新工艺锻造对航空用大规格TC11钛合金棒材性能的影响

TC11钛合金是一种综合性能良好的α+β型热强钛合金，其名义成分为Ti-6.5Al-33.5Mo-1.5Zr-0.3Si。 该合 金在500℃以下具有优异的热强性能，并且具有较高的室温强度，主要应用于航空发动机的压气机盘、叶片 、鼓筒等零件，也可用于制造飞机结构件。TC11钛合金大规格棒材锻造时，坯料单重大，具有变形抗力大、 锻透性差等特点，存在组织均匀性差，超声波探伤合格率低等问题。通过采用多种变形方式交替的锻造工艺 ，改善了TC11大规格棒材组织均匀性，提高了超声波探伤合格率。

1、实验

1.1实验材料

采用三次真空自耗电弧炉熔炼的TC11钛合金φ720mm铸锭，其化学成分符合标准GB/T3620.1-2007要求。 金相 法测得该合金的β转变温度（相变点，T_β转）为1000~1005℃。

1.2实验工艺及过程分析

锻造设备为25MN快锻机。工艺流程为：铸锭-->β区开坯锻造-->β区墩拔-->α+β区墩拔-- > 区成型-->取样-->试样热处理-->机加-->超声波探伤。

常规锻造工艺（原工艺）在墩拔时的变形方式为方截面墩粗、拔长（图1）。

根据最小周边法则，坯料在镦粗时，其断面形状将趋于圆形；根据最小阻力定律，坯料的每一个质点都 沿其 最小阻力即最短法线方向移动。由图1可以看出，原丁艺坯料各个区域的变形量不尽相同，而变形量的差异 又会导致组织差异。

矩形截面坯料在平砧间拔长时的每一次压缩，其内部的变形情况与镦粗很相似，同样存在变形不均匀的 现象 。

原常规锻造工艺生产φ200mm棒材的显微组织见图2、可以看出，组织均匀性较差，具有一定的方向性。

为了避免常规锻造变形时的不均匀现象，在镦粗时采取了圆形坯料镦粗的方式(图3)。在拔长时采用圆 形、 矩形、棱形、六边形、方形、圆形交替的变形方式(图4)。其改进后的工艺称为新工艺。原工艺与新工艺镦 拔方式及火次见表1。

采用圆形坯料镦粗时，最小阻力方向即是的半径方向。能够有效避免矩形截面变形不均匀的问题。拔长 时通 过截面形状的交替变化从而实现坯料各个部位的均匀变形，减少变形死，改善组织均匀性。

通过上述新工艺路线制备成品尺寸为+φ200mm的棒材6批次。每批任取两支棒材切取厚度为20mm的试样 ，试 样热处理制度为：950℃保温60min／AC+530℃保温360min／AC采用箱式电阻炉(炉温控温精度±5℃)对试样 进仃热处理，在热处理过的试样上检测室温拉伸、高温拉伸、持久性能及微组织。棒材按照GB／T5l93.2007 标准进行100％超声探伤。

2、结果与分析

2.1棒材低倍

原常规锻造工艺生产φ200mm的棒材的低倍组织按GJB2744A-2007图1评级为3～5级，新工艺低倍组织评 级见 表2。

2.2棒材高倍组织

新工艺锻造的TC11钛合金棒材的显微组织 为两相区加工组织，无完整原始B品界，组织细小、均匀，在 β转变基体上分布着等轴α+片状α，如图5所示。

2.3棒材力学性能

原工艺棒材室温及高温力学性能见表3。试样取自棒材长度方向靠近外侧面。

新工艺锻造的TC11钛合金棒室温拉伸性能见图6。试样取自棒材长度方向靠近外侧面随机取12个。

由图6可见，室温抗拉强度1080~1110MPa，屈服强度965~980MPa，均比原工艺高；伸长率和收缩率略高 于原 工艺。

由图7可见，高温抗拉强度755~790MPa，屈服强度595~605MPa，均比原工艺高，性能差异性小，从而说 明组 织均匀性好。

总之。新工艺锻造的TC11钛合金棒符合GJB2218A-2008力学性能要求。

2.4棒材的超声探伤

TC11钛合金锻棒的探伤无缺陷。新工艺棒材杂波水平φ1.2mm-(6~8)dB，满足GB/T5193-2007标准A1级要 求。

3、结论

(1)新工艺路线的变形方式可有效消除矩形截面变形时的不均匀现象，组织均匀性较好，满足超声

探伤要求。

(2)采用新工艺锻造的φ200mmTC11钛合金棒材各项力学性能指标均优于原工艺。

参考文献：

[1]张喜燕，赵永庆，白晨光.钛合金及应 用[M].北京：化学工业出版社.2005.

[2]钛及钛合金牌号和化学成分.GB／ T3620.1—2007[S].

[3]王占学.塑性加工金属学[M].北京：冶 金工业出版社，1991.

[4]姚泽坤.锻造工艺学.西安：西北工业 大学出版社，1998.

[5]钛及钛合金加工产品超声波探伤方法 ：GB/T5193-2007[S].