引 言
目(mu)前(qian)钛(tai)合金(jin)锻(duan)件产(chan)品(pin)被(bei)大(da)量用于(yu)宇(yu)航、军工(gong)和汽车等(deng)领(ling)域，钛合金(jin)材料具有较(jiao)高(gao)的(de)比(bi)强度，密(mi)度为(wei)4.54g/cm3，同(tong)时具(ju)有(you)较好的热稳定性(xing)和高(gao)温(wen)强度。但在锻(duan)件(jian)生(sheng)产过程(cheng)中，由(you)于TC4材料组(zu)织(zhi)在(zai)变(bian)形过(guo)程中(zhong)对变形温(wen)度(du)和(he)变形(xing)程(cheng)度极为(wei)敏(min)感，容易(yi)出现(xian)大(da)批量高低倍(bei)组织不(bu)合(he)格(ge)的(de)现(xian)象，进而影(ying)响钛(tai)合金(jin)材料的(de)塑(su)性和(he)高温(wen)强度(du)，这些不(bu)合格组(zu)织如粗(cu)大(da)晶粒、魏(wei)氏(shi)组(zu)织(zhi)等对(dui)于宇(yu)航(hang)军工(gong)产品(pin)来(lai)说(shuo)是致(zhi)命的隐患(huan)[1]，因此(ci)近(jin)些年(nian)来(lai)有(you)效控(kong)制(zhi)TC4钛锻件的(de)组(zu)织成为研(yan)究(jiu)热点(dian)。
1、锻造(zao)工(gong)艺(yi)策划
1.1 锻(duan)件(jian)产品不(bu)合格(ge)现象(xiang)分(fen)析
以(yi)中国某锻(duan)压(ya)企(qi)业(ye)大(da)批量生(sheng)产的(de)某(mou)零件（锻(duan)件规格为Ф100×75 mm）为例，原材(cai)料(liao)为符合(he)GB/T 2965-2007要(yao)求(qiu)，锻(duan)造生产时(shi)1次镦(dui)粗成形，始锻(duan)温(wen)度(du)为970 ℃、终锻(duan)温度(du)为(wei)850 ℃，此(ci)材(cai)料在(zai)经锻(duan)造和(he)热(re)处(chu)理后(hou)力(li)学性(xing)能(neng)、金相(xiang)不(bu)合格(ge)现(xian)象(xiang)时有发生(sheng)，废(fei)品(pin)率较(jiao)高(gao)，如(ru)图1所示(shi)。
从(cong)图1可以看出(chu)，低倍组(zu)织有(you)肉(rou)眼可见(jian)的(de)清(qing)晰晶(jing)粒，按照(zhao)标(biao)准GJB2744A-2007评级(ji)为5级，属于不(bu)合(he)格组织；高倍组织(zhi)中(zhong)初(chu)生(sheng)α相含量(liang)小(xiao)于5%，所(suo)有(you)β晶(jing)界未α充(chong)分(fen)破碎(sui)，符合(he)标(biao)准(zhun)评级(ji)图中的7类，也属(shu)于(yu)不(bu)合(he)格(ge)组织，初步(bu)分(fen)析(xi)为锻(duan)造(zao)温(wen)度和变(bian)形(xing)程(cheng)度参(can)数(shu)选(xuan)取(qu)不当(dang)所(suo)致(zhi)。
1.2 试(shi)验流程(cheng)及(ji)方(fang)案(an)
为改(gai)善(shan)钛合金锻(duan)件(jian)质量(liang)，避(bi)免因(yin)高(gao)低倍(bei)不合格(ge)引起(qi)大(da)批(pi)量产品(pin)报(bao)废(fei)，计划(hua)开展(zhan)4组工艺(yi)试验(yan)研(yan)究(jiu)，试验变量为(wei)始锻温(wen)度和(he)变(bian)形量(liang)，所(suo)有产品不检(jian)测(ce)高低(di)温(wen)力(li)学性能、不进(jin)行探(tan)伤(shang)工(gong)序，其(qi)余按(an)照Ι-GJB2744A-2007验(yan)收(shou)，成形(xing)尺寸(cun)为Ф（115±3） mm×（75±3） mm，锻件(jian)生(sheng)产(chan)流(liu)程如图(tu)2所示。
锻件锻(duan)后(hou)热处(chu)理(li)退火(huo)温度为(wei)750 ℃，4组工(gong)艺试验(yan)参数(shu)变(bian)量(liang)如(ru)表1所(suo)示(shi)。
2、开(kai)展锻造(zao)试验
2.1 锻(duan)件(jian)原(yuan)材料质(zhi)量(liang)分析
原材料组织(zhi)对于锻件组织具(ju)有一(yi)定的(de)遗传特(te)性，此(ci)次工(gong)艺试验(yan)所(suo)用原(yuan)材(cai)料标(biao)准(zhun)为(wei)GB/T2965-2007，供应状(zhuang)态(tai)为退火态（M），复验(yan)结(jie)果如(ru)表(biao)2所示。
原材料(liao)高倍组织如(ru)图(tu)3所(suo)示(shi)。
原材料棒(bang)材(cai)为退火态(tai)，由(you)图3可(ke)以(yi)看(kan)出，原(yuan)材料高(gao)倍(bei)组织(zhi)不同部位有(you)一(yi)定(ding)差别，主(zhu)要是(shi)初(chu)生α相含(han)量从(cong)边(bian)缘(yuan)到中心(xin)部逐(zhu)渐(jian)增多，晶(jing)粒(li)尺寸逐渐较小，原因(yin)是随(sui)着(zhe)变(bian)形(xing)量(liang)的(de)增(zeng)加初(chu)生α相(xiang)晶(jing)粒(li)的尺寸变小(xiao)，β转(zhuan)变组织所占的(de)比(bi)重有(you)所减小[2]。
2.2 锻造(zao)试(shi)验
试(shi)验(yan)件(jian)在(zai)400 kg空气锤上进行(xing)锻(duan)造(zao)，原材(cai)料使(shi)用电(dian)炉(lu)加(jia)热(re)，加热温(wen)度(du)及变形量如(ru)表(biao)1所(suo)示，锻(duan)造(zao)试验(yan)现场(chang)如图4所示。
4组试(shi)验件(jian)热处理制(zhi)度(du)为完全(quan)再(zai)结(jie)晶(jing)退火，退火温度750 ℃，保温(wen)1 h后空冷。
3、结果分(fen)析
热处(chu)理(li)后(hou)对1~4组(zu)试验锻(duan)件(jian)剖切取(qu)样(yang)，每(mei)组(zu)第(di)1件(jian)剖切(qie)横(heng)向(xiang)拉(la)伸试(shi)样和冲(chong)击试样，第2件在3个区(qu)（Ι-易(yi)变(bian)形区(qu)、Ⅱ-难变形(xing)区(qu)、Ⅲ-变形(xing)死区）切取(qu)高(gao)、低(di)倍(bei)（Z-轴(zhou)向(xiang)、Q-切向(xiang)）组织，取样(yang)示意如图(tu)5所示(shi)。
3.1 力(li)学(xue)性能(neng)分(fen)析(xi)
力学(xue)性能指(zhi)标(biao)比照表(biao)3验(yan)收(shou)。
1~4试(shi)验(yan)锻(duan)件力学性能(neng)统(tong)计(ji)如(ru)表(biao)4所示。
由表4可以(yi)看(kan)出，低温(wen)大变形条件下（试验组(zu)4）对(dui)力(li)学(xue)性(xing)能(neng)各(ge)项(xiang)指(zhi)标较(jiao)为有利，按(an)照(zhao)变形工艺(yi)力学指(zhi)标从好(hao)到坏依(yi)次(ci)为(wei)：低温大变(bian)形＞低(di)温常规变形(xing)＞高(gao)温常(chang)规变(bian)形＞高(gao)温大变(bian)形；而试验组3力学性能存在(zai)超差现(xian)象，如图(tu)6所(suo)示，试验(yan)组3低(di)倍(bei)评级5级、高倍7类(lei)，锻件纤(xian)维(wei)组(zu)织存(cun)在(zai)穿流和(he)涡(wo)流现(xian)象，会对抗(kang)拉(la)和屈服有不良影响(xiang)[3]。
大(da)塑性(xing)变形条件下(xia)，如(ru)果(guo)变(bian)形(xing)速(su)率高(gao)，则其温升效应逐(zhu)渐凸显(xian)，温升较(jiao)大且温(wen)降(jiang)比较小(xiao)，极(ji)容易(yi)导(dao)致变形(xing)温(wen)度超过β相变转变温(wen)度，导(dao)致(zhi)等(deng)轴(zhou)α相变成针状(zhuang)或(huo)片(pian)层(ceng)状(zhuang)α相(xiang)，且(qie)存在比(bi)较明显的魏氏(shi)组织(zhi)和(he)晶界α相，这也(ye)是(shi)力(li)学(xue)指标超差(cha)的(de)主(zhu)要原(yuan)因[5,6]。
3.2 高(gao)倍组织分(fen)析(xi)
图(tu)7为(wei)4组试(shi)验锻(duan)件(jian)剖切后(hou)Ⅲ区(qu)的高倍(bei)组(zu)织。
从(cong)图7a、7c可以看(kan)出，在970 ℃不同变(bian)形程度条件(jian)下(xia)晶(jing)界破(po)碎(sui)程度(du)和(he)初(chu)生α相(xiang)含(han)量是(shi)不同(tong)的(de)；对比(bi)图(tu)7b、7d可知：变形量(liang)越(yue)大(da)、变(bian)形温(wen)度(du)越低越(yue)容(rong)易(yi)形成(cheng)初(chu)生α相。
图8为(wei)3个(ge)变(bian)形区的高(gao)倍组织示意。
如(ru)图8所(suo)示(shi)，3个变(bian)形(xing)区(qu)初(chu)生α相(xiang)含量(liang)随(sui)变形量(liang)减(jian)少而逐(zhu)渐(jian)减少(shao)，图(tu)8c因变形量(liang)较(jiao)低，原(yuan)始(shi)β晶(jing)界(jie)未(wei)充(chong)分破碎(sui)，存(cun)在(zai)连续、平(ping)直(zhi)的(de)晶(jing)界α相，该(gai)相的(de)存在(zai)是(shi)裂(lie)纹(wen)扩展的直(zhi)接通道(dao)，有(you)利(li)于(yu)裂(lie)纹(wen)的扩展(zhan)，因(yin)此导(dao)致TC4材料的(de)塑(su)性(xing)指标(biao)有(you)所(suo)降低[7]。
3.3 低倍(bei)组织(zhi)结果统(tong)计(ji)与(yu)金(jin)相(xiang)分(fen)析
按图5进行(xing)剖(pou)切(qie)取样，试验组(zu)1-4热处(chu)理后(hou)低倍评(ping)级(ji)统计如表(biao)5所(suo)示(shi)。
由(you)表5第(di)1组试(shi)验的(de)低倍(bei)组(zu)织评级结果(guo)分(fen)析可(ke)知(zhi)，在高温常规(gui)改锻情况(kuang)下(xia)，热处(chu)理后会出(chu)现(xian)高低倍组(zu)织(zhi)超差(cha)的(de)现(xian)象；初(chu)步分析原因(yin)为：锻(duan)造温度(du)过高，且(qie)变(bian)形(xing)量(liang)不(bu)足(zu)，变(bian)形(xing)所累计的再结晶(jing)激(ji)活(huo)能不(bu)够充(chong)足，再结(jie)晶晶(jing)粒(li)少(shao)，少(shao)部(bu)分晶(jing)粒(li)异常长(zhang)大(da)后，金相(xiang)组织发生异常[8,9]，如图(tu)9a、9b所(suo)示。 而(er)大(da)变(bian)形(xing)情况(kuang)下，高温高速变(bian)形会使锻(duan)件局部(bu)温升(sheng)过(guo)高(gao)，温(wen)升(sheng)会(hui)促(cu)使(shi)难(nan)变(bian)形(xing)区(qu)和变(bian)形死区(qu)显(xian)微(wei)组(zu)织(zhi)中(zhong)β相转变(bian)为(wei)针状(zhuang)和(he)片(pian)状(zhuang)α相(xiang)，且(qie)因(yin)变形死(si)区变(bian)形量(liang)不(bu)足而使(shi)β晶界未(wei)完全破碎[10]，这种(zhong)情况(kuang)下即会形(xing)成(cheng)不合格(ge)的组(zu)织(zhi)，如(ru)图(tu)9c所(suo)示(shi)，这(zhe)种现象和(he)表X力学(xue)性(xing)能(neng)指标(biao)的(de)优(you)劣排序(xu)是相符的(de)，说(shuo)明高温变形(xing)下的(de)不合(he)格低倍(bei)组(zu)织会(hui)对锻(duan)件的力(li)学(xue)性(xing)能(neng)指标(biao)造成一定影响(xiang)。
对(dui)比1、3组试验(yan)低(di)倍(bei)组织检(jian)测(ce)情(qing)况，如图9所示，大变(bian)形对(dui)低倍组(zu)织(zhi)有一(yi)定(ding)改善作(zuo)用；由(you)试(shi)验(yan)组(zu)3锻件(jian)取样理(li)化检(jian)测(ce)结果可知，试验件低(di)倍(bei)检测(ce)评级与取(qu)样(yang)方向有(you)关(guan)连(lian)，切(qie)向一般(ban)好(hao)于(yu)轴(zhou)向。
4、结 论(lun)
a）锻造(zao)变(bian)形(xing)温度和变(bian)形(xing)程(cheng)度严(yan)重影(ying)响TC4钛合金的高低倍组(zu)织和(he)力学性能指标，在(zai)锻(duan)造温度950 ℃和大(da)变(bian)形工(gong)艺(yi)情(qing)况(kuang)下(xia)（变(bian)形量不小于(yu)70%），锻件(jian)高低(di)倍及理(li)化(hua)检测合格(ge)率明显改(gai)善(shan)，结果(guo)优于(yu)其(qi)他(ta)锻造生(sheng)产工艺(yi)，验(yan)收指标远(yuan)远(yuan)高(gao)于GJB 2744A-2007标准(zhun)要(yao)求(qiu)。
b）低(di)温(wen)大(da)变形有利于(yu)细化(hua)晶粒组(zu)织(zhi)、提高(gao)锻件产(chan)品力学性能，改善(shan)锻(duan)件(jian)高(gao)倍(bei)组(zu)织，且变(bian)形温度(du)越低、变形程度(du)越大(da)，越(yue)容(rong)易出现(xian)初生α相(xiang)组织(zhi)。
c）高低倍组织(zhi)对力学(xue)性能(neng)指(zhi)标有影响(xiang)，低倍组(zu)织(zhi)穿(chuan)晶(jing)、涡(wo)流和高(gao)倍(bei)组(zu)织出现(xian)魏氏组(zu)织(zhi)会(hui)使产(chan)品力学(xue)性(xing)能指(zhi)标降低(di)，严重影响产品(pin)的(de)使用(yong)性能。
参考文(wen)献(xian)
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