旋壓是將金屬板坯轉(zhuǎn)變?yōu)榭招男螤畹囊环N金屬變形過(guò)程。由于旋壓工藝具有成形力小、工裝簡(jiǎn)單、材料利用率高、生產(chǎn)成本低、機(jī)械性能好等優(yōu)勢(shì)，旋壓工藝越來(lái)越多地應(yīng)用于航空、航天、武器、汽車等行業(yè)。Ti2AlNb合金錐體部件作為一種優(yōu)良的高溫用輕合金，可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道等部位。典型的Ti2AlNb基合金由O相(Ti2AlNb,Cmcm對(duì)稱結(jié)構(gòu))、bcc B2相(有序Pm3m對(duì)稱結(jié)構(gòu))/β相(無(wú)序結(jié)構(gòu))和hcp α2相(Ti3Al, DO19 P63/mmc對(duì)稱結(jié)構(gòu))組成。Ti2AlNb基合金的使用溫度為600-750℃，與Ni基合金相近，但密度比Ni基高溫合金低1/3。然而，Ti2AlNb基合金在熱加工過(guò)程中，其相組成、晶粒形貌和晶粒尺寸的演變相當(dāng)復(fù)雜，Ti2AlNb基合金在室溫下的低延展性和較差的成形性限制了其在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。對(duì)于難變形材料軸對(duì)稱空心件，熱旋壓是提高其成形性能和力學(xué)性能的有效成形工藝，而Ti2AlNb合金的自旋成形迄今尚無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員探討了Ti2AlNb合金的多道次剪切旋壓工藝，并設(shè)計(jì)了三種熱處理方案調(diào)節(jié)組織和力學(xué)性能。分析了Ti2AlNb基合金在剪切旋壓和熱處理過(guò)程中的組織演變及其對(duì)力學(xué)性能的影響。相關(guān)論文以題為“Process design and microstructure-property evolution during shear spinning of Ti2AlNb-based alloy”發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology。
原料Ti2AlNb合金板材成分為Ti-22Al-24Nb-0.5Mo (at.%)，直徑為150mm。在950±30℃下進(jìn)行旋壓實(shí)驗(yàn)。采用三種不同的方案進(jìn)行兩道次剪切旋壓和后處理，不同處理工藝如下所示。
表1 熱處理方案及顯微組織結(jié)構(gòu)
研究發(fā)現(xiàn)第一、二道次旋壓后(SP1和SP2)的顯微組織主要由B2+殘余α2相組成。SP1和SP2的B2相含量分別為95%和91%，SP1的B2相在第一道次旋壓后伸長(zhǎng)至200μm，寬度為30μm，第二道次旋壓后進(jìn)一步縮小至10μm。由于粗條狀B2相滑移邊界不足，SP1和SP2的延伸率分別從650℃時(shí)的18.3%降至8.9%和12.5%，而SP1和SP2工件的抗拉強(qiáng)度分別增加到1163 MPa和932MPa，高于650℃時(shí)的782 MPa。兩道次剪切旋壓B2相織構(gòu)演化為：
圖1 (a)剪切旋壓示意圖; (b) 2道次剪切旋壓過(guò)程示意圖; (c) Ti2AlNb合金剪切旋壓; (d)旋壓取樣位置示意圖
圖2 原始Ti2AlNb合金組織圖、BSE圖、TEM圖和衍射圖
圖3 不同滑移系下RD中B2相的Schmid因素包括{110}
圖4 不同滑移體系下ND中B2相的Schmid因子包括{110}
為了滿足后續(xù)道次剪切旋壓的要求，對(duì)SP1試樣進(jìn)行了H3處理。在900℃時(shí)，SP1-H3的延伸率達(dá)到72.1%，組織為B2+粗大的初生O+針狀O+大量球化的α2相。根據(jù)使用要求，確定H1熱處理方案為960℃/2h的優(yōu)化工藝，可使旋壓工件在650℃獲得良好的綜合力學(xué)性能，組織為B2+初生O+少量沿晶初生α2相。SP2-H1試件的抗彎強(qiáng)度和延伸率分別為934 MPa和15.1%。
由于初生件中存在大量粗大且轉(zhuǎn)變不充分的B2相，導(dǎo)致Ti2AlNb合金在高溫(>900℃)下的熱加工性能較差，難以實(shí)現(xiàn)不經(jīng)道次間熱處理的連續(xù)多道次剪切旋壓工藝。為了提高Ti2AlNb合金多道次旋壓工藝的可旋性，在多道次剪切旋壓過(guò)程中，應(yīng)采用960℃/2h+850℃/12h的H3方案作為道次間熱處理工藝。本文為Ti2AlNb合金軸對(duì)稱空心件的熱成形和應(yīng)用提供了有效指導(dǎo)。（文：破風(fēng)）