自由锻造TC17钛合金饼材（钛合金锻件）的组织与性能研究

1、 前言

TC17 钛 合 金（ 即 Ti-17）名 义 成 分 为 Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr[1]，是一种高强、高韧性和高淬透性的近 β型两相钛合金。TC17 合金是由美国在 20 世纪 70 年代开发研制，广泛的应用于众多先进航空发动机风扇和压气机整体叶盘锻件[2]。

TC17 钛合金饼材通常采用传统模锻（即模内成型），而通过自由锻压方式的则相对较少。这是因为相比于传统模锻工艺，自由锻造工艺对现场操作要求更高，操作难度大，但 自由锻生产成本较低，可操作性较大，可以通过锻造工艺的控制得到不同的组织结构。本文研究了在不同的自由锻造工艺下，设计制备 TC17 钛合金饼材，并通过分析其高倍显微 组织与室温力学性能，对比不同锻造工艺下自由锻得到的饼材的显微组织与力学性能。

2、 试验材料及方法

2.1 试验材料

试验材料采用宝钛集团通过三次真空熔炼生产的 TC17钛合金铸锭（铸锭名义尺寸 Φ720），主要化学成分如表 1 所示。测得其相变点温度为 902℃ ~905℃。铸锭通过开坯锻 造、中间锻造多火次镦粗、拔长，自由锻压至 Φ250mm 棒材。在相当于铸锭头部位置切取 20mm 样片，经切割设备制备出高倍试样，在金相显微镜下观察其高倍显微组织如图 1所示，制坯棒材高倍显微组织为 α+β 两相区组织，初生 α相平均尺寸为 8μm 左右，初生 α 相体积分数在 60% 以上，无原始 β 晶界，无粗大、连续、网状晶界 α。

2.2 试验方法

将制备好的 250mm 坯料锯切下料，在 31.5MN 锻造机上通过自由锻压的方式，将锯切坯料通过路线 1 与路线 2 两种锻造工艺方案进行成品锻造。

路线 1 ：将锯切坯料加热到相变点以下 30℃ ~60℃（Tβ-30~60℃）进行镦拔、滚圆、整形（变形量约 50%），最终通过机械加工得到成品饼材。

路线 2 ：①将锯切坯料加热到相变点以下 20℃（Tβ-20℃）保温一定时间后升温至相变点以上 30℃（Tβ+30℃）进行镦拔、滚圆（变形量约 30%）。②加热到相变点以下30℃ ~60℃（Tβ-30℃ ~60℃）进行镦滚、整形（变形量约20%），最终最终通过机械加工得到成品饼材。

对两种不同锻造工艺路线制备的饼材，锻后进行固溶时效热处理，热处理制度为 840℃ /2h.AC+800℃ /4h.WC+630℃ /8h.AC。对饼材分别线切割破开取纵向试样，机械加工制取高倍及力学性能试样，进行显微组织分析和力学性能分析。在 INSTRON5581 型电子万能材料试验机上进行拉伸实验获得不同锻造工艺下室温力学性能数据。实验采用氢氟酸、硝酸、水按 1:3:10 比例的酸液腐蚀试样后，在 OLYMPUS GX71 型金相显微镜上观察其高倍显微组织，获得不同锻造工艺下的高倍显微组织。

3、 实验结果与讨论

3.1 显微组织

对两种不同工艺方案锻造制备的 TC17 饼材，对高倍试样进行磨光、腐蚀，其高倍显微组织如图 2 所示 ：（①）与（②）为路线 1 饼材的高倍显微组织，可见其显微组织是典型 的 α+β 两相区组织，主要由等轴 α 相与 β 转变组织构成，初生 α 相平均尺寸为 10μm 左右，初生 α 相体积分数在50% 左右，并且伴有少量的次生 α 相。 （③）与 ( ④ ) 为路线 2 饼材的高倍显微组织，可见其显微组织为均匀的网篮组织，初生 α 相平均尺寸为 4μm 左右，初生 α 相体积分数在 30% 左右，片状 α 相细小且均匀， 并且不存在完整的原始 β 晶界或粗大、连续、网状晶界 α。

由此可见将加热温度提升到 β 相区，采用恰当的锻造工艺，控制 β 相区的变形量，可以将原始 β 晶界充分破碎，得到均匀、细小的网篮组织[3]。

3.2 力学性能

两种锻造工艺路线生产的 TC17 钛合金饼材力学性能如表 2 所示。由两种工艺路线方案中的数据统计分析结果可知 ：等轴组织饼材的断后伸长率（δ/%）与断面收缩率（Ψ/%）均优于网篮组织饼材，可以看出等轴组织的塑性性能明显比网篮组织要好。这是由于在等轴组织中初生 α 相含量（50% 左右）明显大于网篮组织中初生 α 相含量（30%左右）。在拉伸变形过程的初始阶段，等轴 α 相与 β 转变组织上会形成空洞，随着拉伸过程的进行，这些空洞会随之扩展长大，而 α 相对空洞成长起着阻碍作用[4]。由此可得，初生 α 相含量越多，则空洞扩展长大所遇到的阻碍就越多，断后伸长率与断面收缩率就越高，合金材料塑性性能越好[5]。

路线 2 制备的饼材的室温抗拉强度（σb）、屈服强度（σ0.2）以及冲击性能（αkU）均优于路线 1 饼材。这就证明了网篮组织相对于等轴组织具有更高的室温强度及冲击性能。在网篮组织高倍显微组织中可以看出，网篮组织中拥有细小、均匀的片状 α 相，片状 α 相对裂纹的连续扩展起到了阻碍作用，当片状 α 层的厚度大于一定数值后，裂纹扩展 则会无法直接穿透片状 α 层区，从而改变原有裂纹扩展的方向与路线。因此网篮组织中的片状 α 相在增强合金材料强度与改变裂纹扩展方向的同时，为合金材料断裂过程提供 了更高的能量，从而增强了材料的冲击性能[3,6]。

4、 结论

（1）通过自由锻造的方式，采用在相变点以下 20℃保温一段时间后升温到相变点以上 30℃，在此温度下变形量为30%，在相变点以下 30℃ ~60℃温度下变形量为 20% 锻压 工艺，可以得到组织均匀、细小的网篮组织 TC17 钛合金锻件。

（2）对于采用不同自由锻压工艺路线生产的饼材，网篮组织饼材的抗拉强度、屈服强度及冲击性能均高于等轴组织饼材，而等轴组织具有相对于网篮组织更好的塑性性能。

参考文献：

[1]蔡建明 , 弭光宝 , 高帆等 , 航空发动机用先进高温钛合金材料技术研究与发展［J］。材料工程，2016,44（8）:1-10.

[2]韩栋 , 张鹏省 , 毛小南等 .BT22 钛合金及其大型锻件研究进展 [J]. 材料导报，2010,24（2）：46-50

[3]董轶 ; 马宏刚 ; 李渭清等自由锻造 TC18 钛合金薄壁环材的组织与性能研究 [J]- 世界有色金属 ,2016-09-05 0

[4]王晓燕 , 郭鸿镇 , 袁士‐等 , 等温锻造温度对 TC18 钛合金组织性能的影响 [J], 锻压技术 ,2008-06-25

[5]杨洪涛 , 何剑雄 , 谭勇 , 王耀湘等 ,TC6 钛合金环形锻件组织与性能的研究 [J]- 宇航材料工艺 ,2005-08-30

[6]王通 , 张朋 , 王九清 , 庞辉勇等 , 原始组织对 690MPa 级海工钢亚温淬火后强韧性的影响 , 钢铁 ,2020-09-211