TC4钛合金拥有高比强度、、、较宽的工作温度领域和优异的耐侵蚀机能
，是制作航空发起机压气机盘、、、叶片等 的首选资料之一[1]。航空发起机叶片的工作前提极为复杂和刻薄
，需接受巨大的气动应力、、、离心应力和温 度负荷作用[2]
，因而对叶片用钛合金棒材的显微组织和力学机能提出了很高的要求
，如GJB494Ａ-2008《航空发起机压气机叶片用钛合金棒材规范》要求叶片用TC4钛合金棒材的初生α相含量不低于25％。

超声波探伤 检验是航空航天领域钛合金原资料验收的根基要求
，部门原资料订货尺度中对探伤的要求也极度刻薄
，如 GJB494Ａ-2008要求转子叶片用棒材探伤杂波水平不大于0.8mm-12ｄB。国内学者对钛合金显微组织与超声探 伤杂波的对应关系进行了钻研[3-7]
，发现探伤杂波的凹凸不仅与组织中α相和β相的含量及尺寸巨细有关
，还与组织的均匀性、、、织构等亲昵有关。因而
，在钛合金研制和出产过程中
，除组织和通例机能外
，对超声 探伤杂波水平也应重点关注。

目前
，国内制作叶片用TC4钛合金棒材的热加工工艺重要有精锻和轧制
，但对2种加工方式下TC4钛合金棒材 组织和机能(蕴含超声探伤杂波)的综合对比钻研较少。为此
，对比分析了精锻和轧制2种加工方式下叶片用 TC4钛合金棒材的组织与机能
，并钻研了精锻温度和变形量对棒材组织与机能的影响
，以期为优化热加工工 艺
，制备满足GJB494Ａ-2008要求的叶片用TC4钛合金棒材提供参考。

1、、、尝试

1.1尝试资料

尝试资料为经3次真空自耗电弧熔炼(VAR)＋多火次墩拔铸造制备的φ95mmTC4钛合金棒坯。棒坯β相转变温 度为995℃
，化学成分如表1所示。棒坯横向组织由初生等轴α相和β转变组织组成
，为典型的双态组织
，初 生等轴α相含量超过65％
，如图1所示。

1.2步骤与设备

将φ95mmTC4钛合金棒坯切割成等长度的棒料
，依照表2规划进行铸造试验:①在940℃别离进行两火精锻、、、一 火精锻＋一火轧制和两火轧制
，得到规格为φ30mm的制品TC4钛合金棒材(中央道次规格均为φ55mm)；；②分 别在920、、、960℃进行两火精锻试验
，得到规格为φ30mm的制品TC4钛合金棒材；；③别离在920、、、940、、、960℃进 行一火精锻试验
，得到规格别离为φ50、、、φ65ｍｍ的制品TC4钛合金棒材。

沿制品TC4钛合金棒材横向Ｒ/2处 切取金相试样和力学机能试样。金相试样经磨抛后用侵蚀剂(HF、、、HNO3、、、ＨH2O体积比为1∶3∶6)浸蚀
，选取 蔡司AxioVert Al倒立式显微镜观察显微组织
，利用Image-proplus5.0图像软件分析初生α相含量
，每个试 样至少观察5个视场
，取均匀值。力学机能试样经800℃/1.5h/AC退火后
，选取ZwickZ 330试验机进行室温拉 伸机能测试
，选取ZwickZ 100试验机进行高温拉伸机能测试
，选取ZｗｉｃｋＲＭＴ-Ｄ10(100ｋＮ)试验机 进行高温悠久机能和蠕变机能测试。选取ＵSＰＣ7100型探伤仪进行水浸超声探伤检验
，探头为ＩSS/G/Ｃ10 ＭＨZ
，φ0.8mm平底孔。

2、、、了局与分析

2.1精锻和轧制棒材的组织与机能对比

图2是在940℃别离进行两火精锻、、、一火精锻＋一火轧制和两火轧制后得到的φ30mmTC4钛合金棒材的横、、、纵 向显微组织。从图2能够看出
，棒材均为典型的双态组织
，但分歧加工方式获得的棒材α相含量、、、状态、、、尺 寸及散布存在肯定差距。两火精锻棒材的初生α相含量约为65％
，纵向α相拉长显著
，精锻＋轧制和两火轧 制棒材的初生α相含量较低
，别离约为55％和45％
，但纵向等轴性更好。这是由于在一样的加热温度下
，精 锻棒材较轧制棒材变形功夫长
，铸造过程中产生了显著的温降
，而轧制棒材变形功夫短、、、温升显著
，现实变 形温度高于精锻棒材
，导致轧制棒材纵向初生α相的等轴化水平更高。此外
，精锻棒材的次生α相多呈碎点 状或扭曲的条状散布
，而轧制棒材的次生α相多呈平直的长条状散布
，这是由2种加工方式的特点决定的。 精锻变形道次间的持续功夫长
，两道次变形间隙会析出少量的次生α相
，次生α相鄙人一道次的铸造过程中 会产生破碎
，进而多呈碎点状或扭曲的条状散布
，如图2ａ、、、2ｄ所示。而轧制变形速度快
，组织中的次生α 相重要是在轧制变形实现后
，在冷却过程中从β晶界、、、α/β相界或β晶粒内高能缺点处形成的
，且多呈平 直的集束状散布
，如图2B、、、2ｅ所示。与精锻＋轧制工艺相比
，两火轧制工艺的温升更为显著
，导致制品组 织中初生等轴α相的含量较精锻＋轧制工艺更少
，但次生α相的厚度更大
，如图2ｃ、、、2ｆ所示。

两火精锻、、、 一火精锻＋一火轧制和两火轧制的φ30mmTC4钛合金棒材经800℃/1.5h/AC退火后的室温拉伸、、、高温拉伸、、、高 温悠久和蠕变机能见表3。从表3能够看出
，在一样热处置前提下
，精锻和轧制棒材的室温拉伸塑性、、、高温持 久和蠕变机能差距较小
，但精锻棒材的室温强度和高温强度显著高于轧制棒材。这是由于精锻棒材的初生α 相含量略高于轧制棒材
，且次生α相多呈碎点状或扭曲的条状散布
，晶粒藐小
，故障了位错活动
，起到了细 晶强化的作用。

表4是在940℃别离进行两火精锻、、、一火精锻＋一火轧制、、、两火轧制后得到的φ30mmTC4钛合 金棒材的超声探伤杂波水平。 从表4能够看出
，两火精锻棒材的探伤杂波水平为φ0.8mm-(9~12)ｄB
，精锻＋轧制、、、两火轧制棒材的探伤杂 波水平均为φ0.8mm-(12~16)ｄB
，小于两火精锻棒材。这是由于轧制棒材初生α相含量低
，次生α相的集束 尺寸增长
，相界面取向差减小
，组织越发均匀
，故探伤杂波水平低。从图2也能够看出
，精锻棒材的等轴α 相散布不均匀
，存在α相荟萃景象
，导致超声波信号散射加剧
，探伤杂波水平高于轧制棒材。

从以上组织、、、 机能和超声探伤杂波水平的分析可知
，精锻和轧制方式制备的棒材各有特点
，除超声探伤杂波水平稍高外
， 精锻棒材的室温强度和高温强度优势显著。因而
，为进一步提高TC4钛合金精锻棒材的组织与机能匹配
，开 展了精锻温度和变形量对TC4钛合金棒材组织与机能的影响钻研。

2.2精锻温度和变形量对组织与机能的影响

图3是依照表2精锻规划
，在分歧温度下精锻得到的φ30、、、φ50、、、φ65mmTC4钛合金棒材的显微组织。从图3可 以看出
，随着精锻温度的升高
，棒材初生α相含量从920℃精锻时的约80％降低到940℃精锻时的约65％
，当 精锻温度持续提高到960℃时初生α相含量不及50％
，但碎点状或扭曲的条状α相含量逐步增多。这是由于 精锻温度的升高加剧了初生α相转变[8]
，使铸造过程中形成的碎点状或扭曲的次生α相更多。从图3还能够 看出
，对于一样规格的TC4钛合金棒材
，精锻温度越高
，初生α相的散布越均匀。一样变形温度下
，精锻变 形量越大
，棒材组织越藐小
，α相产生扭曲和荟萃的不均匀景象也更为显著。

图4是在分歧温度下精锻得到 的分歧规格TC4钛合金棒材经800℃/1.5h/AC退火后的室温拉伸和高温拉伸机能。从图4ａ、、、4ｃ能够看出
，精锻温度越低、、、变形量越大
，棒材的室温拉伸和高温拉伸强 度也越高
，这与组织中初生α相和次生α相的含量和状态有关。经920℃精锻后的φ30mm棒材
，初生α相含 量高
，次生α相破碎显著且多呈碎点状散布
，其室温拉伸和高温拉伸强度最高。随着精锻温度的升高
，初生 等轴α相的含量逐步削减
，呈碎点状或扭曲条状的次生α相含量逐步提高
，但在800℃/1.5h/AC退火前提下
，次生α相的描摹并未产生显著变动
，因而影响棒材室温拉伸和高温拉伸强度的重要成分还是初生等轴α相 的含量。在一样的精锻温度下
，精锻变形量越大
，晶粒尺寸越小
， 棒材累积的位错密度越高
，对应的强度也越高。此外
，精锻温度和变形量对TC4钛合金棒材的塑性影响并不 显著
，如图4B所示。

表5是在分歧温度下精锻得到的分歧规格TC4钛合金棒材的超声探伤杂波水平。从表5可 以看出
，920~960℃精锻的φ30mmTC4钛合金棒材的探伤杂波水平为φ0.8mm-(9~12)ｄB
，φ50mm棒材的探伤 杂波水平为φ0.8mm-(12~16)ｄB
，可见一样精锻温度下φ50mm棒材的探伤杂波水平低于φ30mm棒材。920℃ 精锻的φ65mmTC4钛合金棒材探伤杂波水平为φ0.8mm-(12~16)ｄB
，但当精锻温度提高到940℃和960℃时
， 探伤杂波水平都降低到φ0.8mm-(16~20)ｄB
，注明一样规格的TC4钛合金棒材
，随着精锻温度的提高
，探伤 杂波水平逐步降低
，而精锻温度一按时
，变形量越大
，TC4钛合金棒材的探伤杂波水平越高。这是由于超声 波探伤杂波的变动与TC4钛合金棒材组织中初生α相和次生α相的含量、、、尺寸和散布情况均有关。精锻温度 越高
，精锻变形量越小
，TC4钛合金棒材初生α相的含量低且等轴性好
，次生α相的含量高且片层较平直
， 整体组织均匀性越好
，超声波探伤时信号散射越小
，杂波水平越低。

从以上分析了局可知
，随着精锻温度的升高
，TC4钛合金棒材的探伤杂波水平逐步减小。但精锻温度的提高 会导致初生α相含量降低(会对制品叶片的委顿机能产生不利影响[9])
，室温拉伸和高温拉伸强度降落。因 此
，针对叶片用TC4钛合金棒材
，当精锻温度为940℃时
，棒材的探伤杂波水平能够达到φ0.8mm-9ｄB以下
， 初生α相含量能够达到65％左右
，机能维持在较高水平
，整体组织、、、机能匹配较好。

3、、、结论

(1)与轧制工艺相比
，精锻工艺制备的TC4钛合金棒材室温拉伸和高温拉伸强度优势显著
，但超声探伤杂波水 平稍高。

(2)随着精锻温度升高
，TC4钛合金棒材的初生等轴α相含量逐步削减
，室温拉伸和高温拉伸强度降落
，但超 声探伤杂波水平逐步减小。随着精锻变形量增大
，棒材晶粒尺寸逐步减小
，室温拉伸和高温拉伸强度逐步提 高
，但组织均匀性变差
，超声探伤杂波水平增大。

(3)精锻温度选用940℃时
，TC4钛合金棒材的组织和机能匹配较好。

参考文件 

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有关链接