TC18模锻件断裂韧性不合格原因分析及工艺改进研究
TC18模锻件断裂韧性不合格原因分析及工艺改进研究
摘要：针对TC18钛合金模锻件存在断裂韧性不合格的现象，通过形成机理分析原因并进行工艺改进，得到合格的断裂韧性数值。结果表明：缩短荒坯出炉并摆正在模具型腔上的时间，以及采用模具型腔垫石棉隔阻热等工艺措施，降低荒坯表面金属与下模型腔冷却温差，保证荒坯表面金属锻压延展的可变形量，均为改善TC18 模锻件断裂韧性的明显手段。
关键词：TC18 钛合金；锻件；断裂韧性；准β锻造
1  引言
TC18 是一种新型的高合金化α+β两相合金材料，其名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr
-1Fe，兼备β钛合金及α+β钛合金的性能特点，具有很高的强度和韧性，且淬透性非常优异[1-2]。这些优势使得TC18 合金广泛应用于航空工业，常用于制造飞机机身和前后起落架上的高承力结构件。由于TC18钛合金锻件使用在飞行器高承力结构位置，故对其组织及力学性能的要求较高[3-4]。TC18钛合金锻件组织形成较为复杂，其中α相及β相的形态及组成分布都会影响锻件性能，为生产出合格锻件保证锻件质量，对锻件工艺方案制定以及锻造过程的工艺控制
带来了新的挑战。
本研究针对某TC18模锻件断裂韧性不合格缺陷进行机理分析，并针对性的提出工艺改进措施，探索制备高质量TC18模锻件的一条有效途径。
2  试验材料、设备及方法
2.1  试验材料
    本试验以弧形且带拐弯小头部分模锻件实体做为试验材料，锻件三维形貌以及外廓尺寸见图1，锻件长度方向尺寸较长（961mm），而横向截面的宽度(76mm)、厚度(86mm)尺寸较小。锻件取试样图见图2，要求的断裂韧性值为K1C≥60MPa.m1/2，测定T-L方向四个断裂韧性数值分别为57.9 MPa.m1/2、59.4 MPa.m1/2、56.1 MPa.m1/2、58.3 MPa.m1/2韧性断裂，出现断裂韧性不合格现象。
图1 模锻件三维外形
图2 模锻件断裂韧性取样位置图
2.2  试验设备
试验设备采用1000T快锻机制坯，8000T电动螺旋压力机进行锻造。
2.2 锻造试验工艺参数
2.2.1 锻造流程
锻造流程如下：   
 
 
2.2.2 锻造试验工艺参数
锻件制坯加热温度为Tβ‐35℃，保温130min后制荒坯，制坯加热曲线见图3。自由锻制坯采用单面压缩法拔长，每锤送进量150-200mm，每锤下压10mm，每锤间隔2-3s。随后将炉膛预热至Tβ‐30℃保温20min以上进行装料，保温70min后随炉升温至Tβ+15℃并保温30min再出炉进行准β模锻，准β加热曲线见图4，准β模锻第一锤轻压定位，第二锤变形量10%，第三锤变形量10%，第四锤变形量15%，终锻温度≥720℃。锻后铣去残余毛边1mm-3.5mm，并进行表面油污清理。
锻件采用退火态交付，热处理工艺采用840℃加热保温150+30min，随炉降至750℃后保温150+30min，再空冷至室温后加热至605℃保温300+300 min 后空冷至室温。
                   
图3 制坯加热曲线                          图4 准β锻造加热曲线       
3  断裂韧性不合格的原因分析和工艺改进研究
3.1  断裂韧性不合格的分析
对锻件进行了低倍和显微组织检测，锻件横向低倍检测结果如图6所示，从低倍照片上可以看出，模锻件下模区域表面部位晶粒较粗，而上模区域无此现象（见图5），故排除自由锻制荒坯时锻造过程的影响，判定主要问题在准β模锻生产过程上。同时用金相显微镜查看该区域的显微组织，发现该区域显微组织晶界未被充分破碎(见图6)，变形程度较小，按锻件标准显微组织评级图评级为7～8 级，粗大的晶粒会造成断裂韧性出现不合格。
           
图5 模锻件加工件低倍照片                图6冷模组织区域显微组织照片
3.2  工艺过程对断裂韧性的影响

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