于忠斌 王小軍 王長健 曹泉波

(1.海裝重慶局，重慶400042；2.中國二重檢測中心，四川618013)

現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的許多領(lǐng)域正朝著承受高溫、高速和強烈化學(xué)介質(zhì)的方向發(fā)展?，F(xiàn)代航空不但要求飛機速度快，還要求性能好、壽命長、安全可靠，這就給航空材料提出了更高的要求。由于鈦合金具有強度高、耐熱性好、抗腐蝕性好等優(yōu)點，合理地采用鈦合金是減輕飛機結(jié)構(gòu)重量，提高飛機的推重比，改善飛機性能，提高機體可靠性的重要技術(shù)措施之一。

鈦合金模鍛件的生產(chǎn)制造主要存在以下幾個特性：(1)鈦合金的鍛造方式有α+β兩相區(qū)鍛造(β轉(zhuǎn)變溫度以下一定溫度)、準β鍛造，另外熱處理方式也包括α+β兩相區(qū)熱處理(β轉(zhuǎn)變溫度以下一定溫度)、β熱處理。鍛造工藝溫度和熱處理工藝溫度制定的關(guān)鍵依據(jù)是β轉(zhuǎn)變溫度，目前β轉(zhuǎn)變溫度的測定方法一般采用金相法，因此每批鍛件在生產(chǎn)前首先需要采用金相法測定材料的β轉(zhuǎn)變溫度，才能制定鍛造工藝和熱處理工藝進行生產(chǎn)；(2)鍛造工藝變形量和鈦合金低倍組織(低倍晶粒大小)、顯微組織級別有明顯的關(guān)系。棒材原始低倍組織和顯微組織的不同，鐓拔工藝就要隨之進行相應(yīng)的調(diào)整和改變，因此在制定鍛造工藝(變形量、鍛造火次)時首先要考慮材料的低倍、高倍組織情況；(3)鈦合金的組織和性能有明顯的關(guān)系，顯微組織決定力學(xué)性能，當(dāng)需要調(diào)整力學(xué)性能時，首先就要確定材料的顯微組織，方可調(diào)整產(chǎn)品的熱處理工藝。由此可見，鈦合金的生產(chǎn)，無論是鍛造還是熱處理都與金相分析有著密切的關(guān)系，需要充分應(yīng)用金相分析結(jié)果。

本文總結(jié)了金相分析技術(shù)在鈦合金模鍛件產(chǎn)品的鍛造和熱處理實際生產(chǎn)中的應(yīng)用情況，從而為今后制定鈦合金工藝技術(shù)規(guī)范奠定了一定的基礎(chǔ)。

1 β相變點測試的準確性對鈦合金組織性能的影響

新型飛機采用損傷容限設(shè)計，為得到高強高韌組織，通常鍛造工藝采用準β、近β鍛造工藝或準β熱處理，即在β轉(zhuǎn)變溫度附近進行鍛造或熱處理，如TC21、TC18、TC25、TC4-DT。若溫度測試準確，可以得到組織均勻細密的網(wǎng)籃組織，見圖1。若溫度測試偏高，組織粗化晶界連續(xù)，將降低鍛件塑性指標(biāo)，見圖2。若溫度測試偏低，則僅得到等軸組織，斷裂韌性指標(biāo)將不合格，見圖3。

根據(jù)上述分析，如果相變點測試不準確，將直接影響鈦合金產(chǎn)品的組織與性能，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的報廢。因此在制定鈦合金鍛造工藝前確定準確測試相變點是極其關(guān)鍵的。

2 金相法測試鈦合金β相變點

采用金相法測試鈦合金相變點一直是個難點，其中關(guān)鍵在于試樣的腐蝕方法。金相分析人員先后采用多種腐蝕劑配方，效果均不理想，試樣上假象較多，降低了相變點評定的準確性，見圖4。

圖1 網(wǎng)籃組織Figure 1 Basketweave microstructure

圖2 晶界粗化的片狀組織Figure 2 The lamellar microstructure of coarse grain boundary

圖3 等軸組織Figure 3 Equiaxed structure

圖4 氫氟酸+硝酸+水腐蝕后的金相組織Figure 4 The metallographic structure after corrosion by HF + HNO3 + water

圖5 硝酸+雙氧水腐蝕后的金相組織Figure 5 The metallographic structure after corrosion by HNO3 +H2O2

某爐號的TC4-DT按國家標(biāo)準推薦的腐蝕液進行腐蝕，腐蝕液為氫氟酸、硝酸、水的混合溶液，評定結(jié)果為相變點溫度983℃。經(jīng)過我們反復(fù)試驗后，采用硝酸、雙氧水的混合溶液熱腐蝕后，試樣上的α相清晰，沒有假象，評定的準確性提高，評定結(jié)果為978℃，見圖5。

3 原材料復(fù)驗低倍組織、顯微組織對鈦合金改鍛工藝的影響

鈦合金的鍛造一般分為三個過程：第一個過程為鐓拔，即將不同低倍組織、顯微組織的原材料改鍛后得到所需要的均勻的兩相區(qū)組織，例如TC18鈦合金經(jīng)改鍛后須得到均勻的等軸組織或雙態(tài)組織，為最終的β鍛進行準備；第二個過程是鍛荒，即將工件鍛成一定形狀，為下一步的β模鍛成形做準備，而這個過程，組織不變；第三個過程是β模鍛成形，即經(jīng)過前兩個過程的組織準備和形狀準備后，最終β模鍛成形，得到所需要的鍛件產(chǎn)品。

鐓拔工藝是鍛造過程的第一步，需要根據(jù)原材料復(fù)驗時的低倍組織、顯微組織的評定情況進行制定。原材料低倍晶粒較大時，在改鍛時就需要增加鍛造火次，加大鍛造變形量，使得原始組織中的晶界α相充分破碎。例如某爐號的TC18鈦合金棒料，原材料復(fù)驗時低倍組織為10級不合格，見圖6，顯微組織為4類b級不合格，見圖7。根據(jù)原材料復(fù)驗結(jié)果，為確保最終鍛件高倍組織達到8類以內(nèi)，低倍組織達到5級，我們從改鍛工藝上下工夫。首先在α+β兩相區(qū)進行一鐓一拔大變形，將網(wǎng)籃組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S或雙態(tài)組織，同時對材料成分不均勻引起的粗大低倍組織進行細化，再在β單相區(qū)進行多次鐓拔，通過相變及大變形充分細化原始坯料的高低倍組織，最后再在α+β兩相區(qū)進行多次鐓拔，破碎已經(jīng)較為均勻細小的網(wǎng)籃組織，得到更加均勻細密的等軸組織。這一實踐為今后大規(guī)格復(fù)雜形狀鍛件多火次鍛造后獲得良好組織性能奠定了基礎(chǔ)。

若原材料復(fù)驗時低倍組織、顯微組織的評定結(jié)果都良好，則不需要加大變形量，增加火次。例如某爐號的TC18鈦合金棒材，低倍6級合格(見圖8)，高倍1類b級合格(見圖9)。根據(jù)原材料復(fù)驗結(jié)果，該爐鍛件高倍組織較好，球狀α均勻細小，低倍組織較為均勻，但晶粒較粗，因此還須進行改鍛工藝。進行α+β兩相區(qū)多次鐓拔，就得到晶粒更細、球狀α更加均勻細小的等軸組織。

4 中間狀態(tài)高倍組織對鍛造工藝參數(shù)的影響

改鍛工藝的目的是得到所需要的顯微組織，為最終的模鍛成形工藝做好組織準備。因此在模鍛成形前進行組織檢驗時，如果中間坯組織檢驗結(jié)果良好，模鍛成形工藝按原計劃進行，但如果中間坯組織檢驗結(jié)果不理想，就需要調(diào)整模鍛成形工藝。例如TA15鈦合金，通過在α+β兩相區(qū)改鍛后，初生α相含量為15%～30%就可以獲得良好的組織性能。若中間坯高倍檢查α相含量太高，超過30%以上則模鍛成形時應(yīng)適當(dāng)提高鍛造溫度，從而提高最終鍛件強度指標(biāo)。若中間坯高倍檢查α相含量太低，模鍛成形時應(yīng)適當(dāng)降低鍛造溫度，增大鍛件變形量，調(diào)整初生α相含量，從而提高最終鍛件塑性指標(biāo)。

5 鈦合金組織分析在性能分析中的應(yīng)用

鈦合金的組織主要分為四類：片狀、網(wǎng)籃、雙態(tài)、等軸，每一種組織都有相對應(yīng)的力學(xué)性能，見表1。當(dāng)性能結(jié)果異常時，應(yīng)運用組織決定性能的關(guān)系，進行金相組織分析，確定究竟是工藝存在問題，還是性能實驗操作存在問題。

圖6 TC18原材料晶粒粗大的低倍組織Figure 6 Macrostructure of coarse grain of TC18 raw material

圖7 TC18原材料有晶界α相的顯微組織 500×Figure 7 The microstructure of TC18 raw material withαphase grain boundary 500×

圖8 低倍組織較好Figure 8 Good macrostructure

圖9 高倍組織較好 500×Figure 9 Good microstructure 500×

組織類型室溫拉伸熱穩(wěn)定性高溫性能斷裂韌性疲勞性能強度塑性強度塑性拉伸持久蠕變KICda/dN低周高周等軸好最好好好一般差差最差快較差好雙態(tài)與等軸組織同一水平高于等軸較好較快較好高于等軸網(wǎng)籃高于等軸差好差高于雙態(tài)好慢高于等軸差片狀較差最差差最差較差差最快差差

某爐號的TA15鈦合金，性能檢驗時，室溫塑性指標(biāo)Z僅為15%(標(biāo)準要求≥25%)，不符合標(biāo)準要求，而另一件試樣Z合格。對Z不合格的拉伸試樣進行金相組織分析，金相組織按標(biāo)準評定為3級合格，見圖10。根據(jù)組織決定性能的原理，該鍛件塑性應(yīng)合格，重新取樣雙倍復(fù)試，Z均達到40%以上。

某爐號TC18鈦合金，性能檢驗時，斷裂韌性KIC僅為49.537 MPa·m1/2(標(biāo)準要求≥60 MPa·m1/2)，不符合標(biāo)準要求，運用組織決定性能的原理，該鍛件組織為等軸組織(標(biāo)準要求為網(wǎng)籃組織)，見圖11，不符合標(biāo)準要求。而等軸組織的KIC比網(wǎng)籃組織差，所以鍛件的KIC指標(biāo)就低于標(biāo)準要求了。導(dǎo)致產(chǎn)生等軸組織的原因主要在于鍛造工藝溫度或者熱處理溫度偏低。調(diào)整了熱處理工藝，提高熱處理固溶溫度后，KIC指標(biāo)即達到了標(biāo)準的要求。

6 結(jié)論

很多產(chǎn)品諸如大型鑄鍛件、加氫容器、核電產(chǎn)品等，僅在產(chǎn)品的最終檢驗中有金相檢驗項目，甚至有的產(chǎn)品根本就沒有金相檢驗項目，那么在生產(chǎn)工藝控制過程中就更沒有應(yīng)用金相分析技術(shù)。本項目充分發(fā)揮了金相分析的作用，應(yīng)用組織決定性能的原理，將金相分析技術(shù)充分應(yīng)用到鈦合金生產(chǎn)工藝中的每一個環(huán)節(jié)，從而確保了產(chǎn)品的合格率。

圖10 TA15鈦合金雙態(tài)組織 500×Figure 10 The duplex microstructure of TA15 titanium alloy 500×

圖11 TC18鈦合金等軸組織 500×Figure 11 The equiaxed structure of TC18 titanium alloy 500×