锻造温度对TC31钛合金组织及性能的影响

闵 武 莫安军 魏明刚 李媛一 余胜峰 栗文强

(中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司，四川618000)

钛合金具有较高的比强度、优异的耐腐蚀性、良好的热强性和焊接性能[1]，在航空航天领域应用广泛。现目前，国内外都在追求航空航天关键承力结构件的轻量化、高可靠性和长寿命，因此，就更需要高质量的钛合金锻件[2]。TC31钛合金是国内自主设计研发的650～700℃短时高温钛合金[3]，是一种通过细晶强化、固溶强化等多种机制实现强化的综合性能优异的热强钛合金。工艺决定组织，组织决定性能，锻件的最终性能与具体的锻造工艺参数密切相关[4]，而目前国内关于TC31钛合金锻造工艺参数对组织性能影响的研究比较少。在诸多工艺参数中，锻造温度对锻件最终性能和组织成分的影响十分显著和重要。因此，本文重点研究分析了锻造加热温度对TC31钛合金性能和组织的影响，确定了最佳锻造温度区间，为制定该钛合金的锻造工艺，提供一定的参考依据。

1 试验材料

本文研究使用的材料为TC31钛合金，是Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Nb-W-Si系列的α+β型高温钛合金。试验采用的是厚度为220 mm的TC31锻坯，沿厚度方向将锻坯锯切为3块175 mm×175 mm×70 mm(厚)的锻坯。该钛合金相变点为1044℃，化学成分见表1，力学性能见表2，显微组织见图1。

图1 显微组织Figure 1 Microstructure图2 试验件三维结构图Figure 2 Three-dimensional diagram of the test piece

表1 化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition (mass fraction，%)

表2 力学性能Table 2 Mechanical properties

2 试验方法

TC31钛合金应用于某超高音速飞行器的关键承力结构件，具有典型的“高筋薄腹板”类结构[5]。该类锻件采用模锻生产，可节约大量原材料，缩短加工周期，降低成本。采用具备“高筋薄腹板”结构特点的模锻件进行试验，试验件外形尺寸200 mm×200 mm×75 mm，试验件三维结构图如图2所示。

为研究不同锻造温度对锻件组织性能的影响，本文设计了3种锻造加热工艺参数，见表3。

表3 试验方案Table 3 Test plan

在200 MN压机上进行模锻试验，试验件实物见图3。

图3 试验件实物Figure 3 The actual test piece

3 试验结果与分析

将采用不同锻造加热温度模锻生产的试验件热处理后，按取样图(见图4)进行取样理化检测。

图4 试验件取样图Figure 4 Sampling diagram of test piece

由表4可见，在α+β相区加热锻造时，随着加热温度的升高，锻件的室温强度和高温强度均有所增加，并且强度随着锻造加热温度的升高逐渐趋于平稳，即锻造加热温度为Tβ-35℃的强度比锻造加热温度为Tβ-50℃的强度提升了约20MPa，锻造加热温度为Tβ-35℃的强度与锻造加热温度为Tβ-20℃的强度相当。试验件的塑性指标、断面收缩率和断后伸长率随着锻造加热温度的升高，先略有提高，然后略有降低，但不明显。

表4 不同锻造加热温度试验件的力学性能Table 4 Mechanical properties of test piecesat different forging heating temperatures

由图5可见，TC31钛合金在Tβ-50℃至Tβ-20℃温度区加热锻造，得到的显微组织均为α+β双态组织。但是，温度的不同，其形貌差距较大，尤其是初生α含量随着锻造加热温度的升高而减少，其次生α含量逐渐增多。当锻造加热温度为Tβ-20℃时，初生α含量约15%，形态呈球状、椭圆、断续的等轴组织，次生α为细小的针状，其长度尺寸约8～25 μm，截面尺寸在1～3 μm，且纵横交错、形似网篮组织。当锻造加热温度为Tβ-35℃时，初生α含量约35%，形态呈球状、椭圆、断续、少量短棒状的等轴组织，次生α呈较粗的针状，其长度尺寸约8～22 μm，截面尺寸在2～5 μm，次生α针截面尺寸明显大于前者。当锻造加热温度为Tβ-50℃时，初生α含量约55%，形态多为断续、短棒状的等轴组织，球状、椭圆的等轴组织较少，且有较为明显的方向性，次生α呈针状，其长度尺寸约4～16 μm，截面尺寸在0.5～4 μm，次生α针截面粗、细差距大。

图5 不同锻造加热温度的显微组织Figure 5 Microstructure at different forging heating temperature

由图5对比可见，当加热温度越高，加热温度越接近相变点，导致α相转变为β相越多，初生α含量越少，由β相冷却析出的次生α越多；更高的锻造加热温度，发生动态再结晶的能量越充足，初生α相的球化效果越好；次生α相由β相析出后，在变形能的作用下，使其发生错位、扭曲，从而形成网篮编织状态。

4 结论

(1)TC31钛合金在Tβ-50℃到Tβ-20℃温度区加热锻造得到的显微组织均为α+β双态组织；初生α含量随着锻造加热温度的升高而减少，次生α含量逐渐增多。

(2)TC31钛合金在Tβ-50℃到Tβ-20℃温度区加热锻造，获得的拉伸性能满足技术条件要求，其中在Tβ-35℃拉伸性能最优。