某特殊需求的大规格TC4钛合金棒材制备工艺研究

TC4钛合金具有良好的室温及高温力学性能，被广泛用于制造航空结构件和航空发动机的风扇、鼓筒等，已占到航空用钛合金总量的50%以上。飞机的诸多承力结构件，尤其是变截面结构件要求原材料棒材具有很好的缺口应力断裂性能，目的在于保证零件在高应力集中的状态下具有较强的抑制裂纹萌生和扩展的能力，而不致于断裂失效。国内相关技术标准中该类型TC4钛合金棒材规格的上限为Φ220mm。目前，未见国内外关于要求缺口应力断裂性能的TC4钛合金棒材制备工艺研究的公开报道。一般认为，TC4钛合金中的氢含量较高或者组织均匀性较差会降低其室温缺口应力断裂性能。在工业化批量生产中，因工艺不当导致此类棒材的缺口应力断裂性能不合格的现象也较为常见。

    某特殊锻件的原材料采购合同要求按照现技术标准提供超规格范围的Φ350mmTC4钛合金棒材，在保证力学性能指标不变的前提下，要求超声波探伤水平由原较小规格棒材的GB /T 5193中的B级提高至A级，因此开展了特殊需求的大规格TC4钛合金棒材制备的相关工艺研究。 
    实验采用海绵钛、中间合金制备5t自耗电极，通过德国进口的ALD真空自耗电弧炉，经3次真空自耗熔炼得到Φ720mm的TC4钛合金铸锭。由于高应力状态下氢的微观偏聚会降低缺口应力断裂性能，实验中对铸锭的原料选择和熔炼过程均采取了一定的措施来针对性地控制铸锭的氢含量。在铸锭头部、中部和尾部的表面取样测试其化学成分，分析结果满足相关技术标准要求。在铸锭头部取样，经金相法测得其相变点为990～995℃。 
    锻造设备为4500t快锻机。将铸锭沿长度方向锯切成3等份，选其中两段分别采用两种不同的锻造工艺制备Φ350mmTC4钛合金棒材。工艺1的路线为：铸锭单相区开坯（镦粗+拔长）至550mm方坯→两相区平砧拔长→两相区摔圆至Φ360mm棒坯→机加车光至Φ350mm成品棒材。工艺2的路线为：铸锭单相区开坯（镦粗+拔长）至550mm方坯→两相区镦粗+拔长+型砧直拔→两相区摔圆至Φ360mm棒坯→车光至Φ350mm成品棒材。其主要差异在于工艺1在两相区采取平砧直拔变形，工艺2在两相区采取镦拔和型砧直拔相结合的变形方式，且工艺1在两相区的总变形量小于工艺2。 
    分别在采用两种工艺锻造得到的Φ350mmTC4钛合金成品棒材上沿纵向切取长度为75mm的棒材进行两种温度的普通退火处理，退火制度分别为M1（720℃×2h/AC）和M2（790℃×2h/AC）。用肉眼观察锻后棒材的低倍组织。采用OLMPUS光学显微镜观察其微观组织，采用Instron-4507拉伸试验机和DN2缺口拉伸试验机对试样进行力学性能测试，观察缺口应力断裂试样缺口区域的显微组织。采用SONIC-138VFD超声波探伤仪对两种工艺锻造得到的TC4钛合金成品棒材进行超声波无损探伤检测。试验结果表明： 
    （1）采用β相区开坯+两相区锻造（镦拔+直拔）的工艺，即工艺2，制备的锻棒组织的均匀性及等轴化程度、超声波探伤水平均优于工艺1制备的棒材，可制备出满足供货技术要求的Φ350mm大规格TC4钛合金棒材。 
（2）初生α相等轴化良好的组织有利于提高室温缺口应力断裂性能，方向一致性较强的短棒状α相组织会降低缺口应力断裂性能。