文/黃通柱，雷永旭，王瑞林·中國航發(fā)成都發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司

門正興，岳太文，馬亞鑫·成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院

TA7 鈦合金是一種中等強(qiáng)度的單相α 型鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-2.5Sn。TA7 鈦合金在低溫至500℃范圍內(nèi)均具有比強(qiáng)度高，塑性好、缺口敏感性小、焊接性優(yōu)良等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域中低溫服役結(jié)構(gòu)件、機(jī)匣殼體、壁板以及緊固件等零件。TA7 鈦合金鍛造溫度區(qū)間較窄，若工藝控制不當(dāng)易產(chǎn)生開裂。TA7 鈦合金材料顯微組織及力學(xué)性能對鍛造溫度區(qū)間及變形量非常敏感，常出現(xiàn)組織不合格、力學(xué)性能不達(dá)標(biāo)等缺陷，最終成品率較低。

本文以TA7 鈦合金環(huán)形鍛造成形過程為例，分析了原鍛造成形方案產(chǎn)生缺陷的主要原因；通過對鍛造過程精細(xì)化控制和鍛造工藝優(yōu)化得到了均勻細(xì)小等軸α 組織、少裂紋的TA7 鈦合金環(huán)形件，該優(yōu)化過程對大型鈦合金環(huán)形件的鍛造成形具有指導(dǎo)意義。

TA7 鈦合金環(huán)形件原材料

成形TA7 鈦合金環(huán)形件外徑750mm，內(nèi)徑680 mm，高115mm，原材料為φ250mm 棒料。采用金相法測得TA7 鈦合金相變點(diǎn)為1015℃。原始材料的化學(xué)成分見表1。TA7 鈦合金原始顯微組織，如圖1所示，為原始β 相晶間分布拉長狀態(tài)α 相。

表1 TA7 鈦合金原材料化學(xué)成分(wt %)

原鍛造工藝及成形缺陷

TA7 鈦合金環(huán)形件原鍛造工藝路線為：下料→鐓粗→沖孔→馬杠擴(kuò)孔→環(huán)軋。在鐓粗過程中，TA7 鍛件表面產(chǎn)生密集平行或垂直于成形方向的表面裂紋，如圖2 所示。在鍛造過程中，產(chǎn)生表面裂紋的主要原因?yàn)殁伜辖馃醾鲗?dǎo)率較低、常溫塑性較差，毛坯表面溫度下降過快。解決方法為在坯料表面涂玻璃潤滑劑和在鍛造過程中墊玻璃布。嚴(yán)格控制成形溫度、對成形模具進(jìn)行預(yù)熱以及在鍛造過程中，增加零件表面清傷工序，也能有效減少零件表面裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

TA7 鈦合金環(huán)形件顯微組織，如圖3 所示，為典型魏氏組織。形成魏氏組織的主要原因?yàn)椋孩臫A7鈦合金原材料為單向拔長開坯棒料，未進(jìn)行反復(fù)鐓拔，鑄態(tài)組織未完全破碎；⑵原鍛造工藝流程較短、鍛比有限，無法獲得均勻細(xì)小的等軸α 組織；⑶在鍛造過程中，毛坯鐓粗和馬杠擴(kuò)孔打擊力量較大，產(chǎn)生局部溫升現(xiàn)象，導(dǎo)致鍛件組織不合格。

鍛造工藝優(yōu)化及過程控制

根據(jù)以上分析，對TA7 鈦合金環(huán)形件鍛造成形工藝進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的鍛造工藝路線為：下料→兩鐓兩拔→鐓粗→沖孔→兩次馬杠擴(kuò)孔→環(huán)軋，如圖4所示。工藝控制要點(diǎn)：⑴在下料過程中，毛料端面必須倒圓角，圓角半徑按坯料直徑的10%左右控制；⑵TA7 鈦合金改鍛鍛造溫度選定在相變點(diǎn)溫度以下5℃進(jìn)行，對零件表面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，低于鍛造溫度范圍停止鍛造；⑶在鐓粗過程中，上下錘砧提前預(yù)熱，零件表面墊玻璃布緩解鍛件表面溫度下降；⑷最后一次鐓粗后，將鍛件冷卻后進(jìn)行表面清傷，加熱后再?zèng)_孔；⑸沖孔過程中，沖子圓角半徑5mm，沖孔前對沖子進(jìn)行預(yù)熱處理；⑹馬杠擴(kuò)孔及環(huán)軋?jiān)谙嘧凕c(diǎn)溫度以下25℃進(jìn)行，防止成形過程中的升溫現(xiàn)象；⑺馬杠擴(kuò)孔過程中，每火次的變形量都應(yīng)控制在30%以上。

TA7 鈦合金環(huán)形件環(huán)軋工序在2500mm 擴(kuò)孔機(jī)上完成，環(huán)軋過程控制對環(huán)件最終質(zhì)量至關(guān)重要。工藝控制要點(diǎn)：1）環(huán)軋過程材料變形程度須大于30%；2）環(huán)軋溫度為相變點(diǎn)溫度以下25℃；3）環(huán)軋整個(gè)過程應(yīng)在3 分鐘內(nèi)完成；4）環(huán)軋過程芯軸預(yù)熱150 ～250℃。

TA7 鈦合金環(huán)形件試制

TA7 鈦合金環(huán)形件環(huán)軋過程，如圖5 所示。鍛后環(huán)件，如圖6 所示，表面無裂紋、折疊等表面缺陷。環(huán)形件經(jīng)800℃/2h 退火后，進(jìn)行力學(xué)性能及顯微組織檢查，室溫拉伸、高溫拉伸、沖擊韌性等力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)到TA7 鈦合金鍛件技術(shù)條件的要求，鍛件尺寸符合了圖紙要求，低倍試樣經(jīng)過檢查后無夾雜、偏析等缺陷。TA7 鈦合金環(huán)形件200 倍及500 倍顯微組織，如圖7 所示，為拉長狀態(tài)的α 相和晶間β 相，符合鍛件技術(shù)條件要求。TA7 鈦合金環(huán)形件的試制成功，證明了優(yōu)化后的工藝路線、鍛造全流程參數(shù)精細(xì)化控制合理。

結(jié)論

⑴TA7 鈦合金環(huán)形件表面裂紋形成原因?yàn)槊鞅砻鏈囟认陆悼?。TA7 鈦合金環(huán)形件顯微組織為魏氏組織的主要原因?yàn)殄懺旒訜釡囟鹊倪x定、成形鍛比不足以及成形過程局部過熱。

⑵避免TA7 鈦合金環(huán)形件表面裂紋以及組織不合格情況，需要對整個(gè)鍛造全流程精細(xì)化控制，實(shí)現(xiàn)每個(gè)工序中鍛造加熱溫度、變形量、變形時(shí)間、芯軸預(yù)熱等方面的嚴(yán)格控制。