航空工业用钛合金锻造工艺分析及应用实例

1、概述

随着我国国民经济、科学技术的大发展,航天、航空工业近年迎来了新的发展契机,尤其在国家“大飞机”项目立项后,民用航空制造产业将成为引领国民经济发展的新的经济增长点,有着广阔的发展前景。民用航空制造企业为了不断提高飞机的先进性、可靠性、适用性,增加国产飞机的国际市场竞争力,对航空制造材料的选择要求越来越高;钛合金的主要特点是比重小,强度高,同时具有良好的耐热、耐腐蚀性能,成为现代飞机受力构件的主选材料,大大减轻了飞机重量,其中TC4(Ti-6AL-4V)和TB6钛合金锻件在航空制造中应用较多。

2、钛合金及锻造工艺的分类

根据室温显微组织,钛合金可分为三种类型:α型合金、α+β型合金和β型合金,其中α和α+β型合金的热塑性与变形速度关系不大,而β型合金有良好的可锻性但温度过低可能引起α相沉淀。钛合金锻造工艺按锻造温度与β转变温度的关系,分为常规锻造与高温锻造。

2.1 钛合金的常规锻造

常用变形钛合金通常都是在β转变温度以下锻造的,称为常规锻造。根据坯料在(α+β)相区加热温度的高低,可细分为上两相区锻造与下两相区锻造。

2.1.1 下两相区锻造

下两相区锻造一般是在β转变温度以下40～50℃加热锻造,此时初生α相和β相同时参与变形。变形温度愈低,参与变形的α相数量愈多。与β区变形相比,在下两相区域β相的再结晶过程急剧加快,再结晶形成的新的β晶粒不仅沿变形的原始β晶界上析出,而且在β晶界内和α片层间的β中间层内出现。经这种工艺生产的锻件强度很高,塑性较好,但其断裂韧性与蠕变性能还有很大潜力。

2.1.2 上两相区锻造

它是在β/(α+β)相变点以下10-15℃的温度下始锻。其变形后的最终组织含有较多的β转变组织,可提高组织的蠕变性能和断裂韧性;使钛合金塑性、强度、韧性兼得。

2.2 钛合金的高温锻造

也称为“β锻”,分为两种:第一种是坯料在β区加热,在β区开始并完成锻造的工艺方法;第二种是坯料在β区加热,在β区开始锻造,并控制很大变形量在两相区完成锻造的工艺方法,简称为“亚β锻”。与两相区锻造相比,β锻造能得到较高的蠕变强度和断裂韧性,还有利于钛合金周疲劳性能的提高。

2.3 钛合金的等温模锻

该种工艺利用了材料的超塑性及蠕变机理来生产较复杂锻件,要求模具预热并保持在760～980℃的范围内;液压机以预定的值施加压力,压力机的工作速度由毛坯的变形抗力自动调节。由于模具改为加热的,不需要采用那么快的活动横梁去避免急冷。飞机上用的许多锻件都具有薄壁和肋高的特征,故在航空制造中该种工艺得到了应用,如国产某型机的TB6钛合金等温精模锻件工艺。

3、TC4锻件缺陷分析及工艺改进

3.1 TC4锻件缺陷的出现及分析

某厂按航标进行TC4锻件试生产时,检测出试件几项锻件性能指标不合格,其中“缺口应力断裂”指标小于5小时,针对此问题,首先应从TC4的金相组织形态分析,然后从锻造工艺找原因。

3.1.1 TC4的金相组织形态特征

TC4钛合金属α+β型钛合金,组成为Ti―6AL―4V,退火组织为α+β相,含有6?的α稳定元素铝,通过固熔强化使α相的强度得到提高,钒稳定β相的能力较小,因此退火组织中β相的数量较少,大约占7-10。

TC4合金在不同的热处理和热加工条件下,基本相α、β的比例、性质和形态是很不同的。TC4合金的β转变温度在1000℃左右,若将TC4加热到950℃,空冷后所得组织为初生α+β转变组织;如加热到1100℃、空冷,则得到粗大的完全转变的β相组织,称为魏氏组织。如果加热和变形同时作用,影响更加明显,将TC4合金加热到β转变温度以上,但变形较小,即形成魏氏组织。其组织特征是:塑性、冲击韧性较低,但抗蠕变能力较好。如果开始变形温度在β转变以上,但变形程度足够大,则得到的组织特征是:α相勾划出的β晶界部分被粉碎,条状α相部分被扭曲,称为网篮状组织。其特征是塑性、冲击韧性较魏氏组织好,近似于等轴细晶组织,高温持久和蠕变性能较好。如果加热温度低于β转变温度,且变形程度足够,即得到等轴组织。其特点是综合性能较好,特别是塑性和冲击韧性较高。如果在α+β相区高温部分变形后又经高温退火就混合型组织,其综合性能好。

从以上对金相组织的分析可判断若TC4性能下降,可能由锻造过程中两个环节引起:

①加热温度过高,达到或超过β转变温度;

②锻件变形程度不够大。

3.1.2 TC4锻造工艺分析

锻造温度对α+β钛合金的β晶粒尺寸与室温性能的影响是随着温度的提高(β相转变以上)β晶粒变大,而延伸率和断面收缩率变小,塑性下降;为了保证TC4锻件具有良好的综合性能,应在β转变温度以下锻造。钛合金变形抗力较高,但导热性较差;锻造时在合金剧烈流动和过重锤击下,产生的变形可能使锻件个别部位温度超过β转变温度,还有变形程度过大、过小等因素都会引起晶粒粗大,使性能下降。综合上述可初步确定可能引起TC4锻件性能不合格的原因:

①该批锻坯加热时温度过高、超过β转变点;

②锻造时单次锤击过重,使单次变形程度过大,引起局部过热和聚集再结晶,使性能下降。③锻后热处理温度过高,使TC4锻件温度超过了β转变点,形成魏氏组织,降低锻件性能。3.2 TC4锻造工艺参数改变及试验结果

3.2.1 试验参数的选取和结果

针对以上分析,改变TC4锻造工艺参数同时锻造时注意轻打快打。(注:下料尺寸￠50×113,锻件尺寸50×65×65)

试验结果:所有性能指标均合格,其中“缺口应力断裂”指标均大于5小时。

3.2.2 试验结果分析

(1)从炉温及始锻温度看,加热温度并没有过高,即使再超过20℃仍可锻出合格件。

(2)试验中采用单次锤击轻打快打,试验锻件性能达标,证明轻打快打是改善锻件性能的一个重要因素。

(3)锻后热处理温度比原参数降低20℃,也可能是改善性能的一个因素,因为从温度上看,若炉温由于控温偏差达到795℃,这就超过了生产说明书规定的780℃,就会导致锻件性能下降。

3.2.3 试验结果验证及结论

为了进一步验证试验结果,又结合生产作了一个试验,在锤击时仍保持轻打快打的方法;结果锻件检测全部合格,“缺口应力断裂”指标均大于5小时。

试验前后TC4钛合金锻件力学性能见上。通过试验得出结论:在进行TC4钛合金锻件生产时,应严格控制锻造的工艺参数;首先注意锻造中轻打快打,降低单次锤击变形量,其次锻后热处理温度理论值应定在760～770℃范围内,这样才能保证TC4锻件的锻造质量。

4、钛合金锻造工艺的发展前景

钛合金的锻造工艺广泛应用于航空、航天制造业,等温锻造工艺已用于生产发动机的零件和飞机结构件上;也越来越受到汽车、电力和舰船等工业部门的欢迎。在国外,钛合金的应用已发展到很高的水平,应用于更高温度的TiAL合金及金属间化合物已被人们所重视,并进行了大量的研究;为了更好地应用这些材料,同时对其变形工艺的也做了许多研究。人们还越来越重视对更高强度的亚β型钛合金的研究。钛合金的应用及锻造工艺的研究仍将是一项热门的课题。