某特殊需求的大規(guī)格TC4鈦合金棒材制備工藝研究

　　TC4鈦合金具有良好的室溫及高溫力學(xué)性能，被廣泛用于制造航空結(jié)構(gòu)件和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、鼓筒等，已占到航空用鈦合金總量的50%以上。飛機(jī)的諸多承力結(jié)構(gòu)件，尤其是變截面結(jié)構(gòu)件要求原材料棒材具有很好的缺口應(yīng)力斷裂性能，目的在于保證零件在高應(yīng)力集中的狀態(tài)下具有較強(qiáng)的抑制裂紋萌生和擴(kuò)展的能力，而不致于斷裂失效。國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中該類型TC4鈦合金棒材規(guī)格的上限為(；>220mm。目前，未見國(guó)內(nèi)外關(guān)于要求缺口應(yīng)力斷裂性能的TC4鈦合金棒材制備工藝研究的公開報(bào)道。一般認(rèn)為，TC4鈦合金中的氫含量較高或者組織均勻性較差會(huì)降低其室溫缺口應(yīng)力斷裂性能⑴。在工業(yè)化批量生產(chǎn)中，因工藝不當(dāng)導(dǎo)致此類棒材的缺口應(yīng)力斷裂性能不合格的現(xiàn)象也較為常見。

　　某特殊鍛件的原材料采購(gòu)合同要求按照現(xiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供超規(guī)格范圍的直徑350mmTC4鈦合金棒材，在保證力學(xué)性能指標(biāo)不變的前提下，要求超聲波探傷水平由原較小規(guī)格棒材的GB/T5193中的B級(jí)提高至A級(jí)，因此開展了特殊需求的大規(guī)格TC4鈦合金棒材制備的相關(guān)工藝研究。

　　本實(shí)驗(yàn)采用海綿鈦、中間合金制備5t自耗電極，通過(guò)德國(guó)進(jìn)口的ALD真空自耗電弧爐，經(jīng)3次真空自耗熔煉得到720mm的TC4鈦合金鑄錠。由于高應(yīng)力狀態(tài)下氫的微觀偏聚會(huì)降低缺口應(yīng)力斷裂性能⑴，實(shí)驗(yàn)中對(duì)鑄錠的原料選擇和熔煉過(guò)程均采取了一定的措施來(lái)針對(duì)性地控制鑄錠的氫含量。

　　分別在采用兩種工藝鍛造得到的扣50mmTC4鈦合金成品棒材上沿縱向切取長(zhǎng)度為75mm的棒材進(jìn)行兩種溫度的普通退火處理，退火制度分別為Ml(720尤x2h/AC)和M2(790t：x2h/AC)。用肉眼觀察鍛后棒材的低倍組織；分別在鍛造態(tài)和退火處理后的棒襯上1/2半徑處沿橫向截取金相試樣，采用0LMPUS光學(xué)顯微鏡觀察其微觀組織。在退火處理后的棒材1/2半徑處沿縱向線切割得到試樣坯，機(jī)械加工成符合標(biāo)準(zhǔn)的室溫拉伸和缺口應(yīng)力斷裂性能的測(cè)試試樣，采用lnStron4507拉伸試驗(yàn)機(jī)和DN2缺口拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，觀察缺口應(yīng)力斷裂試樣缺口區(qū)域的顯微組織。采用S0NIC-138VFD超聲波探傷儀對(duì)兩種工藝鍛造得到的TC4鈦合金成品棒材進(jìn)行超聲波無(wú)損探傷檢測(cè)。

　　采用兩種工藝制備的<^50mmTC4鈦合金棒材鍛造態(tài)的低倍組織。從圖1可以看出，采用工藝1制備的TC4鈦合金棒材的低倍組織均勻性較差，呈現(xiàn)從邊緣部位的模糊晶逐漸向中心部位的半清晰晶過(guò)渡的現(xiàn)象；采用工藝2制備的棒材低倍組織均勻性良好，整個(gè)試樣均為模糊晶狀態(tài)。這說(shuō)明采用工藝1進(jìn)行鍛造，鑄錠和中間坯料心部組織被破碎和細(xì)化的程度不夠，這與其總變形量較小直接相關(guān),由于鈦合金變形抗力較大，加之大規(guī)格鈦棒材坯料的體積大，單一直拔變形也很難保證坯料心部變形充分。而工藝2充分利用4500t快鍛機(jī)的大噸位鍛造壓力，使大規(guī)格坯料在兩相區(qū)經(jīng)過(guò)鐓拔變形，保證了坯料的鍛透性，且利用型砧拔長(zhǎng)減少了坯料變形“死區(qū)”，使坯料不同部位均得到了充分變形，獲得了破碎細(xì)化良好且一致性較好的組織。

　　(1)采用p相區(qū)開坯和兩相區(qū)鐓拔+直拔的鍛造工藝，可制備出組織、性能和探傷水平均滿足供貨技術(shù)要求的杏350mm大規(guī)格TC4鈦合金棒材。

　　(2)初生a相等軸化良好的組織有利于提高室溫缺口應(yīng)力斷裂性能，方向一致性較強(qiáng)的短棒狀a相組織會(huì)降低缺口應(yīng)力斷裂性能。