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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。

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