文／张静，牛伟鹏，张延珍·陕西宏远航空锻造有限责任公司
TC18钛合金是一种高强高韧性近β型钛合金，转变温度Tβ为840～880℃。其名义成分为Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，按名义成分计算的Mo当量为12.8，是典型的近β型钛合金。此合金具有良好的热加工性、焊接性、淬透性和可热处理强化性，退火后的强度与TC4、TC6等合金固溶时效状态下的强度相当，数值在1080MPa以上，是退火状态下强度最高的钛合金。TC18钛合金的突出优点是最大淬透截面厚度可达250mm，而强度与其相当的Ti-1023淬透截面厚度仅为100mm。因此，TC18合金在制造飞机大型承力结构件方面更具有优势，是一种很有前途的高强钛合金。
我厂交付的某批次TC18锻件最终热处理后的组织是网篮组织，网篮组织的特点是在β转变基体上分布着交错编织成网状的片状α组织，原始β晶界被不同程度地破碎，晶界α沿原始β晶界分布已经不明显。获得这种组织的方法是在β区加热或开始变形，在(α β)两相区变形不太大时形成。
这种锻造变形在β相区变形时，组织形态的变化规律与全β锻造相同，变形量不大时保持原始粗大的多边形或沿金属流动的方向被拉长，变形量大时可能会发生动态再结晶，随着变形的继续进行，当温度逐渐降低到β转变温度时，开始从原始β晶界析出晶界α相，并承受一定变形；当温度进一步降低时，片状α才从晶粒内部析出。沿着β晶界析出的α相和晶内析出的片状α承受变形，从而形成断续α相勾画的原始β晶粒轮廓和交错分布的短片状α相，获得网篮组织。
网篮组织具有高持久强度和蠕变强度，在热强性方面具有明显的优势，适用于制作长期在高温和拉应力下工作的零件。此外，网篮组织还具有高断裂韧性、低疲劳裂纹扩展速率da/dN。
试验方案的对比分析原材料试验所用TC18钛合金材料成分如表1所示。材料初始规格为φ300mm×850mm的棒材，相变点870℃，β空烧低倍均未见明显的分层组织，低倍均符合标准图的4级，未见冶金缺陷，均符合标准图的2类。
表1 棒材化学成分(%)
考虑到TC18大型自由锻件的实际加工情况，试验参数设定为：制坯温度840℃；成形温度为台阶温度，低温控制在840℃，高温在895℃；整形温度控制840℃。制坯变形量控制在35%左右，成形变形量控制在25%左右，整形只是小变形，控制在15%左右。设备选用快锻机。
从不同的锻造变形方式的角度考虑，在β锻变形方面建立了两种工艺方案，见表2。通过原材料制坯获得尺寸为□(295±3)mm×(690±15)mm的荒坯。
表2 试验方案主要区别对比
锻造过程控制终锻温度不小于720℃，转移时间不大于50s；监控加热温度、保温时间、装炉数量位置、锻件冷却方式、首件及抽检尺寸检查等。
试验结果及分析两种方案的锻件经过相同双重退火热处理后，金相组织和机械性能测试结果如下。
显微组织对比分析原工艺方案与优化后方案显微组织都符合标准图要求，高倍照片见图1、图2。但后者的金相β晶粒内部片层次生α长宽比大，片层集束交织程度更加混乱。由于α片长宽比增加，裂纹扩展随着混乱交织的α片或α集束取向不断改变，因而路径曲折分枝多，路径越曲折表明裂纹所走路程越长，断裂韧性越好。
图1 原方案显微组织(500×)
图2 优化后方案显微组织(500×)
力学性能数据分析如图3所示，通过对比两种方案指标可以看出，抗拉强度、屈服强度以及延伸率与断面收缩率数值差别不大，但是优化后的方案比原方案数据更优更稳定，KIC数值得到明显的提升。网篮组织的塑性主要与粗大原始的β晶粒和晶界上连续的α有关，优化后的方案变形控制方面更加具体，组织变形更加均匀，因此综合指标更加均匀。
图3 两种方案性能数据对比图
结论⑴原工艺方案与优化后的工艺方案，名义尺寸上的变形量一致，根据理化数据以及金相显微图片对比，原工艺方案发生了不在控制范围内的变形，显然优化后的工艺方案完成同一尺寸变化但是发生的相对变形小，优化后的工艺方案所获得的组织以及各性能指标的匹配度更高。
⑵原工艺方案的准β锻一火虽然完成了变形要求，变形时间在50s左右，但是自由锻件区别于模锻件与胎模锻件，锻件的宽度方向以及长度方向没有模具或者胎模约束，因此会对下一火次产生不可避免的多余鼓肚以及不可控尺寸变化，这些尺寸变化势必在下一火次产生工艺计算范围外的变形。
⑶对比分析得出，优化后工艺方案的实施、现场操作的可复制性高，锻件总体各项性能指标匹配性更好，数据更稳定，锻件的工艺质量状态一致性更好。
张静
质量工程师。主要从事航空锻件过程控制、首件认证、质量策划等工作，完成了072工程，A321、A350、B747、B777等项目产品研发和批产阶段的质量保证控制计划和质量稳定性提升任务。多次获得公司“质量先进个人”“劳动模范”等荣誉称号。
——文章选自：《锻造与冲压》2022年第5期
