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文/车安达，张元东，刘秀良，马思琴，张安·江西景航航空锻铸有限公司 TC21 钛合金具有高强度、高抗断裂韧性和低裂纹扩展速率等特点，是应用于新型飞机上的一种重要结构材料。为达到强度与韧性的最佳匹配，TC21 常用热加工工艺为准β 锻造。但在实际生产过程中，TC21 钛合金锻件常常出现强度和塑性不匹配问题，给工厂带来了严重的质量损失。为此，本文对准β锻造前坯料的组织演变进行研究，并提出了改进型准β 锻造工艺，以指导TC21热加工方案设计。 解读发明专利《钛合金准β 锻造工艺》轻质、长寿命一直是飞机结构强度设计所追求的目标，也是一代又一代结构强度工作者所面临的永恒课题。随着中国航空制造技术的发展，耐久性/损伤容限设计思想逐步成为飞机长寿命的主要设计思想，在此情况下，高强、高韧、高损伤容限型TC21钛合金被广泛应用于新一代战斗机的结构件。在20世纪90 年代，国内多家单位对TC21 钛合金锻件的锻造工艺开展了研究，主流工艺方法有两种。 ⑴β 锻造。该工艺是将合金加热到β 单相区较高温度(一般在Tβ +30℃以上)保温，变形后空冷或水冷，再经双重退火或退火后获得粗大的网篮或魏氏组织(或β转扭曲变形)。这种组织具有很高的抗断裂韧性，但塑性很差。 ⑵近β 锻造。近β 锻造是将合金加热到两相区上部较高温度［Tβ-(5℃～20℃)］保温，变形后水冷或空冷，再经双重退火或退火后，组织中保留了少量的等轴初生α 和较多的β 转的组织(三态或双态组织)。这种组织具有较好的强塑性匹配，但工艺实施难度很大，组织和性能很难控制。 20 世纪90 年代末，北京航空材料研究院朱知寿等提出了准β 锻造工艺并申请获批发明专利《钛合金准β 锻造工艺》，该工艺明显改善了钛合金强度、塑性和断裂韧性的匹配性，为新一代战斗机的研制提供了强力的支撑。在针对TC21 钛合金锻件强塑性匹配差这一问题的攻关过程中，笔者结合生产实际对《钛合金准β 锻造工艺》重新进行了深度解读，并对问题原因进行了分析。 准β 锻造工艺要解决的问题 根据专利说明书所述，钛合金的网篮组织与双态组织比较，其抗断裂韧性、疲劳裂纹扩展抗力、抗疲劳强度和蠕变抗力高，大大提高了构件的使用寿命，对设计人员有巨大的吸引力。但网篮组织长期以来未被锻件的使用者所接受，究其原因是若工艺控制不好，会显著降低锻件的塑性。解决网篮组织的塑性问题成为钛合金锻造的一大难题。因此，准β 锻造的目的是为了获得高塑性网篮组织，即该网篮组织具有与双态组织一样好的塑性，同时又具有网篮组织固有的优良特性，从而大大提高构件的寿命。 高塑性网篮组织的特点 根据专利说明书所述，在以往的研究中，β 锻造是获得网篮组织的主要方法。因β 锻造前的加热温度较高且加热时间较长，加热后的β 晶粒比较大。在锻造过程中，因锻造温度主要在β 相区，β 晶界α 相不容易析出。而当晶界α 相析出时，变形已基本结束。即使有小部分α 相在变形过程中析出，也因变形量小而不易破碎。其显微组织是，原始β 晶粒比较大，β晶界α 相比较平直，而且破断不够。这就是通常的网篮组织比双态组织塑性低的根本原因。 采用准β 工艺后，由于坯料在β 区加热温度较低和坯料出炉后的温降，锻件的变形实际上是在α+β 区进行的，在变形过程中，α 相首先在β 晶界析出，而且变形被击碎，不会产生连续的平直的晶界α 相，最后在晶内形成网篮编织的集束片状α 相。这样的网篮组织具有较高的塑性。 实际生产过程中存在的问题 根据专利说明书所述，准β 锻造主要流程为：准β 加热→锻造→锻后冷却。在准β 加热后坯料出炉转移至锻造设备过程中，坯料会在空气中冷却一段时间。结合试验结果，TC21 钛合金准β 锻造工艺中主要的组织演变过程见图1。  图1 TC21 锻件准β 锻造过程中理想的组织演变 但在实际生产过程中，坯料的有效厚度对内部组织演变的影响很大。在坯料较厚的情况下，坯料心部在锻造过程中可能一直处在β 相区，直至锻造结束也没有或仅有少量晶界α 相析出，冷却后，锻件心部的组织存在原始β 晶粒比较大、β 晶界α 相比较平直且破断不够问题，导致心部塑性偏低。厚截面坯料在常规准β 锻造过程中可能的组织演变关系见图2。  图2 TC21 厚截面锻件准β 锻造过程中心部的组织演变 工艺改进思路 为改善厚截面TC21 锻件准β 锻造后的心部组织，本改进型准β 锻造工艺主要优化思路是：⑴坯料经准β 加热后不进行锻造，直接空冷，从而析出全部的晶界α 相和沿晶界α 相；⑵对坯料进行二次加热，加热温度选用α+β 相区，然后进行一定量的变形以充分击碎析出的晶界α 相和沿晶界α 相。采用改进型准β锻造工艺，过程中的组织演变见图3。  图3 TC21 锻件改进型准β 锻造过程中的组织演变 准β 锻造前组织演变工艺试验试验材料 试验选用φ130mm×20mm的棒材，用金相法测定该合金的相变点为967℃ 试验方案 ⑴按图4 切下5 个显微试块，试块规格为15mm×15mm×20mm，试块分别编号A/B/C/D/E。  图4 显微试块取样示意图 ⑵按表1 对5 个显微试块进行不同的处理，处理完成后，打磨同一方向的表面，并在光学显微镜上观察显微组织。 表1 对5 个显微试块的处理方案  结果及分析 图5 是TC21 试块经不同处理后的显微组织。可以看出，准β 加热前，TC21 棒料的显微组织主要由等轴初生α 相和β 转变组织组成(试块E)，经过准β 加热后，初生α 相全部转变为β 相(试块A)。  图5 TC21 试块经不同处理后的显微组织 经过准β 加热的试块，若置于空气中冷却30s，则会有部分晶界α 相析出，且有少量条状α相沿晶界析出(试块B)。若置于空气中冷却120s，则晶界α 相几乎全部析出，且有大量条状α 相沿晶界析出，但析出的晶界α 相和沿晶界析出的条状α相较细(试块C)。若置于空气中冷却至室温，则晶界α 相和沿晶界析出的条状α 相几乎全部析出，但析出的晶界α 相和沿晶界析出的条状α 相较粗较长(试块D)。 改进型准β 锻造工艺的工艺试验试验材料 试验选用φ210mm 的棒材，用金相法测定该合金的相变点为968℃。 试验方案 ⑴切下2 根试验棒材，长度均为100mm，分别编号A/B。 ⑵按表2 对试验件A 和试验件B 进行准β 锻造和热处理。 表2 改进型准β 锻造工艺试验过程  ⑶在试验件A 和试验件B 的1/4 厚度处和1/2厚度处检测横向室温拉伸和显微组织。 结果和分析 ⑴显微组织对比。 图6 是试验件A 和试验件B 不同取样位置的显微组织对比。由图6 可以看出，相比常规准β 锻造工艺(试验件A)，采用改进型准β 锻造工艺(试验件B)获得的网篮组织明显更加破碎，达到预期结果。针对试验件B，其1/2 厚度处的破碎程度明显高于1/4厚度处，原因应是镦粗过程中1/2 厚度处变形量大于1/4 厚度处，进而导致近心部位置已析出的晶界α相和沿晶界条状α 相破碎程度更高。针对试验件A，其1/2 厚度处的破碎程度与1/4 厚度处接近，原因应是坯料出炉转移时间较短，镦粗变形过程中仅有少量晶界α 相和沿晶界条状α 相被击碎，显微组织中的条状α相大多是锻后空冷过程中陆续析出并长大的。  图6 试验件A 和试验件B 显微组织对比 ⑵性能对比。 表3 是试验件A 和试验件B 不同取样位置的室温横向力学性能对比。由表3 可以看出，相比常规准β 锻造工艺(试验件A)，采用改进型准β 锻造工艺(试验件B)加工的锻件塑性明显提升，即破碎程度高的网篮组织可明显提高锻件的塑性。1/4 厚度处，试验件A 与试验件B 的强度接近，而1/2 厚度处，试验件B 的强度明显高于试验件A，原因应是破碎程度较高的网篮组织会有较高的界面能，进而起到强化的作用。 表3 试验件A 和试验件B 室温横向力学性能对比  结论⑴TC21 钛合金棒材经准β加热后，显微组织中的等轴初生α 相会全部转变为β 相。 ⑵准β 加热后的空冷时间对显微组织有较明显的影响，随着空冷时间的延长，析出的晶界α 相和沿晶界析出的条状α 相逐渐长大。 ⑶破碎程度较高的网篮组织可明显提升TC21 钛合金锻件的塑性，同时可提高锻件的强度。 ⑷采用改进型准β 锻造工艺，可明显提高锻件强塑性匹配性。 作者简介 车安达 技术研发部部副部长，工程师，主要从事钛合金、铝合金和钢锻件设计开发工作，参与多个型号飞机结构件锻件设计。 ——文章选自《锻造与冲压》2022年第15期  |
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