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TC4钛合金锻造中的缺陷
资讯来源:www.chinatini.com     所属栏目:【常见问题】    时间:2019-10-24

      TC4钛合金由于其低密度、高强度、耐腐蚀,可在高温下稳定工作、无磁性等特点,已成为航天、航海、深海探测等领域常用金属。为获得更好的钛合金组织与性能,钛合金的锻造技术逐渐凸显,成为决定其机械性能的关键。但错误的钛合金锻造技术手法会导致材料出现不良组织,使材料晶体组织不合格,材料力学性能下降,甚至导致批量报废。分析钛合金锻造的缺形成,提前预防,可提高企业良品率,保证钛合金的品质稳定。

1.热效应对钛合金的影响

      某牌号钛合金合金相变点在995℃,如果选择在此时锻造,由于锻造热效应,进一步提升了锻造温度。易使材料获得网篮组织或魏氏组织,会导致合金塑性、疲劳性能差,影响材料性能。

      钛合金在锻造过程中,由于瞬时变形速率大,钛合金内部流动应力过大,大量的机械能转化为热能,材料内部比周围散热条件差,使材料内部温度升高、材料中心区域温度可能会接近,有时超过合金相变点,导致初生α等轴含量减少,过热严重则会魏氏组织,直接使得钛合金塑性、耐疲劳性变差。经过工厂大量研究及加工实验证明,钛合金的锻造必须选择在其合金相变点下3060℃加热锻造。必要时刻采用压力机或快锻机,打击速度低,锻造过程中坯料瞬时应变速率较低,产生的变形热不明显,同时有足够时间进行变形热扩散,不会导致瞬时心部温度明显增高。

2.材料内部晶粒不均匀

      钛合金经锻造后网篮组织中存在一定的大块状α相(俗称粗大α块)。这种粗大α块又称大白块,与网篮组织中细小的正常α条相比,在形态上表现为粗大、不均匀,由晶界向晶内生长,很少出现交错现象,其晶界面比较粗糙,凹凸不平,而正常α条的晶界面比较平滑。

      研究证明,这种粗大α块的显微硬度要比正常α条低约10%,致使合金塑性与热稳定性能下降,影响了锻件质量,所以必须防止在钛合金中出现这种不均匀组织。

      钛合金在熔炼凝固过程中,由于各类合金元素的平衡分配系数≠1,致使后凝固的晶界处有α稳定元素富集与偏析,所以在其富集处α相首先析出,并沿晶界向晶内生长,从而形成了粗大α块,微区成分偏析是产生这种不均匀组织的根本原因。         

      微区成分结晶偏析是由于平衡分配系数k0>1k0<1造成的,合金先后结晶区域溶质浓度不同形成的偏析很难完全避免,但可用适当措施加以控制。一方面通过改进优化铸锭熔炼工艺参数加以控制,另一方面通过适当的锻造工艺加以改善消除。锻造工艺方面,首先在其铸锭开坯锻造时,采用适当的高温均匀化处理,对于铸锭柱状组织区域的微观晶内枝晶偏析通过均匀化退火或变形再结晶改善和消除;其次在合金坯料及成品模锻过程中采用适当的锻后冷却方式加以控制,抑制其显微组织中出现粗大α块。

     亚β 锻后采用快冷(水冷或油冷)可明显减轻或抑制粗大α块出现,加快冷却速度、增加过冷度,可提高α相形核率,尽管局部区域存在合金元素偏聚,具备生长粗大α块的条件,但α相还没来得及长大与兼并,整个组织的相变过程已经结束了,控制冷速可以显著改变析出α相形态与分布规律。锻后水冷或油冷将锻造产生的晶体缺陷(位错、亚晶)和位错密度增加的变形组织全部或部分固定到室温,为随后热处理过程中再结晶增加了大量的结晶核心,在随后热处理时,β相的析出机制由空冷条件下的感生形核机制变为独立形核方式,得到细小、混乱、交织的条状初生α和次生α,这种组织可以显著提高合金的综合性能。        

3. 内部空洞

      钛合金等金属材料在进行大应变(如超塑成形)时易诱发疏松,出现空洞甚至发生断裂。在高应变率下,钛合金的流变应力较静态下显著增加,但塑性显著降低;随着应变率增加,流变应力应变增加,但存在一个临界应变率,超过临界值,材料将发生断裂;当应变率达到临界值时,材料中产生绝热剪切带,并在带中形成微空洞,在外加应力作用下,空洞逐步聚集长大甚至形成微裂纹。微空洞总是沿最大剪切变带形成,这是因为在局域化变形中, 最大剪切带内变形剧烈从而温度较高,使带内材料软化,成为裂纹、空洞等缺陷产生的理想场所。             

      研究表明,金属材料塑性变形过程中伴随着组织形态的变化,主要有晶粒长大、等轴晶拉长、晶粒转动和滑动、位错增殖、动态回复和再结晶及空洞形核和长大等。晶界滑移是塑性变形的主要机制,晶界滑移会引起局部应力集中,阻碍晶界滑移的进一步发生,当应力集中无法借助位错运动消除时,空洞就会形核,继而发生长大。空洞优先在三角晶界处形核,随着变形量增加,空洞开始长大,且空洞并非以等轴状态长大,而是以椭圆形的方式长大。空洞易向平行拉应力分享的晶界扩散,从而在拉应力方向形成定向的空位流,不断向空洞中心聚集,使空洞得以沿平行于拉伸方向长大。

4. 总结     

      目前钛合金中常见的锻造缺陷主要有组织过热及不均、空洞、裂纹等,这些缺陷一般在钛合金产品显微组织检查或超声波检测中很易发现,主要是在钛合金产品锻造过程中工艺参数控制不当形成的,所以在锻造过程中需依据不同特性的钛合金材料选择合适的变形速率(锻造设备)、加热锻造温度、道次变形量及锻后冷却速度。
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TC4钛合金锻造中的缺陷(图1)

TC4钛合金锻造中的缺陷(图2)

TC4钛合金锻造中的缺陷(图3)

TC4钛合金锻造中的缺陷(图4)

TC4钛合金锻造中的缺陷(图5)

TC4钛合金锻造中的缺陷(图6)

TC4钛合金锻造中的缺陷(图7)

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