鈦及鈦合金中常見的鍛造熱效應(yīng)缺陷

目前鈦合金中常見的鍛造缺陷主要有組織過熱及不均、空洞、裂紋等，這些缺陷一般在鈦合金產(chǎn)品顯微組織檢查或超聲波檢測中很易發(fā)現(xiàn)，主要是在鈦合金產(chǎn)品鍛造過程中工藝參數(shù)控制不當形成的，所以在鍛造過程中需依據(jù)不同特性的鈦合金材料選擇合適的變形速率（鍛造設(shè)備）、加熱鍛造溫度、道次變形量及鍛后冷卻速度。

鈦合金在鍛造變形中，一般情況下中心部位是劇烈變形區(qū)，所以中心是溫升最高的區(qū)域，將中心部位溫升情況作為制訂鍛造工藝的主要依據(jù)。采用鍛造速度較快的鍛錘鍛造鈦合金時，必須考慮鍛造過程中的中心熱效應(yīng)，不能連續(xù)重擊坯料。鈦合金鍛造在有條件的情況下建議采用壓力機或快鍛機，該類鍛造設(shè)備打擊速度低，鍛造過程中坯料瞬時應(yīng)變速率較低，產(chǎn)生的變形熱不是非常明顯，同時有足夠時間進行變形熱擴散，不會導(dǎo)致瞬時心部溫度明顯增高。

鈦合金在相變點(α+β/β轉(zhuǎn)變溫度)以上變形獲得網(wǎng)籃組織或魏氏組織塑性、疲勞性能差，所以絕大多數(shù)鈦合金產(chǎn)品技術(shù)標準中要求近α 型、α +β 型雙相鈦合金成品，顯微組織一般是綜合性能較好的等軸組織或雙態(tài)組織，所以近α型、α+β型雙相鈦合金成品鍛造一般選擇在相變點以下30～60℃加熱鍛造。大量研究及工程實踐證明，隨著鍛造加熱溫度的升高，雙相鈦合金顯微組織中初生α等軸的含量明顯降低，而α板條含量顯著增加。也就是說雙相鈦合金在相變點以下加熱時，隨著加熱溫度升高，組織中初生α等軸逐步向β相轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致加熱鍛造后的鈦合金顯微組織中初生α等軸含量降低、形態(tài)變小，α板條含量增多，當加熱鍛造溫度超過鈦合金相變點之后，雙相鈦合金組織中的初生α等軸全部消失，為板條狀網(wǎng)籃組織或魏氏組織。

某牌號高溫鈦合金鑄錠在快鍛機上開坯鍛造后，在α+β兩相區(qū)多火次加熱鍛造為φ 165mm鈦棒材，熱處理后觀察其低倍組織為模糊晶組織，顯微組織為等軸組織，為理想的α+β雙相鈦合金等軸組織，組織照片見圖1a。將上述φ 165mm棒材鋸切下料后，在相變點下50℃加熱后，在30kN液壓錘上將其鍛成φ 110mm×110mm方坯，隨后對方坯進行解剖分析時，發(fā)現(xiàn)其心部為清晰晶，顯微組織照片見圖1b，顯微組織為α板條+β轉(zhuǎn)，是典型魏氏組織，存在清晰的晶界，α屬于鈦合金中的過熱組織，距離表面20～30mm為半清晰晶，顯微組織照片見圖1c，顯微組織為α板條+α等軸+β轉(zhuǎn)，α 等軸數(shù)量稀少，α板條數(shù)量居多，存在斷續(xù)分布晶界α；距離表面0～20mm范圍內(nèi)為模糊晶。某批次φ80mm規(guī)格TC4鈦合金棒材，其顯微組織為典型等軸α組織（見圖2a），初生α等軸含量達到70%以上。在940℃（合金相變點995℃）加熱錘上模鍛后，其模鍛件心部顯微組織見圖2b，初生α等軸含量僅剩余15%左右，為鍛造溫度過熱造成。

鈦熱導(dǎo)率為0.036c a l/c m·s·℃（1cal/cm·s·℃=418.68W/cm·K），室溫時是鋁的1/15，鐵的1/5。鈦合金在錘上鍛造過程中，由于瞬時變形速率大（錘上變形7~9m/s）、打擊頻率高，造成合金內(nèi)部流動應(yīng)力過大，消耗大量機械能短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為內(nèi)部熱量，由于坯料心部變形較周圍大且散熱條件差，致使坯料內(nèi)部溫度升高、變形程度最大中心區(qū)域溫度接近，甚至超過合金相變點，導(dǎo)致最終坯料中心顯微組織中初生α等軸急劇減少，甚至全部消失，過熱嚴重時組織轉(zhuǎn)變?yōu)樾阅芊浅２畹奈菏辖M織。以上典型兩種雙相鈦合金經(jīng)過錘上鍛造后，其顯微組織中的初生α等軸含量急劇減少，α板條含量相應(yīng)增加，顯微組織由理想的等軸組織轉(zhuǎn)變?yōu)檩^差的魏氏組織，主要原因就是鈦合金在瞬時劇烈變形過程中產(chǎn)生過熱現(xiàn)象造成的。