TC4钛合金拥有高比强度、 较宽的工作温度领域和优异的耐侵蚀机能， 是造作航空发起机压气机盘、 叶片等的首选资料之一[1]，航空发起机叶片的工作前提极为复杂和刻薄， 需接受巨大的气动应力、离心应力和温度负荷作用[2]， 因而对叶片用钛合金棒材的显微组织和力学机能提出了很高的要求， 如GJB 494A-2008《航空发起机压气机叶片用钛合金棒材规范》要求叶片用TC4钛合金棒材的初α相含量不低于 25％ 。

超声波探伤检验是航空航天领域钛合金原资料验收的根基要求， 部门原资料订货尺度中对探伤的要求也极度刻薄， 如 GJB 494A-2008 要求转子叶片用棒材探伤杂波水平不大于0.8mm-12ｄＢ，国内学者对钛合金显微组织与超声探伤杂波的对应关系进行了钻研[3 － 7]， 发现探伤杂波的凹凸不仅与组织中α 相和 β 相的含量及尺寸大幼有关， 还与组织的均匀性、 织构等亲昵有关，因而， 在钛合金研造和出产过程中， 除组织和通例机能表， 对超声探伤杂波水平也应沉点关注。

目前， 国内造作叶片用TC4钛合金棒材的热加工工艺重要有精锻和轧造， 但对 2 种加工方式下TC4钛合金棒材组织和机能(蕴含超声探伤杂波) 的综合对比钻研较少，为此， 对比分析了精锻和轧造2 种加工方式下叶片用TC4钛合金棒材的组织与机能， 并钻研了精锻温度和变形量对棒材组织与机能的影响， 以期为优化热加工工艺， 造备满足 GJB494A-2008要求的叶片用TC4钛合金棒材提供参考。

1、实 验

1.1 尝试资料

尝试资料为经 3 次真空自耗电弧熔炼(ＶAＲ) ＋多火次墩拔铸造造备的 ?95mmTC4钛合金棒坯。

棒坯 β 相转变温度为 995 ℃， 化学成分如表 1 所示。

棒坯横向组织由初生等轴α相和 β 转变组织组成，为典型的双态组织， 初生等轴α相含量超过 65％ ，如图1所示。

1.2 步骤与设备

将 ?95mmTC4钛合金棒坯切割成等长度的棒料， 依照表 2 规划进行铸造试验: ① 在 940 ℃ 别离进行两火精锻、 一火精锻 ＋ 一火轧造和两火轧造， 得到规格为 ?30mm的制品TC4钛合金棒材(中央路次规格均为 ?55 mm); ② 别离在 920、 960 ℃ 进行两火精锻试验， 得到规格为 ?30mm的制品TC4钛合金棒材; ③ 别离在 920、 940、 960 ℃ 进行一火精锻试验， 得到规格别离为 ?50、 ?65mm的制品TC4钛合金棒材。

沿制品TC4钛合金棒材横向 Ｒ/2 处切取金相试样和力学机能试样，金相试样经磨抛后用侵蚀剂(ＨＦ、 ＨＮＯ₃、 H₂O 体积比为 1 ∶ 3 ∶ 6) 浸蚀， 选取蔡司 Aｘｉｏ Ｖｅｒｔ. A1 倒立式显微镜观察显微组织， 利用ＩｍAｇｅ-Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ 5. 0 图像软件分析初α相含量， 每个试样至少观察 5 个视场， 取均匀值，力学机能试样经 800 ℃/1. 5h/AC退火后， 选取 Ｚｗｉｃｋ Ｚ330 试验机进行室温拉伸机能测试， 选取 Ｚｗｉｃｋ Ｚ100 试验机进行 高 温 拉 伸 性 能 测 试， 采 用 Ｚｗｉｃｋ ＲＭＴ-Ｄ10(100 ｋＮ)试验机进行高温悠久机能和蠕变机能测试。

选取 ＵＳＰＣ7100 型探伤仪进行水浸超声探伤检验，探头为 ＩＳＳ/Ｇ/ Ｃ 10ＭＨｚ， ?0.8mm 平底孔。

2、 了局与分析

2.1 精锻和轧造棒材的组织与机能对比

图 2 是在 940 ℃ 别离进行两火精锻、 一火精锻＋ 一火轧造和两火轧造后得到的 ?30mmTC4钛合金棒材的横、 纵向显微组织，从图 2 能够看出， 棒材均为典型的双态组织， 但分歧加工方式获得的棒材α相含量、 状态、 尺寸及散布存在肯定差距，两火精锻棒材的初α相含量约为 65％ ， 纵向α相拉长显著， 精锻 ＋ 轧造和两火轧造棒材的初α相含量较低， 别离约为 55％ 和 45％ ， 但纵向等轴性更，这是由于在一样的加热温度下， 精锻棒材较轧造棒材变形功夫长， 铸造过程中产生了显著的温降，而轧造棒材变形功夫短、 温升显著， 现实变形温度高于精锻棒材， 导致轧造棒材纵向初α相的等轴化水平更高，此表， 精锻棒材的次α相多呈碎点状或扭曲的条状散布， 而轧造棒材的次α相多呈平直的长条状散布， 这是由 2 种加工方式的特点决定的，精锻变形路次间的持续功夫长， 两路次变形间隙会析出少量的次α相， 次α相鄙人一路次的铸造过程中会产生破碎， 进而多呈碎点状或扭曲的条状散布， 如图 2A、 2ｄ 所示，而轧造变形速度快， 组织中的次α相重要是在轧造变形实现后，在冷却过程中从 β 晶界、 α/ β 相界或 β 晶粒内高能缺点处形成的， 且多呈平直的集束状散布， 如图2ｂ、 2ｅ 所示，与精锻 ＋ 轧造工艺相比， 两火轧造工艺的温升更为显著， 导致制品组织中初生等轴α相的含量较精锻 ＋ 轧造工艺更少， 但次α相的厚度更大， 如图 2ｃ、 2ｆ 所示。

两火精锻、 一火精锻 ＋ 一火轧造和两火轧造的?30mmTC4钛合金棒材经 800 ℃/1.5h/AC退火后的室温拉伸、 高温拉伸、 高温悠久和蠕变机能见表3，从表 3 能够看出， 在一样热处置前提下， 精锻和轧造棒材的室温拉伸塑性、 高温悠久和蠕变机能差距较幼， 但精锻棒材的室温强度和高温强度显著高于轧造棒材，这是由于精锻棒材的初α相含量略高于轧造棒材， 且次α相多呈碎点状或扭曲的条状散布， 晶粒藐幼， 故障了位错活动， 起到了细晶强化的作用。

表 4 是在 940 ℃ 别离进行两火精锻、 一火精锻＋ 一火轧造、 两火轧造后得到的 ?30mmTC4钛合金棒材的超声探伤杂波水平，从表 4 能够看出， 两火精锻棒材的探伤杂波水平为 ?0.8 mm-(9~12)ｄＢ，精锻 ＋ 轧造、 两火轧造棒材的探伤杂波水平均为?0.8 mm-(12~16)ｄＢ， 幼于两火精锻棒材，这是由于轧造棒材初α相含量低， 次α相的集束尺寸增长， 相界面取向差减幼， 组织越发均匀， 故探伤杂波水平低，从图 2 也能够看出， 精锻棒材的等轴α 相散布不均匀， 存在α相荟萃景象， 导致超声波信号散射加剧， 探伤杂波水平高于轧造棒材。

从以上组织、 机能和超声探伤杂波水平的分析可知， 精锻和轧造方式造备的棒材各有特点， 除超声探伤杂波水平稍高表， 精锻棒材的室温强度和高温强杜着势显著，因而， 为进一步提高TC4钛合金精锻棒材的组织与机能匹配， 发展了精锻温度和变形量对TC4钛合金棒材组织与机能的影响钻研。

2.2 精锻温度和变形量对组织与机能的影响

图 3 是依照表 2 精锻规划， 在分歧温度下精锻得到的 ?30、 ?50、 ?65mmTC4钛合金棒材的显微组织，从图 3 能够看出， 随着精锻温度的升高， 棒材初α相含量从 920 ℃ 精锻时的约 80％ 降低到940 ℃ 精锻时的约 65％ ， 当精锻温度持续提高到960 ℃ 时初α相含量不及 50％ ， 但碎点状或扭曲的条状α相含量逐步增多，这是由于精锻温度的升高加剧了初α相转变[8]， 使铸造过程中形成的碎点状或扭曲的次α相更多，从图 3 还能够看出，对于一样规格的TC4钛合金棒材， 精锻温度越高，初α相的散布越均匀，一样变形温度下， 精锻变形量越大， 棒材组织越藐幼，α相产生扭曲和荟萃的不均匀景象也更为显著。

图 4 是在分歧温度下精锻得到的分歧规格TC4钛合金棒材经 800 ℃/1.5h/AC退火后的室温拉伸和高温拉伸机能，从图 4A、 4ｃ 能够看出， 精锻温度越低、 变形量越大， 棒材的室温拉伸和高温拉伸强度也越高， 这与组织中初α相和次α相的含量和状态有关，经 920 ℃ 精锻后的 ?30mm棒材， 初α相含量高， 次α相破碎显著且多呈碎点状散布， 其室温拉伸和高温拉伸强度最高，随着精锻温度的升高， 初生等轴 α 相的含量逐步削减， 呈碎点状或扭曲条状的次生α相含量逐步提高，但在800 ℃/1.5/AC退火前提下， 次α相的描摹并未产生显著变动， 因而影响棒材室温拉伸和高温拉伸强度的重要成分还是初生等轴α相的含量，在一样的精锻温度下， 精锻变形量越大， 晶粒尺寸越幼，棒材累积的位错密度越高， 对应的强度也越高，此表， 精锻温度和变形量对TC4钛合金棒材的塑性影响并不显著， 如图 4ｂ 所示。

表 5 是在分歧温度下精锻得到的分歧规格TC4钛合金棒材的超声探伤杂波水平，从表 5 能够看出，920~960 ℃ 精锻的 ?30mmTC4钛合金棒材的探伤杂波水平为 ?0.8 mm-(9~12) ｄＢ， ?50mm棒材的探伤杂波水平为 ?0.8 mm-(12~16)ｄＢ， 可见一样精锻温度下 ?50mm棒材的探伤杂波水平低于 ?30 mm棒材，920 ℃精锻的 ?65mmTC4钛合金棒材探伤杂波水平为 ?0.8 mm-(12~16)ｄＢ， 但当精锻温度提高到 940 ℃和 960 ℃时， 探伤杂波水平都降低到 ?0.8mm-(16~20)ｄＢ， 注明一样规格的TC4钛合金棒材，

随着精锻温度的提高， 探伤杂波水平逐步降低， 而精锻温度一按时， 变形量越大，TC4钛合金棒材的探伤杂波水平越高，这是由于超声波探伤杂波的变动与TC4钛合金棒材组织中初α相和次α相的含量、 尺寸和散布情况均有关，精锻温度越高， 精锻变形量越幼，TC4钛合金棒材初α相的含量低且等轴性好， 次α相的含量高且片层较平直， 整体组织均匀性越好， 超声波探伤时信号散射越幼，杂波水平越低。

从以上分析了局可知， 随着精锻温度的升高，TC4钛合金棒材的探伤杂波水平逐步减幼，但精锻温度的提高会导致初α相含量降低(会对制品叶片的委顿机能产生不利影响[9])， 室温拉伸和高温拉伸强度降落，因而， 针对叶片用TC4钛合金棒材， 当精锻温度为 940 ℃ 时， 棒材的探伤杂波水平能够达到 ?0.8 mm-9ｄＢ 以下， 初α相含量能够达到 65％左右， 机能维持在较高水平， 整体组织、 机能匹配较好。

3、结 论

(1) 与轧造工艺相比， 精锻工艺造备的TC4钛合金棒材室温拉伸和高温拉伸强杜着势显著， 但超声探伤杂波水平稍高。

(2) 随着精锻温度升高，TC4钛合金棒材的初生等轴α相含量逐步削减， 室温拉伸和高温拉伸强度降落， 但超声探伤杂波水平逐步减幼，随着精锻变形量增大， 棒材晶粒尺寸逐步减幼， 室温拉伸和高温拉伸强度逐步提高， 但组织均匀性变差， 超声探伤杂波水平增大。

(3) 精锻温度选用 940 ℃ 时，TC4钛合金棒材的组织和机能匹配较好。

参考文件 Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ

[1] 陶春虎， 刘庆瑔， 刘昌奎， 等. 航空用钛合金的失效及其预防[Ｍ]. 2 版. 北京: 国防工业出版社， 2013.

[2] 蔡建明， 曹春晓. 航空发起机钛合金资料与利用技术[Ｍ]. 北京: 冶金工业出版社， 2021.

[3] 张永红， 李永春， 曹凯.TC4钛合金板材双晶探头超声波检测[Ｊ]. 宇航资料工艺， 2012， 42(5): 72 － 75.

[4] 宋韦韦， 李本江， 宋增金， 等. ＴA15 钛合金显微组织对超声探伤底波衰减的影响[Ｊ]. 钛工业进展， 2021， 38(3): 35 － 40.

[5] 佟健， 邰文彬， 党永丰， 等. 钛合金棒材典型冶金次生缺点超声波探伤波形特点分析[Ｊ]. 钛工业进展， 2018，35(4): 40 － 43.

[6] 李华， 马英杰， 邱建科， 等.TC4钛合金显微组织对超声波探伤杂波水平的影响[Ｊ]. 罕见金属资料与工程，2013， 42(9): 1859 － 1863.

[7] 郭凯， 杜博生， 周中波， 等. 热处置对 TC11 钛合金棒材超声波探伤的影响[ Ｊ]. 热加工工艺， 2018， 47 (14):152 － 154.

[8] Ｓｕｎ Ｓ Ｄ， Ｚｏｎｇ Ｙ Ｙ， ＳｈAｎ Ｄ Ｂ， ｅｔ Aｌ. Ｈｏｔ ｄｅｆｏｒｍAｔｉｏｎ

ｂｅｈAｖｉｏｒ Aｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆTC4ｔｉｔAｎｉｕｍ A

ｌｌｏｙ[Ｊ]. ＴｒAｎｓAｃｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ ＭｅｔAｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ ＣｈｉｎA，2010， 20(11): 2181 － 2184.

[9] 刘庆瑔.航空发起机钛合金叶片造作技术及失效分析[Ｍ]. 北京: 航空工业出版社， 2018.

有关链接