TC4合金鼓筒轴锻件的工艺研究

边洪岩，张江峰，杨家典，郭文光，张仕恒

(1.贵州黎阳国际制造有限公司，贵州 安顺 561102，2.贵州航宇科技股份发展有限公司，贵州 贵阳 550081)

TC4钛合金具有高强度、高应变，材料高温变形抗力大、整体流动性差等特点，导致TC4合金的热成形很困难[1]。TC4钛合金环形件是航空发动机上使用的一个重要锻件类型，例如风扇机匣、增压压气机机匣等。辗轧环件技术是生产高性能环形锻件的首选工艺方法之一。因此，对于精密辗轧技术的研究能提高航空武器装备的性能水平和使用寿命[2]。以下是鼓筒轴锻件成形过程的技术难点分析和成形方式：

1)鼓筒轴锻件使用TC4合金原材料规格较大；

2)鼓筒轴属于高筒锻件，高度高、壁厚厚、内径小，所以采取自由锻很难获得组织和性能均匀的合格产品；

3)TC4钛合金导热性差，若锻造不当，容易导致坯材内部温升过高，锻件出现清晰晶粒，使材料报废；

4)由于锻件壁厚厚，TC4合金淬透性很差，若直接采取矩形坯料热处理难以淬透，锻件的心部性能很难满足技术标准要求。

本文采取自由锻开坯，立式环轧机进行终轧的成形方式，对成形的锻件进行热处理，再从锻件上切取试环进行理化检测。

1 试验材料及方案

1.1 锻件信息

粗加工锻件图见图1，属于高筒锥型锻件，在锻件大端内径上切一件有效厚度≥30 mm的试环，再进行理化测试，根据粗加工锻件图可设计锻件尺寸为Φ610 mm×Φ340 mm×722 mm。

图1 鼓筒轴粗加工锻件图

1.2 试验材料

鼓筒轴锻件材料牌号TC4， 根据锻件尺寸及锻

造消耗计算出锻件使用棒材规格：Φ450 mm×1044 mm，投料重739 kg。采用金相法检测棒材相变点为995 ℃。原材料检测化学成分见表1。原材料显微组织见图2，棒材组织为无完整的β晶界，在β基体上含等轴α组织。

图2 原材料显微组织(100×)

表1 原材料化学成分检测结果(wt%)

1.3 试验方案

1.3.1 设备选择

根据锻件尺寸计算出下料重739 kg，选取开坯设备6300T液压机； TC4在高温下的变形抗力(见注2)及以下轧制力计算公式[5]，计算出终轧轧制力为754 t，轧制设备为800T立式环轧机，设备能力见表2。

表2 锻造设备能力情况

轧制力计算：

(1)

单位面积轧制力

(2)

总轧制力F=P·b·L

(3)

注：(1)Δh进给量为0.4 mm，R1主辊半径为650 mm，R2心辊半径为100 mm，R环坯外径为282 mm，r环坯内径为125 mm；

1.3.2 锻造及热处理方案

鼓筒轴的锻件成形方案见表3，锻造加热曲线见图3[3-4]，热处理加热曲线见图4、图5。

图3 锻造加热曲线图

表3 锻件成形方案

图4 固溶热处理曲线 图5 时效热处理曲线

2 理化检测

在理化试环(图1)上切取试样，取样数量：室温拉伸、室温冲击、硬度、高温拉伸和高温持久各4根，低周疲劳和断裂韧性各2根，显微组织1个。各项力学检测结果见表4～表6。

表4 室温拉伸、冲击，布氏硬度检测结果

表5 高温拉伸、高温持久检测结果

表6 低循环疲劳、断裂韧性检测结果

2.1 鼓筒轴力学性能检查结果

结果显示：以上测试结果均满足技术指标的要求，其中室温拉伸的抗拉强度有点偏高，富余量很大；高温拉伸强度等指标富余较大；布氏硬度、室温冲击和KIC性能富余量很小。

2.2 鼓筒轴显微组织检测结果

显微组织结果：符合GJB 2220—1994中图3的5级图片要求。原始β晶界破碎，由转变β基体上的等轴初生α相组成，锻造组织中晶粒边界未见连续大于25%的原始晶界。初生α含量约为20%。显微组织图片见图6。

图6 显微组织照片

3 结论

1)理化结果显示，力学性能、显微组织均满足技术要求，其中室温拉伸抗拉强度稍偏高，室温冲击和KIC性能数据压边，分析原因有两点，第一，原材料里面的O含量偏高，达到了0.19%，O元素是能提升钛合金强度的元素，这是因为氧原子进入合金体内，使金属晶体晶格发生扭曲，在产生应力应变的同时增加了位错的运动阻力，从而提高了合金强度，控制原材料的O含量应低于0.19%；第二，从显微组织上分析，初生α相是属于偏软化相，且在20%左右，在图6(b)中，心部的局部组织成网篮组织，会降低材料的塑性，这是由于零件上壁厚比较厚，锻造时心部热量很难散出来，并且变形热会增加锻件的温度，温度上升也会导致初生α相降低，所以降低锻造温度和控制下压速率或轧制速率，可防止锻造过程中材料温升过高。

2)锻造初始加热温度为相变点下40 ℃，从结果上来看初始锻造温度较高，后续可以选择降低锻造温度，对于锻造厚壁钛合金的锻件初始锻造温度不能高于相变点下40 ℃。

3)将锻件在热处理前进行一次初加工，使得锻件的壁厚减小到能淬透的要求。