Ti150高温钛合金离心叶轮锻件工艺优化核心路径：基于反复镦拔改锻消除微织构（EBSD验证）、改善应变分布（Deform模拟）及降低力学性能离散性（变异系数≤3%）的系统研究

钛合金由于具有耐腐蚀性好、耐高温、比强度高等一系列优点，广泛应用于航空航天领域，是当代飞机和发动机的主要结构材料之一，主要用于制造航空发动机中的重要零部件和飞机机体结构件[1-3]。为了满足新型飞机和先进航空发动机的设计需求，世界各国竞相研制工作温度可达600℃及以上的高温钛合金。目前，国外投入使用的典型高温钛合金有美国的Ti–1100合金、英国的IMI834合金以及俄罗斯的BT36和BT41合金等，国内科研院所在600℃高温钛合金方面开展了大量研究[4-7]，自主研发的高温钛合金有Ti–55、Ti60、Ti600、Ti150等[8-11]。

Ti150合金离心叶轮锻件研制过程中存在组织性能不均匀、锻件力学性能离散性较大等问题，严重制约了材料的应用，降低了发动机的安全可靠性。锻件的显微组织、性能不均匀不仅与等温锻造工艺有关，还与原材料组织均匀性有关，若原材料组织不均匀及工艺设计不合理，不均匀组织保留至锻件中，会进一步影响锻件的质量稳定性。文中针对自主研发的Ti150合金离心叶轮锻件研制过程中存在的问题，研究了Ti150合金棒材改锻（反复镦拔）工艺对组织、性能的影响，以期为该合金锻件研制生产提供借鉴。

1、原工艺分析

原材料来自宝钛集团有限公司生产的Φ230mm规格Ti150合金棒材，用于制造棒材的铸锭采用真空自耗电弧炉熔炼3次，最后1次熔炼稳定阶段的压力不大于5Pa。棒材化学成分如表1所示。利用金相法测得该合金的α+β/β转变温度为1042℃。原材料低倍组织为模糊晶，如图1所示，高倍组织的等轴初生α球化不明显，再结晶不充分，初生α相为长条状，体积分数约为80%，如图2所示。

表1Ti150合金棒材的化学成分

Tab.1ChemicalcomponentsofTi150alloybar（wt.%）

Ti150合金离心叶轮锻件图以及取样位置如图3所示，锻件外径最大尺寸为377mm，高度为128mm，未注公差为±1mm，拔模斜度为7°，其余未注圆角半径为5mm。

锻件原工艺如下：棒材下料（Φ230mm×180mm）→两端机加倒角R20mm→等温模锻（坯料加热温度1002℃，终锻温度≥850℃，模具加热温度900℃，锻造速率3~0.1mm/s）→锻件心部机加Φ38mm通孔→热处理（1017℃×4h固溶后油冷，700℃×3h时效后空冷）→粗加工→超声波探伤→组织性能测试。

锻件低倍组织如图4a所示，高倍金相组织如图4b所示，由图4可知，锻件低倍未见缺陷及清晰晶，呈现花样纹特征，流线基本沿外廓分布，局部变形激烈，这种特征容易带来性能上的差异。高倍金相显微组织为典型双态组织，初生α体积分数约15%，如图4b所示。锻件按HB/Z37[12]要求，采用水浸法超声波探伤，当量平底孔为Φ0.8mm，锻件检测结果未见单显，其探伤杂波水平为Φ0.8mm–(−12dB)（即采用Φ0.8mm的平底孔进行超声波探伤，杂波噪音分贝为-12dB），低波损失≤6dB。

统计学中用变异系数δ₍CV₎表示一组相关数据的离散程度[13]，文中通过对锻件不同位置的力学性能进行统计，分析锻件性能指标δ₍CV₎值，各位置性能指标如表2所示。目前航空类锻件科研课题要求锻件性能指标δ₍CV₎值均小于3%，由表2可知，图3中的1#、2#、3#、4#位置伸长率、断面收缩率指标的变异系数δ₍CV₎不符合要求，另外1#位置抗拉强度富裕量仅有5MPa；Ti150合金离心叶轮锻件抗拉强度、屈服强度指标的变异系数δ₍CV₎值小于3%，伸长率指标的δ₍CV₎值为5.18%，断面收缩率指标的δ₍CV₎值高达8.51%，锻件力学性能的均匀性需提升。

表2各位置性能指标

Tab.2Performanceindexofeachlocation

采用三维制图软件建立了坯料及模具有限元模型，如图5所示，并通过Deform数值模拟软件对坯料成形进行数值模拟分析。将坯料视为塑性材料，模具视为刚性材料，采用四边形单元对坯料进行网格划分，模拟相关参数如下：坯料温度为1002℃，模具加热温度为900℃，坯料网格数为30000，剪切摩擦因数为0.3，热交换系数为5kW/(m²・K)，锻造速率从3mm/s逐渐减小至0.1mm/s，锻件最终应变分布如图6所示。由图6可知，锻件应变分布不均匀，锻件上端及下端面变形较小，应变在0.2左右，而心部及外侧区域应变为0.67~1.3，变形不均匀且存在小应变区域，达不到再结晶的条件，导致原材料低倍不均匀的组织保留到锻件中，从而使锻件不同区域的性能测试结果差异较大。

由于Ti150合金锻件局部区域在模锻成形过程中变形量较小，晶粒不容易破碎发生再结晶，因而保留了原材料微织构，如图7中的白色椭圆区域（电子背散射衍射EBSD测试取样位置为图3中的5#位置）所示，这类织构类型属于显微组织的择优取向。

2、工艺优化

相变、再结晶和热变形等因素会影响钛合金织构的形成和演变[14]，而钛合金织构会使局部趋于单晶特性，使锻件在断裂韧性、塑性等性能方面表现出各向异性，单一类型织构处易萌生裂纹，导致锻件提前失效，因此锻件锻造工艺必须考虑织构的存在和消除方法。文中锻件的显微组织择优取向织构可通过改锻增大变形方式改善，从而获得均匀细小、晶粒取向混乱的等轴组织。大量文献资料表明[15-18]，晶粒细化主要发生在棒材开坯和改锻过程，可通过对温度和变形量进行控制，从而影响合金的静态和动态再结晶过程。为了改善锻件组织均匀性并消除锻件中的微织构，需对棒材进行多个方向镦拔，增大变形量，提高变形畸变能，达到动态再结晶细化晶粒的目的。

优化后的锻造工艺如下：下料（Φ230mm×185mm）→端面机加倒角R20mm→棒材改锻〔加热温度1002℃，进行拔长、倒棱、平头并滚圆至直径Φ(170±5)mm×(335±15)mm，后再镦粗至坯料高度H=185mm，终锻温度≥850℃，重复上述工序3次，最后进行整形〕→中间坯机加（Φ210mm×195mm）→等温模锻（坯料加热温度1002℃，终锻温度≥850℃，模具加热温度900℃，锻造速率3~0.1mm/s）→锻件心部机加直径Φ(38±1)mm的通孔→热处理（1017℃×4h固溶后油冷，700℃×3h时效后空冷）→机加工→超声波探伤→组织性能测试。

棒材在两相区经过3次反复镦拔改锻后，经金相检测，其低倍、高倍组织照片如图8a和8b所示，低倍为模糊晶，高倍组织等轴初生α相球化较好，再结晶充分，初生α体积分数约40%。

采用优化工艺生产的Ti150离心叶轮盘锻件实物如图9所示，低倍测试结果如图10所示，图3中取样位置1#、4#、5#区域的高倍组织照片如图11所示，对应的电子背散射衍射EBSD晶粒取向分布如图12所示。图3中取样位置1#、2#、3#、4#区域的室温力学性能测试、600℃高温力学性能测试结果分别见表3-4。图10-12表明，通过反复镦拔的改锻方式，可以有效消除原材料中的微织构，使锻件低倍组织均匀，不同区域高倍组织初生α相的体积分数均控制在15%左右。

由表3可知，锻件室温拉伸的抗拉强度、屈服强度、伸长率及断面收缩率等指标的变异系数δ₍CV₎值分别为1.13%、0.68%、2.91%、2.51%。与优化前相比，变异系数δ₍CV₎值大幅度降低，Ti150钛合金离心叶轮锻件不同部位性能差异大及1#区域强度富裕量偏低的问题得到了改善。

采用优化工艺生产的Ti150合金离心叶轮锻件，按HB/Z37要求，采用水浸法进行超声波探伤，当量平底孔选用Φ0.8mm时，锻件检测结果未见单显，其探伤杂波水平为0.8mm-(−21dB)，低波损失≤6dB，与工艺优化前相比，杂波降低了9dB。杂波水平的高低与材料显微组织密切相关，杂波是组织不均匀的反应[19]，由此可知，Ti150合金原材料改锻对锻件组织均匀性有较大的改善作用。

表3室温拉伸性能

Tab.3Tensilepropertyatroomtemperature

表4600℃高温拉伸性能

Tab.4Tensilepropertyat600℃hightemperature

3、结论

采用两相区改锻（反复镦拔）+等温锻方案生产的Ti150钛合金离心叶轮锻件力学性能优异，各部位力学性能均满足要求，且室温拉伸性能、高温拉伸性能均具有较大的富余量，锻件不同区域的抗拉强度、屈服强度、伸长率及断面收缩率等指标的变异系数δ₍CV₎值均小于3%。

改锻（反复镦拔）有利于消除Ti150钛合金原材料中的微织构，可改善锻件组织均匀性，达到降低探伤杂波的目的。

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（注，原文标题：Ti150合金离心叶轮锻件工艺优化）