引 言

目前钛合金锻件产品被大量用于宇航、军工和汽车等领域，钛合金材料具有较高的比强度，密度为4.54g/cm³ ，同时具有较好的热稳定性和高温强度。但在锻件生产过程中，由于TC4材料组织在变形过程中对变形温度和变形程度极为敏感，容易出现大批量高低倍组织不合格的现象，进而影响钛合金材料的塑性和高温强度，这些不合格组织如粗大晶粒、魏氏组织等对于宇航军工产品来说是致命的隐患 [1] ，因此近些年来有效控制TC4钛锻件的组织成为研究热点。

1、锻造工艺策划

1.1 锻件产品不合格现象分析

以中国某锻压企业大批量生产的某零件（锻件规格为 Ф100×75 mm）为例，原材料为符合 GB/T2965-2007 要求，锻造生产时 1 次镦粗成形，始锻温度为 970 ℃、终锻温度为 850 ℃，此材料在经锻造和热处理后力学性能、金相不合格现象时有发生，废品率较高，如图 1 所示。

从图 1 可以看出，低倍组织有肉眼可见的清晰晶粒，按照标准 GJB2744A-2007 评级为 5 级，属于不合格组织；高倍组织中初生 α 相含量小于 5%，所有 β 晶界未 α 充分破碎，符合标准评级图中的 7 类，也属于不合格组织，初步分析为锻造温度和变形程度参数选取不当所致。

1.2 试验流程及方案

为改善钛合金锻件质量，避免因高低倍不合格引起大批量产品报废，计划开展4组工艺试验研究，试验变量为始锻温度和变形量，所有产品不检测高低温力学性能、不进行探伤工序，其余按照 Ι-GJB2744A-2007验收，成形尺寸为 Ф（115±3） mm×（75±3） mm，锻件生产流程如图 2 所示。

锻件锻后热处理退火温度为 750 ℃，4 组工艺试验参数变量如表 1 所示。

2、开展锻造试验

2.1 锻件原材料质量分析

原材料组织对于锻件组织具有一定的遗传特性，此次工艺试验所用原材料标准为 GB/T2965-2007，供应状态为退火态（M），复验结果如表 2 所示。

原材料高倍组织如图 3 所示。

原材料棒材为退火态，由图 3 可以看出，原材料高倍组织不同部位有一定差别，主要是初生 α 相含量从边缘到中心部逐渐增多，晶粒尺寸逐渐较小，原因是随着变形量的增加初生 α 相晶粒的尺寸变小， β 转变组织所占的比重有所减小 [2] 。

2.2 锻造试验

试验件在 400 kg 空气锤上进行锻造，原材料使用电炉加热，加热温度及变形量如表 1 所示，锻造试验现场如图 4 所示。

4组试验件热处理制度为完全再结晶退火，退火温度 750 ℃，保温 1 h 后空冷。

3、结果分析

热处理后对 1~4 组试验锻件剖切取样，每组第 1件剖切横向拉伸试样和冲击试样，第 2 件在 3 个区（Ι-易变形区、Ⅱ-难变形区、Ⅲ-变形死区）切取高、低倍（ Z -轴向、 Q -切向）组织，取样示意如图 5 所示。

3.1 力学性能分析

力学性能指标比照表 3 验收。

由表 4 可以看出，低温大变形条件下（试验组 4）对力学性能各项指标较为有利，按照变形工艺力学指标从好到坏依次为：低温大变形＞低温常规变形＞高温常规变形＞高温大变形；而试验组 3 力学性能存在超差现象，如图 6 所示，试验组 3 低倍评级 5 级、高倍 7 类，锻件纤维组织存在穿流和涡流现象，会对抗拉和屈服有不良影响 [3] 。

大塑性变形条件下，如果变形速率高，则其温升效应逐渐凸显，温升较大且温降比较小，极容易导致变形温度超过 β 相变转变温度，导致等轴 α 相变成针状或片层状 α 相，且存在比较明显的魏氏组织和晶界 α相，这也是力学指标超差的主要原因 [5,6] 。

3.2 高倍组织分析

图 7 为 4 组试验锻件剖切后Ⅲ区的高倍组织。

从图 7a、7c 可以看出，在 970 ℃不同变形程度条件下晶界破碎程度和初生 α 相含量是不同的；对比图7b、7d 可知：变形量越大、变形温度越低越容易形成初生 α 相。

图 8 为 3 个变形区的高倍组织示意。

如图 8 所示，3 个变形区初生 α 相含量随变形量减少而逐渐减少，图 8c 因变形量较低，原始 β 晶界未充分破碎，存在连续、平直的晶界 α 相，该相的存在是裂纹扩展的直接通道，有利于裂纹的扩展，因此导致TC4 材料的塑性指标有所降低 [7] 。

3.3 低倍组织结果统计与金相分析

按图 5 进行剖切取样，试验组 1-4 热处理后低倍评级统计如表 5 所示。

由表5第1组试验的低倍组织评级结果分析可知，在高温常规改锻情况下，热处理后会出现高低倍组织超差的现象；初步分析原因为：锻造温度过高，且变形量不足，变形所累计的再结晶激活能不够充足，再结晶晶粒少，少部分晶粒异常长大后，金相组织发生异常 [8,9] ，如图 9a、9b 所示。

而大变形情况下，高温高速变形会使锻件局部温升过高，温升会促使难变形区和变形死区显微组织中 β相转变为针状和片状 α 相，且因变形死区变形量不足而使 β 晶界未完全破碎 [10] ，这种情况下即会形成不合格的组织，如图 9c 所示，这种现象和表 X 力学性能指标的优劣排序是相符的，说明高温变形下的不合格低倍组织会对锻件的力学性能指标造成一定影响。

对比 1、3 组试验低倍组织检测情况，如图 9 所示，大变形对低倍组织有一定改善作用；由试验组 3 锻件取样理化检测结果可知，试验件低倍检测评级与取样方向有关连，切向一般好于轴向。

4、结 论

a）锻造变形温度和变形程度严重影响TC4钛合金的高低倍组织和力学性能指标，在锻造温度 950 ℃和大变形工艺情况下（变形量不小于 70%），锻件高低倍及理化检测合格率明显改善，结果优于其他锻造生产工艺，验收指标远远高于 GJB 2744A-2007 标准要求。

b）低温大变形有利于细化晶粒组织、提高锻件产品力学性能，改善锻件高倍组织，且变形温度越低、变形程度越大，越容易出现初生 α 相组织。

c）高低倍组织对力学性能指标有影响，低倍组织穿晶、涡流和高倍组织出现魏氏组织会使产品力学性能指标降低，严重影响产品的使用性能。

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作 者 简 介

宫 成（1988-），男，工程师，主要研究方向为航天领域金属材料塑性成形工艺。

刘 浩（1989-），男，工程师，主要研究方向为锻造热加工。

刘晓霏（1986-），男，高级工程师，主要研究方向有色金属材料热处理。

高新亮（1992-），男，工程师，主要研究方向为金属材料热处理。

张国庆（1987-），男，工程师，主要研究方向为黑色金属与有色金属组织检测与力学性能分析。

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