TC4钛合金锻造坯料几个火次才能符合GJB-2218A军标级别要求？

TC4钛合金名义成分为Ti-6Al-4V，1954年由美国研制并与当年开始了工程化应用，是目前所有钛合金材料中应用范围最广、使用量最大、研究最为深入、技术成熟度最好的钛合金牌号之一。在各型军用战斗机、军用运输机、民航客机、航空发动机、卫星、导弹等航空航天飞行器及化工、医疗等领域获得了广泛应用。

我国军标GJB2218A-2008《航空用钛及钛合金棒材和锻坯规范》规定了航空结构件用钛合金棒材和锻坯的要求、质量保证规定和交货准备，对材料的熔炼方法、规格、状态、化学成分、力学性能、低倍组织、高倍组织等做出了明确要求。对于钛合金棒材或锻坯生产，实践证明，最需要严格刻意控制的是低倍组织、高倍组织及力学性能。一般要求其棒材的低倍组织检查中不允许存在肉眼可见的清晰晶粒，同时要求高倍检查时的显微组织为α＋β两相区加工产生的组织，无完整的β晶界（在β基体上的等轴α组织，或等轴和拉长的α组织），室温拉伸性能要求：σb≥895MPa、 σ0.2≥ 825MPa 、δ≥9％ 、 ψ≥20％。

要生产出满足军标GJB2218A—2008要求的各类TC4钛合金棒材或锻坯，最关键的是其从铸锭到棒材的锻造过程及工艺控制。

锻造有两方面的目的：

一是改变产品的外形尺寸，以获得最终需要的坯料规格；

二是改善合金的组织及性能，通过变形和再结晶使合金的晶粒细化、组织均匀，同时压合一些内部缺陷使合金组织变得致密、性能提高。

为了生产出满足军标技术要求的TC4钛合金锻坯，同时尽可能减少锻造火次降低生产成本，我们探索研究了锻造火次与TC4钛合金锻坯低倍组织、显微组织、室温力学性能的关系。

1. 试验材料及方法

（1）试验材料

选用一级海绵钛、Al-V中间合金、精铝豆等，按TC4钛合金的名义成分进行配料、压制电极块、组焊自耗电极，然后采用三次真空自耗电弧炉熔炼成φ450mm的TC4钛合金铸锭。经检测，铸锭的化学成分均满足GB/T3620.1—2007 标准要求：w Al=5.50％～6.75％； wV= 3.5％～4.5％。在TC4钛合金铸锭冒口端取样测试（α＋β）/ β相变温度，按照HB6623要求采用金相法测试的（α＋β）/ β相变温度为998℃。

（2）试验方法

几乎所有军用标准或航空标准中都要求TC4钛合金棒材或锻坯、锻件的显微组织为等轴组织或混合组织。要生产出满足军标或航标规范要求的TC4钛合金棒材或锻坯、锻件，关键需要控制其生产过程中的火次、锻造温度与每火次变形量。

钛合金开坯锻造时，为改善其粗大组织的塑性及降低整体铸锭的变形抗力，首次加热选择在（α＋β）/β温度以上100～200℃，随后锻造加热温度逐渐降低，最后火次选择在（α＋β）/β温度以下加热锻造。

此次试验制定锻造工艺方案如下：

第一火次：加热（β /（α＋β）转变点以上160 ℃，两镦两拔，锻后空冷。

第二火次：加热（β /（α＋β）转变点以上20℃，两镦两拔，锻后空冷。

第三火次：加热（β /（α＋β）转变点以下20℃，两镦两拔，锻后空冷。

第四火次：加热（β /（α＋β）转变点以下50℃，两镦两拔，锻后空冷。

第五火次：加热（β /（α＋β）转变点以下60℃，两镦两拔，锻后空冷。

每火次锻造后在其端面锯切厚 25mm 试片，按800℃×60min、AC工艺退火处理后，切取试样进行低倍组织、高倍显微组织检查及室温拉伸测试。低倍及高倍试验腐蚀采用V（ HF)∶V（ HNO3)∶V （ H2O) = 1∶3∶10 的腐蚀剂，在Olympus/PMG3型光学显微镜上进行，室温拉伸性能测试在Instron型电子万能试验机上进行。

2. 试验结果

（1）不同锻造火次后TC4钛合金锻坯低倍组织

第一、第二火次锻造后：TC4钛合金锻坯低倍组织为粗大清晰晶粒，

第三火次锻造后：TC4钛合金锻坯低倍组织为细小的清晰晶粒，

第四火次锻造后：TC4钛合金锻坯低倍组织为半清晰晶，

第五火次锻造后：TC4钛合金锻坯低倍组织为模糊晶。

第五火次锻造后TC4钛合金锻坯的低倍组织达到了GJB2218A—2008的要求。

（2）不同锻造火次后TC4钛合金锻坯显微组织

第一火次锻造后TC4钛合金锻坯的显微组织为粗大的魏氏组织。

第二火次锻造后TC4钛合金锻坯的显微组织为相对细小的魏氏组织。魏氏组织的特征是存在明显的晶界，即显微组织为粗大的原始β晶粒，β晶粒的晶界上分布着明显的晶界α，原始β晶粒内部为片状或条状的α相。

第三火次锻造后TC4钛合金锻坯的显微组织为粗大的网篮组织。

第四火次锻造后TC4钛合金锻坯的显微组织为细小的网篮组织。网篮组织的特征是显微组织中已经观察不到明显的晶界α长条相，其原始的晶界α长条相经过大的变形已经得到破碎，原始晶内的α片或条已经破碎并变得较为短小，但是总体上呈现出条状α相相互交织像编制的网篮一样。

第五火次锻造后TC4钛合金锻坯的显微组织为等轴组织，由约80％以上的初生等轴α相和残留β相组成。显微组织中的等轴α相的相貌呈球形、椭圆形或小长条形，β转基体由细小的条状α及细条之间黑色的为残余β相组成。

第五火次锻造后TC4钛合金锻坯的显微组织达到了GJB2218A—2008的要求。

（3）不同锻造火次后TC4钛合金锻坯室温力学性能

不同锻造火次对TC4钛合金锻坯热处理后的室温力学性能测试结果如表1所示。

从表1中试验数据可看出：

第一火次锻造后 

TC4钛合金锻坯室温抗拉强度高于GJB2218A-2008标准的指标要求，但是塑性较差（断后伸长率压线、断面收缩率一直不合格），不能满足技术指标要求；

第二火次锻造后

TC4钛合金锻坯的抗拉强度、屈服强度及断后伸长率达不到GJB2218A—2008标准要求；

第三火次锻造后

TC4钛合金锻坯的抗拉强度达不到GJB2218A-2008标准要求；

第四火次、第五火次锻造后

TC4钛合金锻坯抗拉强度、屈服强度、断后伸长率及断面收缩率均满足GJB2218A-2008标准要求，而且第五火次锻造后TC4钛合金锻坯一组试验数据相近，其屈服强度要明显高于其余火次，说明合金不同区域显微组织较为均匀。

通过以上可看出，第四火次锻造后TC4钛合金锻坯的力学性能达到了GJB2218A—2008标准的要求，但是其低倍组织、显微组织不能满足GJB2218A-2008标准的要求，第五火次锻造后TC4钛合金锻坯的低倍组织、显微组织及力学性能均能达到GJB2218A-2008标准的要求，所以按照设计的锻造工艺经过五火次锻造就能够生产出满足GJB2218A—2008标准要求的TC4钛合金锻坯。