引 言
目前鈦合金鍛件產(chǎn)品被大量用于宇航、軍工和汽車(chē)等領(lǐng)域，鈦合金材料具有較高的比強(qiáng)度，密度為4.54g/cm3 ，同時(shí)具有較好的熱穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)度。但在鍛件生產(chǎn)過(guò)程中，由于TC4材料組織在變形過(guò)程中對(duì)變形溫度和變形程度極為敏感，容易出現(xiàn)大批量高低倍組織不合格的現(xiàn)象，進(jìn)而影響鈦合金材料的塑性和高溫強(qiáng)度，這些不合格組織如粗大晶粒、魏氏組織等對(duì)于宇航軍工產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是致命的隱患 [1] ，因此近些年來(lái)有效控制TC4鈦鍛件的組織成為研究熱點(diǎn)。
1、鍛造工藝策劃
1.1 鍛件產(chǎn)品不合格現(xiàn)象分析
以中國(guó)某鍛壓企業(yè)大批量生產(chǎn)的某零件（鍛件規(guī)格為 Ф100×75 mm）為例，原材料為符合 GB/T2965-2007 要求，鍛造生產(chǎn)時(shí) 1 次鐓粗成形，始鍛溫度為 970 ℃、終鍛溫度為 850 ℃，此材料在經(jīng)鍛造和熱處理后力學(xué)性能、金相不合格現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，廢品率較高，如圖 1 所示。
從圖 1 可以看出，低倍組織有肉眼可見(jiàn)的清晰晶粒，按照標(biāo)準(zhǔn) GJB2744A-2007 評(píng)級(jí)為 5 級(jí)，屬于不合格組織；高倍組織中初生 α 相含量小于 5%，所有 β 晶界未 α 充分破碎，符合標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖中的 7 類(lèi)，也屬于不合格組織，初步分析為鍛造溫度和變形程度參數(shù)選取不當(dāng)所致。
1.2 試驗(yàn)流程及方案
為改善鈦合金鍛件質(zhì)量，避免因高低倍不合格引起大批量產(chǎn)品報(bào)廢，計(jì)劃開(kāi)展4組工藝試驗(yàn)研究，試驗(yàn)變量為始鍛溫度和變形量，所有產(chǎn)品不檢測(cè)高低溫力學(xué)性能、不進(jìn)行探傷工序，其余按照 Ι-GJB2744A-2007驗(yàn)收，成形尺寸為 Ф（115±3） mm×（75±3） mm，鍛件生產(chǎn)流程如圖 2 所示。
鍛件鍛后熱處理退火溫度為 750 ℃，4 組工藝試驗(yàn)參數(shù)變量如表 1 所示。
2、開(kāi)展鍛造試驗(yàn)
2.1 鍛件原材料質(zhì)量分析
原材料組織對(duì)于鍛件組織具有一定的遺傳特性，此次工藝試驗(yàn)所用原材料標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T2965-2007，供應(yīng)狀態(tài)為退火態(tài)（M），復(fù)驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示。
原材料高倍組織如圖 3 所示。
原材料棒材為退火態(tài)，由圖 3 可以看出，原材料高倍組織不同部位有一定差別，主要是初生 α 相含量從邊緣到中心部逐漸增多，晶粒尺寸逐漸較小，原因是隨著變形量的增加初生 α 相晶粒的尺寸變小， β 轉(zhuǎn)變組織所占的比重有所減小 [2] 。
2.2 鍛造試驗(yàn)
試驗(yàn)件在 400 kg 空氣錘上進(jìn)行鍛造，原材料使用電爐加熱，加熱溫度及變形量如表 1 所示，鍛造試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖 4 所示。
4組試驗(yàn)件熱處理制度為完全再結(jié)晶退火，退火溫度 750 ℃，保溫 1 h 后空冷。
3、結(jié)果分析
熱處理后對(duì) 1~4 組試驗(yàn)鍛件剖切取樣，每組第 1件剖切橫向拉伸試樣和沖擊試樣，第 2 件在 3 個(gè)區(qū)（Ι-易變形區(qū)、Ⅱ-難變形區(qū)、Ⅲ-變形死區(qū)）切取高、低倍（ Z -軸向、 Q -切向）組織，取樣示意如圖 5 所示。
3.1 力學(xué)性能分析
力學(xué)性能指標(biāo)比照表 3 驗(yàn)收。
由表 4 可以看出，低溫大變形條件下（試驗(yàn)組 4）對(duì)力學(xué)性能各項(xiàng)指標(biāo)較為有利，按照變形工藝力學(xué)指標(biāo)從好到壞依次為：低溫大變形＞低溫常規(guī)變形＞高溫常規(guī)變形＞高溫大變形；而試驗(yàn)組 3 力學(xué)性能存在超差現(xiàn)象，如圖 6 所示，試驗(yàn)組 3 低倍評(píng)級(jí) 5 級(jí)、高倍 7 類(lèi)，鍛件纖維組織存在穿流和渦流現(xiàn)象，會(huì)對(duì)抗拉和屈服有不良影響 [3] 。
大塑性變形條件下，如果變形速率高，則其溫升效應(yīng)逐漸凸顯，溫升較大且溫降比較小，極容易導(dǎo)致變形溫度超過(guò) β 相變轉(zhuǎn)變溫度，導(dǎo)致等軸 α 相變成針狀或片層狀 α 相，且存在比較明顯的魏氏組織和晶界 α相，這也是力學(xué)指標(biāo)超差的主要原因 [5,6] 。
3.2 高倍組織分析
圖 7 為 4 組試驗(yàn)鍛件剖切后Ⅲ區(qū)的高倍組織。
從圖 7a、7c 可以看出，在 970 ℃不同變形程度條件下晶界破碎程度和初生 α 相含量是不同的；對(duì)比圖7b、7d 可知：變形量越大、變形溫度越低越容易形成初生 α 相。
圖 8 為 3 個(gè)變形區(qū)的高倍組織示意。
如圖 8 所示，3 個(gè)變形區(qū)初生 α 相含量隨變形量減少而逐漸減少，圖 8c 因變形量較低，原始 β 晶界未充分破碎，存在連續(xù)、平直的晶界 α 相，該相的存在是裂紋擴(kuò)展的直接通道，有利于裂紋的擴(kuò)展，因此導(dǎo)致TC4 材料的塑性指標(biāo)有所降低 [7] 。
3.3 低倍組織結(jié)果統(tǒng)計(jì)與金相分析
按圖 5 進(jìn)行剖切取樣，試驗(yàn)組 1-4 熱處理后低倍評(píng)級(jí)統(tǒng)計(jì)如表 5 所示。
由表5第1組試驗(yàn)的低倍組織評(píng)級(jí)結(jié)果分析可知，在高溫常規(guī)改鍛情況下，熱處理后會(huì)出現(xiàn)高低倍組織超差的現(xiàn)象；初步分析原因?yàn)椋哄懺鞙囟冗^(guò)高，且變形量不足，變形所累計(jì)的再結(jié)晶激活能不夠充足，再結(jié)晶晶粒少，少部分晶粒異常長(zhǎng)大后，金相組織發(fā)生異常 [8,9] ，如圖 9a、9b 所示。
而大變形情況下，高溫高速變形會(huì)使鍛件局部溫升過(guò)高，溫升會(huì)促使難變形區(qū)和變形死區(qū)顯微組織中 β相轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧詈推瑺?α 相，且因變形死區(qū)變形量不足而使 β 晶界未完全破碎 [10] ，這種情況下即會(huì)形成不合格的組織，如圖 9c 所示，這種現(xiàn)象和表 X 力學(xué)性能指標(biāo)的優(yōu)劣排序是相符的，說(shuō)明高溫變形下的不合格低倍組織會(huì)對(duì)鍛件的力學(xué)性能指標(biāo)造成一定影響。
對(duì)比 1、3 組試驗(yàn)低倍組織檢測(cè)情況，如圖 9 所示，大變形對(duì)低倍組織有一定改善作用；由試驗(yàn)組 3 鍛件取樣理化檢測(cè)結(jié)果可知，試驗(yàn)件低倍檢測(cè)評(píng)級(jí)與取樣方向有關(guān)連，切向一般好于軸向。
4、結(jié) 論
a）鍛造變形溫度和變形程度嚴(yán)重影響TC4 鈦合金的高低倍組織和力學(xué)性能指標(biāo)，在鍛造溫度 950 ℃和大變形工藝情況下（變形量不小于 70%），鍛件高低倍及理化檢測(cè)合格率明顯改善，結(jié)果優(yōu)于其他鍛造生產(chǎn)工藝，驗(yàn)收指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 GJB 2744A-2007 標(biāo)準(zhǔn)要求。
b）低溫大變形有利于細(xì)化晶粒組織、提高鍛件產(chǎn)品力學(xué)性能，改善鍛件高倍組織，且變形溫度越低、變形程度越大，越容易出現(xiàn)初生 α 相組織。
c）高低倍組織對(duì)力學(xué)性能指標(biāo)有影響，低倍組織穿晶、渦流和高倍組織出現(xiàn)魏氏組織會(huì)使產(chǎn)品力學(xué)性能指標(biāo)降低，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的使用性能。
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作 者 簡(jiǎn) 介
宮 成（1988-），男，工程師，主要研究方向?yàn)楹教祛I(lǐng)域金屬材料塑性成形工藝。
劉 浩（1989-），男，工程師，主要研究方向?yàn)殄懺鞜峒庸ぁ?/span>
劉曉霏（1986-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向有色金屬材料熱處理。
高新亮（1992-），男，工程師，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧蠠崽幚怼?/span>
張國(guó)慶（1987-），男，工程師，主要研究方向?yàn)楹谏饘倥c有色金屬組織檢測(cè)與力學(xué)性能分析。
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