上，并将相应工具准备妥当；第二步，通过压机执行压弯工序；第三步，完成平衡肘毛坯锻件的生产。锻后毛坯锻件见图3。

平衡肘锻件的探伤、组织及性能研究

经热处理后的TC10 钛合金平衡肘锻件粗加工后进行接触法探伤，产品要求探伤水平满足GB/T 5193-2020B 级要求，其实际探伤结果满足GB/T 5193-2020A 级，符合产品需求。

对所生产的平衡肘锻件取样并进行显微组织分析和力学性能分析。高倍试样经磨制抛光后采用HF、HNO3、H2O混合液进行腐蚀，在OLYMPUS GX71型金相显微镜上观察组织。拉伸试样在德国Zwick 万能试验机上进行试验。

经热处理后的TC10 平衡肘锻件显微组织如图4所示：由图可见其显微组织是由等轴初生α 相与β转变组织构成，并伴有少量的片状次生α 相，其中等轴α 相细小且分布均匀。而采用铸造工艺生产的TC10 平衡肘显微组织为网篮组织结构，如图5 所示。

TC10 平衡肘锻件以及铸件的力学性能见表2，采用自由锻造生产的TC10 钛合金平衡肘锻件的性能满足相关标准要求，并且其塑性明显优于采用铸造方式生产的TC10 平衡肘。

表2 TC10 平衡肘锻件及铸件力学性能

平衡肘锻件机加工及局部表面硬化

平衡肘锻件的机加工序采用数控车床进行。对于平衡肘锻件表面部分区域有硬度的要求，项目组经讨论后采用渗氮的方式对锻件局部位置进行表面硬化。钛合金等离子渗氮表面改性是通过放电将等离子体的氮扩散至钛合金膜层中从而增强锻件的表面硬度，离子氮化可大幅提高钛合金的表面硬度、耐磨性和抗擦伤性能，还可保持钛合金的韧性和塑性。

平衡肘锻件表面渗氮采取局部氮化工艺，非渗氮部分通过机械和表面涂层进行保护，确保钛合金平衡肘锻件的表面处理过程无异常。TC10 钛合金平衡肘锻件成品见图6，其中锻件泛黄位置为表面渗氮区域，其维氏硬度可达1000 ～1200，满足产品要求。

结论

⑴通过自由锻造的方式，采用合理的工艺路线，可生产出TC10 钛合金平衡肘锻件，其探伤、组织与性能均满足产品要求。并且采用自由锻方式生产的平衡肘，其塑性要优于采用铸造方式生产的平衡肘。

⑵采用渗氮的方式对平衡肘锻件局部位置进行表面硬化，其维氏硬度可达到1000 以上。