TC18 鈦合金半球形鍛件鍛造工藝研究

鈦合金氣瓶在航天領域應用已較為成熟，如在運載火箭上作為增壓系統極為重要的焊接組件為燃料貯箱增壓、補壓，作為衛星控制與推進分系統的重要部件，為衛星提供高壓氣體源，在飛彈中負擔貯存和供給製冷用氣任務等。其共同的特點就是均需承受非常高的工作壓力。因此，用於製備高壓氣瓶的鈦合金材料就需要具備較高的力學性能。現廣泛用於製造氣瓶的鈦合金有TC4ELI、TA7ELI、TC4 等，其熱處理後的強度水平均低於1000MPa，本文選用TC18 鈦合金開展半球形鍛件的研究和試製工作，擬提供一種高性能的氣瓶用半球形鍛件，從而為鈦合金高壓氣瓶的應用發展提供基礎數據，同時也為拓展TC18 鈦合金應用範圍打下基礎。

試驗材料及方法

試驗選材

試驗材料為經過3 次VAR 熔煉的TC18 鈦合金鑄錠，其錠型為φ820mm，主要化學成分範圍見表1。經測定，該鑄錠的頭、尾相變點分別為869℃和871℃。

試驗方法

試驗選用設備為80/100MN 油壓快鍛機和31.5MN 水壓機，採用先鍛造制坯後胎模鍛成形的方法進行半球形鍛件的試製。基本的工藝路線為：鍛造開坯→鍛制棒坯→下料→鍛制餅坯→機加→無損檢測→塗層→胎模鍛成形→檢驗。

半球形鍛件整體外形檢驗採用目視進行。將半球形鍛件沿中心線剖開後利用卡尺、捲尺等工具多點測量尺寸。顯微組織和力學性能均在弦向樣條上取樣檢驗，其取樣位置如圖1 所示，顯微組織試樣為15mm×15mm×15mm，力學性能試樣為15mm×15mm×80mm，其中室溫衝擊韌性試樣開口類型為U 口。顯微組織觀測設備為Axiovert200MAT光學顯微鏡，室溫拉伸性能在Instron 5885 電子萬能材料試驗機上進行，室溫衝擊韌性在JNS-300 擺錘式衝擊試驗機上進行。

表1 試驗用TC18 合金錠的化學成分(wt%)

圖1 TC18 鈦合金半球形鍛件取樣圖

鍛件鍛造工藝

TC18 鈦合金是一種近β 型高強度、高韌性鈦合金，它的名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-1Cr-1Fe，其Mo 當量高達12.6，屬高合金化鈦合金，其鍛造變形過程中的抗力較一般合金大，變形極易出現不均勻組織。它的Tβ 相轉變點一般為(870±20)℃，鍛造溫度則一般在Tβ-(20 ～60)℃，鍛造變形溫度區間極窄。因此，結合TC18 鍛造變形時的特性，在合適的溫度加熱後，鑄錠開坯和棒坯的鍛制全部採用80/100MN 油壓快鍛機進行，以便有效控制鍛造時的道次變形量和變形速率等工藝參數。整個棒坯鍛制採用特定加熱工藝和鐓粗拔長工藝，工藝方案示意圖如圖2 所示。β 相區加熱溫度為Tβ+（40 ～100）℃，α+β 相區加熱溫度為Tβ-（20 ～60）℃，經多火次加熱、鍛造後，鍛製成規格為φ350 ～φ450mm的棒坯。棒坯再經帶鋸下料，利用31.5MN 水壓機鍛制半球形鍛件用的圓形餅坯，餅坯的厚度和直徑由半球形鍛件的尺寸決定，餅坯應進行機加去除氧化皮和鍛制缺陷，保證表面粗糙度Ra ≤3.2μm，以便進行無損探傷，同時確保模鍛過程中鍛件不因餅坯的表面缺陷而產生裂紋導致報廢。

圖2 TC18 鈦合金棒坯鍛制工藝

半球形鍛件鍛造成形使用的胎模具簡易圖如圖3所示。模具主要結構分為凸模、導套和凹模，其中凹模上端加工有定位槽，定位槽的深度與半球形鍛件用餅坯厚度相同，直徑比餅坯稍大。定位槽的作用主要是模鍛前和模鍛變形起始階段餅坯的定位，以保證整個變形的起點從餅坯的中心開始。導套隨著凸模下壓同步向下運動，以確保鍛件在整個鍛壓成形過程中不會出現偏斜和移位。模鍛成形時，凸模固定在鍛壓機的上砧上，凹模平置在凸模的正下方，與凸模配套使用。整個模鍛過程的鍛壓速率由鍛壓機控制，為保證半球形鍛件的成形性和表面質量，避免在受拉應力較大的邊緣出現撕裂缺陷，整個鍛壓變形過程應嚴格控制壓下速率，並儘可能保證勻速進行。另外，模鍛前還應做好模具的預熱工作和潤滑防護工作，模具預熱溫度可根據情況在200 ～600℃之間選擇。潤滑可採用石墨粉或二硫化鉬等鍛造常用潤滑劑，在與鍛件接觸的模具內壁上均勻塗刷潤滑劑，不僅可有效減小變形過程中的摩擦力，提高成形過程金屬的流動性，降低鍛件表面產生裂紋的機率，而且也有利於半球形鍛件鍛壓成形後的脫模。

鍛件成形性分析

TC18 鈦合金半球形鍛件實物如圖4 所示。本次試驗共試製TC18 鈦合金半球形鍛件3 件，從試製的情況和結果來看，TC18 鈦合金在鍛壓半球形鍛件時的成形性良好，成形過程穩定。整個試驗過程鍛壓力平均不高於20MN。成形後TC18 鈦合金半球形鍛件的形狀規整，未出現明顯的鍛壓偏斜情況。底端周向的「壓餘」和「飛邊」形狀對稱、厚度均勻一致。鍛件內腔和外表面無任何明顯裂紋、摺疊等缺陷產生。整個模鍛過程不僅穩定可控而且易於執行。說明本次試驗制定的模鍛工藝方案是合理可行的。

圖3 半球形鈦合金鍛件成形用模具簡圖

測量解剖件發現，鍛件的整體圓度完全滿足成品鍛件的機加要求，鍛件內腔的形狀、尺寸和凸模的形狀與尺寸符合度高。多點測量後發現鍛件的壁厚存在一定差異，壁厚最大點在底端壓餘處附近，最小點在半球頂端附近，最大點與最小點壁厚差值為5mm。分析認為，壁厚差是與餅坯的變形規律相符的，凸模頂端優先接觸餅坯的中心區域，在壓應力的作用下餅坯的中心區域最先產生塑性變形，後在壓應力和拉應力的共同作用下逐漸使四周坯料向軸向和徑向產生塑性變形。塑性變形停止時，即鍛件完全成形時，與凸模的頂端接觸的坯料區域為變形量最大的區域，而底端則是變形量最小的區域，底端的壁厚也基本接近餅坯的厚度。因此，在設計半球形鍛件所需餅坯的尺寸時，由塑性變形引起的半球頂端壁厚減小的情況，是必須納入考慮範圍的，以便為後續成品機加工留出足夠的加工餘量。

鍛件顯微組織

對TC18 鈦合金半球形鍛件分別在圖1 中的3 個位置取樣進行顯微組織檢測，3 個位置的軸向顯微組織如圖5 所示，弦向顯微組織如圖6 所示。

從圖5、圖6 可以看出，TC18 鈦合金半球形鍛件在兩個方向上的顯微組織均為α+β 兩相區加工組織，組織類型為典型的等軸組織，整體組織細小、分布均勻，組織等軸化程度高。初生α 相均呈顆粒狀或短棒狀，無長條α 相，在原始β 晶界上也無連續的、平直的α 相。初生α 相含量平均約為40%。可見，半球形鍛件的整體鍛造變形量較為充分，變形均勻，縱橫向方向差異性小。原始β 晶粒在變形中得到了充分的破碎，初生α 相也有良好的球化效果。

圖4 半球形鍛件實物圖

圖5 TC18 鈦合金鍛件軸向顯微組織

圖6 TC18 鈦合金鍛件弦向顯微組織

對比圖5 和圖6 可以看出，鍛件不同位置的軸向或弦向組織基本一致，模鍛成形時變形量最小的A點和變形量大的C 點，組織類型和相的組成也基本相同；對比圖5 和圖6 還可以看出，A、B 和C 點同一位置的軸向和弦向組織也基本一致，組織形態、相的組成、α 相的大小與分布也無明顯差異。說明在胎模鍛成形過程中產生的不等量的塑性變形或累積變形量，不會導致鍛件不同位置的組織產生明顯差異，也不會對同一點不同方向的組織造成顯著影響。那麼，根據鈦合金具有的「組織遺傳性」，可以判定成品鍛件的組織形態基本遺傳自餅坯的組織形態，也就是說餅坯的製備工藝對成品鍛件的組織具有決定性的影響。這一點在此類鈦合金鍛件的工藝設計和成形過程中應引起注意。

力學性能

在圖1 中的D 和E 位置分別切取多個力學性能試樣，選用表2 中3 種方案進行熱處理後，檢測其室溫力學性能。室溫力學性能檢測結果見表3 和圖7。

由表3 和圖7 可以看出，當採用雙重熱處理時，隨著時效溫度的升高，TC18 鈦合金半球形鍛件的室溫抗拉強度出現了降低的趨勢，塑性和韌性出現了升高的趨勢。當時效溫度由575℃升高到585℃時，室溫抗拉強度和塑、韌性均變化不大；但時效溫度由585℃升高到595℃時，其抗拉強度和屈服強度出現明顯降低，平均降低了3% 左右，而伸長率和斷面收縮率則出現了顯著的提高，分別提高了29% 和9%，衝擊韌性更是提高了40% 以上。可見採用750 ℃/2h·AC+595 ℃/6h·AC 進行熱處理，能使TC18 鈦合金半球形鍛件得到良好的強韌性匹配。

表2 TC18 半球形鍛件熱處理制度

表3 TC18 半球形鍛件室溫力學性能

圖7 熱處理制度對TC18 鈦合金鍛件室溫性能的影響

結論

⑴利用自由鍛設備，採用「自由鍛制坯+胎模鍛成形」的工藝路線合理可行，鍛制的TC18 合金半球形鍛件其形狀和尺寸均滿足工藝要求。

⑵鍛件的顯微組織類型為等軸組織，顆粒狀或短棒狀α 相細小均勻的分布在β 基體上，不同位置或同一位置不同方向的組織一致性高，無明顯差異。

⑶經3 種方案熱處理後，其室溫強度隨著時效溫度的升高出現降低趨勢，塑韌性隨著時效溫度的升高出現升高趨勢。採用750℃/2h·AC+595℃/6h·AC進行熱處理後，能使TC18 鈦合金半球得到良好的強韌性匹配。

——來源：《鍛造與衝壓》2020年第17期