TC18是一種近β型鈦合金，該合金具有高強度、高韌性、高塑性、淬透性好、可焊性好等優點，因而廣泛地應用於飛機的機身和起落架上的大型承力結構件。該材料對鍛造溫度敏感，尤其對加熱過程及鍛造過程的控制是該材料鍛造的難點，要得到合格的鍛件，必須在加熱及鍛造過程方面嚴格控制。在實際鍛造生產中，需要在準β鍛下成形，使其滿足使用要求，TC18的鍛造需對來料的情況進行復驗，不同的原材料結果所採用的鍛造方法不同。本文針對鍛件的要求對原材料按標準複驗後，判定合格和不合格的兩種情況；進行分析，確定不同的鍛造方案，採用不同的加熱和生產過程控制，最終得到所要求的組織，使其滿足使用要求。
本文以某廠所需鍛件，用不同的生產方案以實際生產情況為依據，研究TC18鈦合金準β鍛的加熱及鍛造過程控制對其內部組織的影響情況。
問題提出
TC18是一種高合金化的鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-5Mo-5V-1Fe，Tβ轉變溫度為870℃～880℃。TC18可以在淬火和退火狀態下使用，但通常在退火狀態下使用。加熱和鍛造過程的控制是該材料生產的難點，對內部組織和性能具有重要的作用。一些資料討論了常規鍛造溫度對TC18鈦合金組織和性能的影響，但對TC18準β鍛研究較少。
TC18鈦合金在3t自由鍛錘生產時，在準β鍛溫度下成形對合金組織性能產生一定的影響。其結果表明；顯微組織對溫度的影響敏感，在兩相區鍛造時，顯微組織由初生α相和β相轉變組織組成，隨鍛造溫度的升高，初生α相含量變少，尺寸增大，等軸程度增加。在相變點以上鍛造時若鍛造時間過長得到魏氏組織。該組織相對於等軸組織，室溫和高溫強度增加，拉伸塑性降低，室溫衝擊降低，在相變點以上鍛造時若鍛造時間控制得當可獲得均勻的網籃組織，該組織雖然室溫塑性不如等軸組織，但其強度高，高溫性能、斷裂韌性及疲勞性能都優於等軸組織。
TC18鍛造對原材料的原始狀態（力學性能、低倍、高倍、探傷結果及KIC指標）按標準的各項複驗指標提出較高的要求；本文針對按原材料標準複驗後，判定合格和不合格的兩種情況；就內部組織進行分析；確定不同的鍛造方案；情況如下。
⑴合格的原材料是指對相關指標複驗後基本滿足標準要求；（低倍、高倍、探傷）採用中間製坯＋β相變點上鍛造，因為已複驗合格原材料低倍顯微組織比較均勻，同時為了減少相變點上鍛造時間過長而得到魏氏組織，通過相變點下製坯後，在相變點上鍛造使其內部組織轉變為所需的網籃組織。
⑵不合格的原材料是指對相關指標複驗後不滿足標準要求（低倍顯微組織有初生α相和β相轉變組織組成；探傷超標）；需在相變點下改鍛＋機加後檢驗低倍、探傷＋中間製坯＋在相變點上鍛造；使其內部組織轉變為所需的網籃組織即可。在相變點下改鍛，使等軸組織均勻，檢查製坯，確定是否進行相上鍛造，併為相變點上鍛造提前預製進行一定程度的變形，減少相上鍛造工步，避免出現魏氏組織。
如何控制加熱參數及鍛造過程使其獲得預期的組織和性能，是TC18鈦合金準β鍛造的難點問題。
加熱過程控制要點
TC18鈦合金在相變點上鍛造是指在加熱爐中的實際料溫應符合準β鍛造要求的溫度。
一般鈦合金鍛造採用高溫電爐加熱，爐子均勻性應符合Ⅲ爐要求；爐溫溫差範圍在±14℃之間。對於對溫度敏感的TC18鈦合金在β鍛造的溫度偏差應控制在±3℃；如何使其滿足上述要求，應採用熱電偶帶料測溫與儀表對比辦法來解決上述。具體細則如下。
⑴加熱時鍛件必須用墊塊懸空加熱。墊塊高度選在50mm～80mm，並保證加熱設備處於良好生產狀態時方可加熱坯料；一般墊塊採用耐火磚，目的是保證坯料上下加熱均勻。
⑵坯料入爐時，儀表人員必須綁熱電偶帶料測溫，加熱時，儀表顯示溫度為工藝規定溫度，巡檢儀顯示溫度為實際爐膛料溫溫度，兩者溫度對比，允許溫度偏差範圍在±1.5℃；若溫度偏差範圍超出±1.5℃時，應採用調整儀表溫度來保證工藝設定的要求；可調整儀表顯示溫度，直至與巡檢儀顯示為規定溫度（允許超差±3℃）；設定溫度為：相變點上-3℃≤T設定≤相變點上3℃的範圍內。
⑶在升高溫前應確認鍛造設備處於完好狀態，確保相變點上保溫時間到時應立即生產，在3t自由鍛錘生產時允許延長保溫時間為T延≤10min。
⑷出爐時可採用光電測溫計隨時監測料溫；保證終鍛溫度T終鍛≥750℃。
鍛造過程的控制要點
鍛造是對鍛件的內部組織和性能具有重要作用的關鍵工序。如何控制在β溫度下鍛造使其獲得預期組織是TC18鈦合金準β鍛的關鍵問題。
⑴一般的鈦合金生產方案確定：採用改鍛→中間坯檢測→相變點下鍛造成形的方法，進行材質改鍛；改鍛後中間坯進行100%低倍檢查、探傷和抽樣高倍檢查，合格後進行鍛造成形。而對於不合格的原材料來說，TC18鈦合金準β鍛採用β相變點下＋β相變點上成形方法；即相變點下改鍛後中間坯檢查探傷；合格後成形。
⑵改鍛的主要目的：在相變點β下改鍛，採用鐓粗→拔長，目的是使材料內部組織均勻，細晶粒，同時通過改鍛使其尺寸接近鍛件尺寸，從而減少相變點上成形時間，避免得到魏氏組織。
⑶改鍛方法：鐓粗→拔長。
⑷工藝流程：改鍛→中間坯機加→探傷→鍛造成形→熱處理→理化檢測。
⑸鍛造溫度的確定：Tβ-30℃改鍛；Tβ-30℃中間坯；Tβ＋15℃成形。
⑹鐓粗拔長改鍛工步設計。
1)變形量的確定：20%～30%。
2)火次確定：根據原材料的狀態、鍛件重量和生產設備的能力確定；一般在3t自由鍛錘的生產重量為20kg～60kg；火次一般為2～4火完成。
3)每工步鐓拔次數變形量：採用鐓粗比1∶2，拔長比1∶2。
4)中間坯鍛件尺寸確定：一般採用接近鍛件要求的尺寸，並考慮到中間檢測後不合格可以返修的形狀最好；儘可能在相變點上鍛造時能夠1火完成，儘可能保證較高的鍛造溫度，鍛造後的尺寸儘可能的符合最終鍛件尺寸，以減少後續的火次，中間坯尺寸需考慮最終鍛件的成形，保證在準β鍛時各部位的變形量在20%～30%；一般自由鍛件中間坯寬度尺寸為鍛件寬度的85%～90%為最佳。
5)改鍛時嚴格按流線方向鍛造，最後1火變形後截面必須均勻，長度尺寸必須嚴格控制。
6)生產前對設備進行檢查，保證生產設備處於完好狀態。
7)送進量：每錘壓下量為中間製坯高度的1/3～1/2。
8)坯料轉移時間≤30s，終鍛溫度≥790℃；冷卻方式為鍛後空冷。
生產實例
生產鍛件的主要參數
鍛件的主要參數如表1所示。
表1 生產鍛件主要參數
表2 原材料化學成分理化複驗
表3 原材料力學性能理化複驗
⑴原材料複檢合格。
1)對原材料化學成分WT%按標準進行復檢，結果為合格。如表2所示。
2)對原材料力學性能按標準進行復檢，結果為合格，如表3所示。
3)低倍組織。無清晰晶，未見冶金缺陷，如圖1所示。低倍按圖1中1～5級直徑為φ210mm的棒料，2019年5月生產批次，合格。
4)高倍組織。如圖2所示，為均勻的等軸α組織。直徑為φ210mm的棒料；高倍按圖中1～3類。
圖1 低倍組織無結晶
圖2 高倍組織為均勻的等軸α組織
5)探傷。標準：A級；標準：按φ2.0mm平底孔，結果合格。
6)KIC標準。標準數據：≥55；實測：59.5～58.6，結果合格。
⑵原材料複檢不合格。
1)對原材料化學成分和力學性能進行理化複檢，其結果均合格。
2)低倍組織。有清晰晶，且不均勻，標準，如圖3所示。直徑為φ210mm的棒料；低倍按圖3中1～5級。
圖3 低倍組織有結晶
3)高倍組織。如圖4所示，等軸α大小相差很大，甚至晶界處出現粗大條狀α相。直徑為φ210mm的棒料；高倍按圖4中1～3類，不合格。
圖4 高倍組織等軸α組織大小相差大
4)探傷。標準：A級；標準：按φ2.0mm平底孔。實測：平均雜波-6dB～-4dB，局部為-2dB，不合格。
5)KIC。標準數據：≥55；實測：42.7～49.3，不合格。
鍛造、熱處理、機加及檢查
⑴對於原材料不合格情況採取的鍛造方法。
1)為了使不均勻的等軸組織變均勻，同時細化組織，選取在相變點下30℃時改鍛，按照鐓粗比1∶2，拔長比1∶2；每工步變形量為20%～30%，來確定改鍛尺寸；六鐓六拔六火完成後鍛至中間坯尺寸（中間坯尺寸確定：一般採用接近成形尺寸要求的尺寸，並考慮到中間檢測後不合格可以返修的形狀最好；保證1火完成，儘可能保證較高的鍛造溫度，以減少後續的火次，中間坯尺寸需考慮最終鍛件的成形，保證在準β鍛時各部位的變形量在20%～30%）。該鍛件的中間坯尺寸確定為160mm×170mm×180mm；在保證合適變形量的情況下，反覆鐓拔一方面使沿晶界分佈的粗大的條狀α相可以被擊碎，同時使等軸α變得均勻且細小。
2)機加探傷，按A級進行，合格後進行相變點上鍛造（β鍛造）。
3)準β鍛造按溫度按Tβ-30℃+Tβ＋15℃鍛造；工步為160×160×180鍛造至(130±3)mm×(190±3)mm×(180±3)mm，180mm方向為原流線方向；保證合適的變形量，變形量太大，則α相會球化，甚至導致α相超標，變形量太小，晶界α破碎效果不佳，晶界α連續，影響塑性，所以尺寸需嚴格控制，同時相變點上的鍛造時間不易過長防止出現魏氏組織。
4)熱處理按一次退火820℃，保溫180min後空冷＋二次退火620℃保溫360min後空冷。
5)機加探傷面探傷，按A級鍛件100%進行探傷，結論為8件探傷合格；1件局部有單顯為-6dB，該件做理化解剖。
6)力學性能見表4、KIC見表5、氫分析見表6，低倍：符合圖1的5級；未見冶金缺陷，見圖5。高倍：符合圖2的8級，見圖6；放大倍數200×。
⑵對於原材料合格情況。
1)採取鍛造方法：因顯微組織比較均勻，同時為了減少相變點上鍛造時間過長而得到魏氏組織，在相變點下製坯。在相變點上鍛造，目的使其內部組織轉變為所需的網籃組織即可。用相變點下30℃中間製坯＋相變點上15℃成形，中間坯尺寸確定與合格的原材料鍛造方法相同。
表4 室溫力學性能
表5 KIC
表6 氫分析
圖5 低倍組織未見冶金缺陷
圖6 高倍組織放大200倍
2)準β鍛造溫度按Tβ-30℃＋Tβ＋15℃鍛造；工步為160×160×180鍛造至(130±3)mm×(190±3)mm×(180±3)mm，180mm方向為原流線方向；二火完成；保證合適的變形量，變形量太大，則α相會球化，甚至導致α相超標，變形量太小，晶界α破碎效果不佳，晶界α連續，影響塑性，尺寸需嚴格控制，同時由於在β單相區鍛造，塑性較好，要嚴格控制鍛錘敲擊頻率。
3)熱處理後空冷機加探傷，按A級鍛件100%進行探傷，結論為合格，理化解剖。檢查低倍和高倍；低倍組織見圖7；高倍組織見圖8；力學性能見表7；KIC見表8；氫分析見表9，均符合鍛件要求。
4)力學性能見表4、KIC見表5、氫分析見表6、低倍見圖3、顯微組織均合格。低倍：符合圖1的5級；未見冶金缺陷，見圖3。高倍：符合圖2的4級，見圖4；放大倍數200×。
結論
⑴按鍛件要求對於原材料複檢不合格的鍛造工藝為：採用改鍛＋中間坯檢查＋相上鍛造，改鍛使其組織均勻，中間坯檢查確定是否達到準β鍛組織要求，相上鍛造目的是得到均勻的網籃組織，鍛造過程變形量要嚴格控制。
表7 室溫力學性能
表8 KIC
表9 氫分析
圖7 低倍組織未見冶金缺陷
圖8 高倍組織放大200倍
⑵按鍛件要求對於原材料複檢合格的鍛造工藝為：中間坯鍛造+相上鍛造，中間坯鍛造使其尺寸接近成形尺寸，從而減少相變點上成形時間，避免得到魏氏組織。
⑶中間坯尺寸的確定：一般採用接近鍛件成形的尺寸，並考慮到中間檢測不合格後可以返修的形狀為最佳；並且儘可能在準β鍛時能夠1火完成，並保證較高的鍛造溫度，鍛造後的尺寸儘可能的符合最終尺寸要求，以減少後續的火次，中間坯尺寸需考慮最終鍛件的成形，保證在準β鍛時各部位的變形量在20%～30%；一般自由鍛件中間坯生產時寬度尺寸為鍛件最終要求寬度的85%～90%之間。
⑷對於準β鍛要嚴格控制相變點上鍛造時間防止出現魏氏組織，同時對於變形量要嚴格控制到20%～30%，變形量太大，則α相會球化，甚至導致α相超標，變形量太小，晶界α相破碎效果不佳，晶界α相連續，影響塑性。合理確定中間坯尺寸，爭取相上鍛造1火完成；從而可得到性能要求和組織均符合標準的鍛件。
李幸福，質量管理部副部長，工程師，主要從事軍工企業現場質量控制工作，具有20年的管理經驗，多次在產品的研製過程中為公司做出突出貢獻。
—— 來源：《鍛造與衝壓》2020年第3期
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