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　　近a型TG6鈦合金的名義成分為Ti-5.8Al-4Sn-4Zr-0.7Nb-1.5Ta-0.4Si，具有優(yōu)異的高溫蠕變抗力和疲勞性能，長(zhǎng)期耐熱溫度能達(dá)到600℃，主要適用于制造先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)高壓段的輪盤、葉片和機(jī)匣等零部件。TG6鈦合金成分復(fù)雜，合金化程度高，其(a+b)/b相轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)1050℃，a+b兩相區(qū)的變形溫度也高達(dá)1010℃。與普通鈦合金如TC4、TC11相比，TG6鈦合金鍛造時(shí)變形抗力大，工藝塑性低，另外，和其他近a型鈦合金相同，TG6鈦合金的顯微組織和力學(xué)性能對(duì)鍛造工藝參數(shù)（如變形溫度、變形量、變形速率、冷卻條件）的影響比較敏感^[1]。傳統(tǒng)模鍛工藝要求的設(shè)備噸位大，充填型腔困難，而且工藝參數(shù)的精確控制較為困難，獲得的鈦合金鍛件組織和性能均勻性差^[2]；若采用等溫模鍛工藝，則模具的加熱溫度高，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)在1010℃適用的模具材料^[3]。熱模模鍛技術(shù)是介于等溫模鍛和普通模鍛的一種折中的鍛造工藝，其模具加熱溫度可以略低于坯料的加熱溫度，因此，降低了對(duì)模具材料和加熱裝置的要求。本試驗(yàn)采用熱模模鍛技術(shù)制造TG6鈦合金的盤模鍛件，選用K403高溫合金作為模具材料和FR5玻璃防護(hù)潤(rùn)滑劑作為毛坯的防護(hù)潤(rùn)滑劑，并評(píng)估了a+b兩相區(qū)熱模模鍛工藝、K403模具及FR5潤(rùn)滑工藝生產(chǎn)TG6鈦合金盤件的可行性。

 

　　熱模模鍛工藝的模具加熱溫度略低于坯料的模鍛溫度，一方面，可以實(shí)現(xiàn)在低應(yīng)變速率條件下的變形，因此，變形均勻，組織和性能穩(wěn)定，鍛件尺寸精度高，達(dá)到與等溫鍛造相同的效果^[4]；另一方面，又可以因降低對(duì)模具材料和加熱裝置的要求而大大降低總的制造成本。

　　TG6鈦合金盤鍛件的熱模模鍛工藝試驗(yàn)在63MN可控應(yīng)變速率的專用液壓機(jī)上進(jìn)行，配備了最高加熱溫度可達(dá)1000℃的模具及其加熱裝置。該設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)壓力及橫梁移動(dòng)速度，最大壓力可達(dá)80MN，橫梁慢速移動(dòng)速率可低至0.002~0.01mm/s，控制精度和自動(dòng)化程度高，可滿足等溫超塑性變形工藝的要求。

　　TG6鈦合金的名義化學(xué)成分和實(shí)測(cè)結(jié)果見表1，(a+b)/b相轉(zhuǎn)變溫度T_b=1050℃。試驗(yàn)采用的餅環(huán)坯尺寸為外徑F370mm、內(nèi)徑F200mm、高78mm。

表1  TG6鈦合金的名義化學(xué)成分和實(shí)測(cè)結(jié)果

Table 1  Nominal chemical composition and test result of TG6 titanium alloy

 

　　根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)推算，能夠在變形溫度下穩(wěn)定工作的等溫鍛造模具材料，其屈服強(qiáng)度應(yīng)該在相應(yīng)溫度下變形材料屈服強(qiáng)度的三倍以上^[5]，TG6鈦合金在其模鍛溫度1010℃和中等應(yīng)變速率下的變形流變應(yīng)力低于100MPa，而K403鑄造合金在950℃時(shí)的屈服強(qiáng)度在400MPa以上^[6]，同時(shí)在該溫度下具有完全抗氧化能力，可滿足TG6鈦合金熱模模鍛工藝的使用要求。K403高溫合金采用真空熔模鑄造工藝制備，整套模鍛模具采用積木式組合結(jié)構(gòu)，通過(guò)分塊澆鑄可實(shí)現(xiàn)分塊更換，易于維修和制造；采用數(shù)控加工和電火花方法加工模具的型腔。

本試驗(yàn)選用FR5玻璃防護(hù)潤(rùn)滑劑作為TG6鈦合金毛坯的防護(hù)潤(rùn)滑劑。

鈦合金模鍛使用玻璃潤(rùn)滑劑的主要功能是：

(1) 防護(hù)性能好，減少在加熱和模鍛過(guò)程中吸H₂和O₂；防止表面污染；

(2) 潤(rùn)滑性能良好，例如，鈦合金模鍛采用FR5玻璃防護(hù)潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑，其摩擦系數(shù)m＝0.082，而在無(wú)玻璃潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑的條件下m＝0.35；

(3) 隔熱效果好，玻璃潤(rùn)滑劑的熱導(dǎo)率只有鈦合金的十分之一^[7]，防止毛坯熱量的散失。

該潤(rùn)滑劑玻璃料的主要成分為：40~60%SiO₂、1~10%Al₂O₃、20~35%B₂O₃、1~10%CaO、1~10%Na₂O+K₂O、1~10%BaO，載體為水，粘結(jié)劑為25%FRS1水溶樹脂，使用溫度800℃~1000℃，無(wú)毒。

毛坯除油污（噴砂或酸堿洗） ® 毛坯預(yù)熱至100℃左右 ® 涂玻璃潤(rùn)滑劑 ® 干燥 ® 鍛造加熱

 

　　模具加熱溫度為950℃，坯料加熱溫度為1010℃，坯料出爐后迅速轉(zhuǎn)移到模腔內(nèi)，立即進(jìn)行模鍛。毛坯除在加熱前涂上FR5玻璃潤(rùn)滑劑外，在模壓前還要在模具上涂上一層由石墨、二硫化鉬和機(jī)油組成的乳劑，以利于潤(rùn)滑和鍛后鍛件的脫模。模鍛采取分段控制模鍛壓下速度的方式，即先快后慢，分段遞減，起始?jí)合滤俣葹?mm/s，最終壓下速度為0.2mm/s，鍛件在出模后空冷。TG6盤鍛件的輪緣部位厚度為50mm，輪輻部位厚度為30mm，整個(gè)鍛件的變形量在36%~62%之間。

 

TG6鈦合金盤鍛件見圖1，其鍛態(tài)徑向低倍組織見圖2，為模糊晶組織，組織均勻。為了保證TG6鈦合金蠕變抗力、疲勞性能和熱穩(wěn)定性的良好匹配，盤鍛件采用a+b兩相區(qū)上部固溶處理（1035℃/1h，AC），并隨后采用了高溫時(shí)效（750℃/2h，AC）的熱處理工藝，獲得的雙態(tài)組織中的初生a相含量約為15%，初生a相的尺寸約為20mm，等軸化程度好，b轉(zhuǎn)變組織由間隔細(xì)小的a片和b片組成，見圖3。

圖1  TG6鈦合金熱模模鍛的盤鍛件

Fig.1 Hot-die forged compressor discs of TG6 titanium alloy

圖2  TG6鈦合金盤模鍛件徑向鍛態(tài)低倍組織

Fig.2  Radial macrostructure of TG6 titanium alloy disc forging as forged

圖3  TG6鈦合金盤鍛件的顯微組織

Fig.3  Microstructure of TG6 high temperature titanium alloy disc forging

 

　　固溶處理和時(shí)效的TG6鈦合金盤鍛件的基本力學(xué)性能見表2，其室溫拉伸性能、600℃拉伸性能、熱穩(wěn)定性和600℃蠕變性能均達(dá)到了技術(shù)條件的要求。采用較少初生a相含量的雙態(tài)組織，不僅可以保證合金具有高的強(qiáng)度、塑性和良好的熱穩(wěn)定性，而且還保證合金具有較高的蠕變抗力，更好地滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子部件高溫、高壓、高載荷的苛刻服役條件的使用要求。

 

表2  TG6鈦合金盤鍛件雙態(tài)組織的典型力學(xué)性能

Table 2  Typical mechanical properties of TG6 titanium alloy disc forging with bi-modal microstructure

 

　　鍛造工藝是影響鈦合金力學(xué)性能的重要因素之一。對(duì)于TG6鈦合金而言，為了解決其蠕變抗力與塑性、熱穩(wěn)定性之間的本質(zhì)矛盾，同時(shí)又考慮到鍛造工藝在實(shí)際條件下的穩(wěn)定性和可操作性，因此采用了a+b兩相區(qū)鍛造工藝更為合適，通過(guò)后續(xù)的熱處理，獲得雙態(tài)組織而使用，以實(shí)現(xiàn)蠕變、塑性和熱穩(wěn)定性的良好匹配。

與傳統(tǒng)a+b兩相區(qū)普通模鍛工藝相比，采用a+b兩相區(qū)熱模模鍛工藝制造TG6鈦合金盤鍛件具有如下優(yōu)勢(shì)：

(1) 變形載荷小。TG6鈦合金a+b兩相區(qū)變形的流變應(yīng)力對(duì)溫度和應(yīng)變速率的敏感性大，即隨著溫度的下降和應(yīng)變速率的增加，變形流變應(yīng)力急劇增加，熱模模鍛是在較為恒定的溫度和較低的變形速率下進(jìn)行鍛造，因此，可以顯著降低變形載荷；同時(shí)還可以提高合金的工藝塑性，可以實(shí)現(xiàn)較大的允許變形量；

(2) 鍛件不易過(guò)熱。與鋼和鋁合金相比，鈦合金的導(dǎo)熱性差^[8]，熱模模鍛工藝是在較低的變形速率下進(jìn)行的鍛造，變形溫升小，而且產(chǎn)生的少量變形熱又可以通過(guò)坯料與模具的溫差而散失，防止了傳統(tǒng)鍛造工藝因高的變形溫升造成鍛件內(nèi)溫度分布不均勻或產(chǎn)生過(guò)熱組織情況的發(fā)生；

(3) 熱模模鍛工藝避免了傳統(tǒng)工藝?yán)淠＞邔?duì)坯料表面的激冷作用，變形時(shí)鍛件表面不易產(chǎn)生裂紋，有利于坯料在模具中的填充，減少變形死區(qū)，提高鍛件的表面粗糙度，并可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜外形鍛件的成型；

(4) 熱模模鍛工藝可以控制在最佳的熱力規(guī)范下進(jìn)行，加工參數(shù)可以得到精確控制，提高了鍛件組織和力學(xué)性能的均勻一致性；

(5) 熱模模鍛工藝可以實(shí)現(xiàn)精密鍛造，鍛件的精化可以提高材料利用率，減少加工余量，使得熱模模鍛工藝在經(jīng)濟(jì)上更具有競(jìng)爭(zhēng)力；

(6) K403合金模具的最高加熱溫度可達(dá)1000℃，而本試驗(yàn)采用的K403合金模具的加熱溫度設(shè)定為950℃，在此溫度下，K403合金保持了高的屈服強(qiáng)度，同時(shí)具有完全的抗氧化能力，不僅可以滿足TG6鈦合金的熱模模鍛工藝的要求，而且還可以提高K403合金模具的使用壽命。

(7) 從TG6鈦合金盤鍛件的成形過(guò)程和表面狀態(tài)可知，F(xiàn)R5玻璃防護(hù)潤(rùn)滑劑起到了良好的潤(rùn)滑作用，另外，也減少了合金在高溫加熱過(guò)程中的氧化和轉(zhuǎn)料過(guò)程中的溫降，很好地滿足了TG6鈦合金盤鍛件熱模模鍛工藝的要求。

 

（1）采用a+b兩相區(qū)熱模模鍛工藝生產(chǎn)的TG6鈦合金盤鍛件，組織均勻，性能穩(wěn)定，且均達(dá)到了技術(shù)條件的要求；

（2）K403鑄造高溫合金模具可以作為TG6鈦合金熱模模鍛用的模具材料；

（3）FR5玻璃防護(hù)潤(rùn)滑劑起到了良好的潤(rùn)滑、防護(hù)和隔熱的作用，可滿足TG6鈦合金熱模模鍛工藝的要求。

 

[1] G. Lűtjering, J. C. Williams. Titanium[M], Springer, 2003

[2] D. J. Smith. Isothermal forging of titanium alloys[J], Light alloy, February 1988, pp.79-81

[3] 李青, 韓雅芳, 肖程波, 宋盡霞. 等溫鍛造用模具材料的國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展?fàn)顩r[J], 材料導(dǎo)報(bào), 2004年,第18卷, 第4期, 9-11

[4] David Furrer. Forging aerospace components, Advanced Materials & Processes, 1999, 3, pp.33-36

[5] 李成功，劉建宇. 高技術(shù)新材料要覽[M]，北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，1993年，pp.203-205

[6] 中國(guó)航空材料手冊(cè)(第二版)[M]，第2卷 變形高溫合金 鑄造高溫合金，北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2002, pp.555

[7] 王樂(lè)安. 難變形合金鍛件生產(chǎn)技術(shù)[M], 北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 2005年, pp.46-50

[8] S. R. Seagle, K. O. Yu, S. Giangiordano. Considerations in processing titanium[J], Materials Science and Engineering, A263, 1999, pp.237-242