引 言
目前鈦合金鍛件產品被大量用于宇航、軍工和汽車等領域，鈦合金材料具有較高的比強度，密度為4.54g/cm3 ，同時具有較好的熱穩定性和高溫強度。但在鍛件生產過程中，由于TC4材料組織在變形過程中對變形溫度和變形程度極為敏感，容易出現大批量高低倍組織不合格的現象，進而影響鈦合金材料的塑性和高溫強度，這些不合格組織如粗大晶粒、魏氏組織等對于宇航軍工產品來說是致命的隱患 [1] ，因此近些年來有效控制TC4鈦鍛件的組織成為研究熱點。
1、鍛造工藝策劃
1.1 鍛件產品不合格現象分析
以中國某鍛壓企業大批量生產的某零件（鍛件規格為 Ф100×75 mm）為例，原材料為符合 GB/T2965-2007 要求，鍛造生產時 1 次鐓粗成形，始鍛溫度為 970 ℃、終鍛溫度為 850 ℃，此材料在經鍛造和熱處理后力學性能、金相不合格現象時有發生，廢品率較高，如圖 1 所示。
從圖 1 可以看出，低倍組織有肉眼可見的清晰晶粒，按照標準 GJB2744A-2007 評級為 5 級，屬于不合格組織；高倍組織中初生 α 相含量小于 5%，所有 β 晶界未 α 充分破碎，符合標準評級圖中的 7 類，也屬于不合格組織，初步分析為鍛造溫度和變形程度參數選取不當所致。
1.2 試驗流程及方案
為改善鈦合金鍛件質量，避免因高低倍不合格引起大批量產品報廢，計劃開展4組工藝試驗研究，試驗變量為始鍛溫度和變形量，所有產品不檢測高低溫力學性能、不進行探傷工序，其余按照 Ι-GJB2744A-2007驗收，成形尺寸為 Ф（115±3） mm×（75±3） mm，鍛件生產流程如圖 2 所示。
鍛件鍛后熱處理退火溫度為 750 ℃，4 組工藝試驗參數變量如表 1 所示。
2、開展鍛造試驗
2.1 鍛件原材料質量分析
原材料組織對于鍛件組織具有一定的遺傳特性，此次工藝試驗所用原材料標準為 GB/T2965-2007，供應狀態為退火態（M），復驗結果如表 2 所示。
原材料高倍組織如圖 3 所示。
原材料棒材為退火態，由圖 3 可以看出，原材料高倍組織不同部位有一定差別，主要是初生 α 相含量從邊緣到中心部逐漸增多，晶粒尺寸逐漸較小，原因是隨著變形量的增加初生 α 相晶粒的尺寸變小， β 轉變組織所占的比重有所減小 [2] 。
2.2 鍛造試驗
試驗件在 400 kg 空氣錘上進行鍛造，原材料使用電爐加熱，加熱溫度及變形量如表 1 所示，鍛造試驗現場如圖 4 所示。
4組試驗件熱處理制度為完全再結晶退火，退火溫度 750 ℃，保溫 1 h 后空冷。
3、結果分析
熱處理后對 1~4 組試驗鍛件剖切取樣，每組第 1件剖切橫向拉伸試樣和沖擊試樣，第 2 件在 3 個區（Ι-易變形區、Ⅱ-難變形區、Ⅲ-變形死區）切取高、低倍（ Z -軸向、 Q -切向）組織，取樣示意如圖 5 所示。
3.1 力學性能分析
力學性能指標比照表 3 驗收。
由表 4 可以看出，低溫大變形條件下（試驗組 4）對力學性能各項指標較為有利，按照變形工藝力學指標從好到壞依次為：低溫大變形＞低溫常規變形＞高溫常規變形＞高溫大變形；而試驗組 3 力學性能存在超差現象，如圖 6 所示，試驗組 3 低倍評級 5 級、高倍 7 類，鍛件纖維組織存在穿流和渦流現象，會對抗拉和屈服有不良影響 [3] 。
大塑性變形條件下，如果變形速率高，則其溫升效應逐漸凸顯，溫升較大且溫降比較小，極容易導致變形溫度超過 β 相變轉變溫度，導致等軸 α 相變成針狀或片層狀 α 相，且存在比較明顯的魏氏組織和晶界 α相，這也是力學指標超差的主要原因 [5,6] 。
3.2 高倍組織分析
圖 7 為 4 組試驗鍛件剖切后Ⅲ區的高倍組織。
從圖 7a、7c 可以看出，在 970 ℃不同變形程度條件下晶界破碎程度和初生 α 相含量是不同的；對比圖7b、7d 可知：變形量越大、變形溫度越低越容易形成初生 α 相。
圖 8 為 3 個變形區的高倍組織示意。
如圖 8 所示，3 個變形區初生 α 相含量隨變形量減少而逐漸減少，圖 8c 因變形量較低，原始 β 晶界未充分破碎，存在連續、平直的晶界 α 相，該相的存在是裂紋擴展的直接通道，有利于裂紋的擴展，因此導致TC4 材料的塑性指標有所降低 [7] 。
3.3 低倍組織結果統計與金相分析
按圖 5 進行剖切取樣，試驗組 1-4 熱處理后低倍評級統計如表 5 所示。
由表5第1組試驗的低倍組織評級結果分析可知，在高溫常規改鍛情況下，熱處理后會出現高低倍組織超差的現象；初步分析原因為：鍛造溫度過高，且變形量不足，變形所累計的再結晶激活能不夠充足，再結晶晶粒少，少部分晶粒異常長大后，金相組織發生異常 [8,9] ，如圖 9a、9b 所示。
而大變形情況下，高溫高速變形會使鍛件局部溫升過高，溫升會促使難變形區和變形死區顯微組織中 β相轉變為針狀和片狀 α 相，且因變形死區變形量不足而使 β 晶界未完全破碎 [10] ，這種情況下即會形成不合格的組織，如圖 9c 所示，這種現象和表 X 力學性能指標的優劣排序是相符的，說明高溫變形下的不合格低倍組織會對鍛件的力學性能指標造成一定影響。
對比 1、3 組試驗低倍組織檢測情況，如圖 9 所示，大變形對低倍組織有一定改善作用；由試驗組 3 鍛件取樣理化檢測結果可知，試驗件低倍檢測評級與取樣方向有關連，切向一般好于軸向。
4、結 論
a）鍛造變形溫度和變形程度嚴重影響TC4 鈦合金的高低倍組織和力學性能指標，在鍛造溫度 950 ℃和大變形工藝情況下（變形量不小于 70%），鍛件高低倍及理化檢測合格率明顯改善，結果優于其他鍛造生產工藝，驗收指標遠遠高于 GJB 2744A-2007 標準要求。
b）低溫大變形有利于細化晶粒組織、提高鍛件產品力學性能，改善鍛件高倍組織，且變形溫度越低、變形程度越大，越容易出現初生 α 相組織。
c）高低倍組織對力學性能指標有影響，低倍組織穿晶、渦流和高倍組織出現魏氏組織會使產品力學性能指標降低，嚴重影響產品的使用性能。
參考文獻：
[1] 李曙光, 等. 國外高超音速飛行器現狀及有關工藝技術研究[J]. 航天制造技術, 2017(6): 11-14.
Li Shuguang, et al. The research of current situation of foreign hypersonicaircraft and related technology[J]. Aerospace Manufacturing Technology,2017(6): 11-14.
[2] 劉奇先, 等. 鈦合金的研究進展與應用[J]. 航天制造技術, 2018(9):7-10.
Liu Qixian, et al. Progress and application of titanium alloy[J]. AerospaceManufacturing Technology, 2018 (9): 7-10.
[3] 張常娟, 等. 鑄錠成分對TC4鈦合金相變點及鍛造組織的影響[J]. 熱加工工藝, 2017(6): 21-23.
Zhang Changjuan, et al. Influence of ingot composition on phasetransformation point and forging structure of TC4 titanium alloy[J].Thermal Processing Technology, 2017(6): 21-23.
[4] 張志雄, 等. 鈦合金多向鍛造工藝研究進展[J]. 塑性工程學報, 2020(3):185-186.
Zhang Zhixiong, et al. Research progress of multi-directional forgingprocess of titanium alloy[J]. Journal of Plastic Engineering, 2020(3):185-186.
[5] 劉飛, 等 TC4 薄腹高筋構件等溫塑性成形研究[J]. 航天制造技術,2017(6): 11-14.
Liu Fei, et al. Research on isothermal plastic forming of TC4 thin web andhigh reinforced component[J]. Aerospace Manufacturing Technology,2017 (6): 11-14.
[6] 權國輝, 等. TC4 鈦合金熱鍛雙相及晶粒時空演變分析[J]. 模具工業
2020(10): 39-41.Quan Guohui, et al. Analysis of dual phase and grain space-time evolutionin hot forging of TC4 titanium alloy[J]. Mold Industry, 2020(10): 39-41.
[7] 張闖, 等. TC4 合金風扇葉片鍛造工藝及組織性能研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2018.
Zhang Chuang, et al. Research on forging process, microstructure andproperties of TC4 alloy fan blade[D]. Harbin: Harbin University of Technology, 2018.
[8] 龔龍清, 等. 鈦合金多向鍛造數值模擬及實驗研究[D]. 合肥: 合肥工業大學, 2017.
Gong Longqing, et al. Numerical simulation and experimental research onmulti-directional forging of titanium alloy[D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2017.
[9] 宮敏利, 等. TC4 鈦合金鍛件缺陷分析[J]. 熱加工工藝, 2016(6): 14-16.
Gong Minli, et al. The defect analysis of TC4 titanium forging[J]. Thermal Processing Technology, 2016(6): 14-16.
[10] 田喜明, 等 鍛造變形量對 TC4-DT 鈦合金鍛件組織與力學性能的影響[J]. 鈦工業進展, 2013(9): 19-21.
Tian Ximing, et al. Effect of forging deformation on microstructure and mechanical properties of TC4-DT titanium alloy forgings[J]. The Progress of Titanium Industry, 2013(9): 19-21.
作 者 簡 介
宮 成（1988-），男，工程師，主要研究方向為航天領域金屬材料塑性成形工藝。
劉 浩（1989-），男，工程師，主要研究方向為鍛造熱加工。
劉曉霏（1986-），男，高級工程師，主要研究方向有色金屬材料熱處理。
高新亮（1992-），男，工程師，主要研究方向為金屬材料熱處理。
張國慶（1987-），男，工程師，主要研究方向為黑色金屬與有色金屬組織檢測與力學性能分析。
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