TC4鈦合金具有高比強度、較寬的工作溫度范圍和優(yōu)異的耐腐蝕性能，是制造航空發(fā)動機壓氣機盤、葉片等
的理想材料之一[1]。航空發(fā)動機葉片的工作條件極為復(fù)雜和苛刻，需承受巨大的氣動應(yīng)力、離心應(yīng)力和溫
度負荷作用[2]，因而對葉片用鈦合金棒材的顯微組織和力學(xué)性能提出了很高的要求，如GJB494Ａ-2008《航空發(fā)動機壓氣機葉片用鈦合金棒材規(guī)范》要求葉片用TC4鈦合金棒材的初生α相含量不低于25％。
超聲波探傷
檢驗是航空航天領(lǐng)域鈦合金原材料驗收的基本要求，部分原材料訂貨標準中對探傷的要求也十分苛刻，如
GJB494Ａ-2008要求轉(zhuǎn)子葉片用棒材探傷雜波水平不大于0.8mm-12ｄB。國內(nèi)學(xué)者對鈦合金顯微組織與超聲探
傷雜波的對應(yīng)關(guān)系進行了研究[3-7]，發(fā)現(xiàn)探傷雜波的高低不僅與組織中α相和β相的含量及尺寸大小有關(guān)
，還與組織的均勻性、織構(gòu)等密切相關(guān)。因此，在鈦合金研制和生產(chǎn)過程中，除組織和常規(guī)性能外，對超聲
探傷雜波水平也應(yīng)重點關(guān)注。
目前，國內(nèi)制造葉片用TC4鈦合金棒材的熱加工工藝主要有精鍛和軋制，但對2種加工方式下TC4鈦合金棒材
組織和性能(包括超聲探傷雜波)的綜合對比研究較少。為此，對比分析了精鍛和軋制2種加工方式下葉片用
TC4鈦合金棒材的組織與性能，并研究了精鍛溫度和變形量對棒材組織與性能的影響，以期為優(yōu)化熱加工工
藝，制備滿足GJB494Ａ-2008要求的葉片用TC4鈦合金棒材提供參考。
1、實驗
1.1實驗材料
實驗材料為經(jīng)3次真空自耗電弧熔煉(VAR)＋多火次墩拔鍛造制備的φ95mmTC4鈦合金棒坯。棒坯β相轉(zhuǎn)變溫
度為995℃，化學(xué)成分如表1所示。棒坯橫向組織由初生等軸α相和β轉(zhuǎn)變組織組成，為典型的雙態(tài)組織，初
生等軸α相含量超過65％，如圖1所示。
1.2方法與設(shè)備
將φ95mmTC4鈦合金棒坯切割成等長度的棒料，按照表2方案進行鍛造試驗:①在940℃分別進行兩火精鍛、一
火精鍛＋一火軋制和兩火軋制，得到規(guī)格為φ30mm的成品TC4鈦合金棒材(中間道次規(guī)格均為φ55mm)；②分
別在920、960℃進行兩火精鍛試驗，得到規(guī)格為φ30mm的成品TC4鈦合金棒材；③分別在920、940、960℃進
行一火精鍛試驗，得到規(guī)格分別為φ50、φ65ｍｍ的成品TC4鈦合金棒材。
沿成品TC4鈦合金棒材橫向Ｒ/2處
切取金相試樣和力學(xué)性能試樣。金相試樣經(jīng)磨拋后用腐蝕劑(HF、HNO3、ＨH2O體積比為1∶3∶6)浸蝕，采用
蔡司AxioVert Al倒立式顯微鏡觀察顯微組織，利用Image-proplus5.0圖像軟件分析初生α相含量，每個試
樣至少觀察5個視場，取平均值。力學(xué)性能試樣經(jīng)800℃/1.5h/AC退火后，采用ZwickZ 330試驗機進行室溫拉
伸性能測試，采用ZwickZ 100試驗機進行高溫拉伸性能測試，采用ZｗｉｃｋＲＭＴ-Ｄ10(100ｋＮ)試驗機
進行高溫持久性能和蠕變性能測試。采用ＵSＰＣ7100型探傷儀進行水浸超聲探傷檢驗，探頭為ＩSS/G/Ｃ10
ＭＨZ，φ0.8mm平底孔。
2、結(jié)果與分析
2.1精鍛和軋制棒材的組織與性能對比
圖2是在940℃分別進行兩火精鍛、一火精鍛＋一火軋制和兩火軋制后得到的φ30mmTC4鈦合金棒材的橫、縱
向顯微組織。從圖2可以看出，棒材均為典型的雙態(tài)組織，但不同加工方式獲得的棒材α相含量、形態(tài)、尺
寸及分布存在一定差異。兩火精鍛棒材的初生α相含量約為65％，縱向α相拉長明顯，精鍛＋軋制和兩火軋
制棒材的初生α相含量較低，分別約為55％和45％，但縱向等軸性更好。這是因為在相同的加熱溫度下，精
鍛棒材較軋制棒材變形時間長，鍛造過程中發(fā)生了明顯的溫降，而軋制棒材變形時間短、溫升明顯，實際變
形溫度高于精鍛棒材，導(dǎo)致軋制棒材縱向初生α相的等軸化程度更高。此外，精鍛棒材的次生α相多呈碎點
狀或扭曲的條狀分布，而軋制棒材的次生α相多呈平直的長條狀分布，這是由2種加工方式的特點決定的。
精鍛變形道次間的持續(xù)時間長，兩道次變形間隙會析出少量的次生α相，次生α相在下一道次的鍛造過程中
會發(fā)生破碎，進而多呈碎點狀或扭曲的條狀分布，如圖2ａ、2ｄ所示。而軋制變形速度快，組織中的次生α
相主要是在軋制變形結(jié)束后，在冷卻過程中從β晶界、α/β相界或β晶粒內(nèi)高能缺陷處形成的，且多呈平
直的集束狀分布，如圖2B、2ｅ所示。與精鍛＋軋制工藝相比，兩火軋制工藝的溫升更為明顯，導(dǎo)致成品組
織中初生等軸α相的含量較精鍛＋軋制工藝更少，但次生α相的厚度更大，如圖2ｃ、2ｆ所示。
兩火精鍛、
一火精鍛＋一火軋制和兩火軋制的φ30mmTC4鈦合金棒材經(jīng)800℃/1.5h/AC退火后的室溫拉伸、高溫拉伸、高
溫持久和蠕變性能見表3。從表3可以看出，在相同熱處理條件下，精鍛和軋制棒材的室溫拉伸塑性、高溫持
久和蠕變性能差異較小，但精鍛棒材的室溫強度和高溫強度明顯高于軋制棒材。這是因為精鍛棒材的初生α
相含量略高于軋制棒材，且次生α相多呈碎點狀或扭曲的條狀分布，晶粒細小，阻礙了位錯運動，起到了細
晶強化的作用。
表4是在940℃分別進行兩火精鍛、一火精鍛＋一火軋制、兩火軋制后得到的φ30mmTC4鈦合
金棒材的超聲探傷雜波水平。
從表4可以看出，兩火精鍛棒材的探傷雜波水平為φ0.8mm-(9~12)ｄB，精鍛＋軋制、兩火軋制棒材的探傷雜
波水平均為φ0.8mm-(12~16)ｄB，小于兩火精鍛棒材。這是因為軋制棒材初生α相含量低，次生α相的集束
尺寸增加，相界面取向差減小，組織更加均勻，故探傷雜波水平低。從圖2也可以看出，精鍛棒材的等軸α
相分布不均勻，存在α相聚集現(xiàn)象，導(dǎo)致超聲波信號散射加劇，探傷雜波水平高于軋制棒材。
從以上組織、
性能和超聲探傷雜波水平的分析可知，精鍛和軋制方式制備的棒材各有特點，除超聲探傷雜波水平稍高外，
精鍛棒材的室溫強度和高溫強度優(yōu)勢明顯。因此，為進一步提高TC4鈦合金精鍛棒材的組織與性能匹配，開
展了精鍛溫度和變形量對TC4鈦合金棒材組織與性能的影響研究。
2.2精鍛溫度和變形量對組織與性能的影響
圖3是按照表2精鍛方案，在不同溫度下精鍛得到的φ30、φ50、φ65mmTC4鈦合金棒材的顯微組織。從圖3可
以看出，隨著精鍛溫度的升高，棒材初生α相含量從920℃精鍛時的約80％降低到940℃精鍛時的約65％，當(dāng)
精鍛溫度繼續(xù)提高到960℃時初生α相含量不足50％，但碎點狀或扭曲的條狀α相含量逐漸增多。這是因為
精鍛溫度的升高加劇了初生α相轉(zhuǎn)變[8]，使鍛造過程中形成的碎點狀或扭曲的次生α相更多。從圖3還可以
看出，對于相同規(guī)格的TC4鈦合金棒材，精鍛溫度越高，初生α相的分布越均勻。相同變形溫度下，精鍛變
形量越大，棒材組織越細小，α相發(fā)生扭曲和聚集的不均勻現(xiàn)象也更為明顯。
圖4是在不同溫度下精鍛得到
的不同規(guī)格TC4鈦合金棒材經(jīng)800℃/1.5h/AC退火后的室溫拉伸和高溫拉伸性能。從圖4ａ、4ｃ可以看出，精鍛溫度越低、變形量越大，棒材的室溫拉伸和高溫拉伸強
度也越高，這與組織中初生α相和次生α相的含量和形態(tài)有關(guān)。經(jīng)920℃精鍛后的φ30mm棒材，初生α相含
量高，次生α相破碎明顯且多呈碎點狀分布，其室溫拉伸和高溫拉伸強度最高。隨著精鍛溫度的升高，初生
等軸α相的含量逐漸減少，呈碎點狀或扭曲條狀的次生α相含量逐漸提高，但在800℃/1.5h/AC退火條件下
，次生α相的形貌并未發(fā)生明顯變化，因此影響棒材室溫拉伸和高溫拉伸強度的主要因素還是初生等軸α相
的含量。在相同的精鍛溫度下，精鍛變形量越大，晶粒尺寸越小，
棒材累積的位錯密度越高，對應(yīng)的強度也越高。此外，精鍛溫度和變形量對TC4鈦合金棒材的塑性影響并不
明顯，如圖4B所示。
表5是在不同溫度下精鍛得到的不同規(guī)格TC4鈦合金棒材的超聲探傷雜波水平。從表5可
以看出，920~960℃精鍛的φ30mmTC4鈦合金棒材的探傷雜波水平為φ0.8mm-(9~12)ｄB，φ50mm棒材的探傷
雜波水平為φ0.8mm-(12~16)ｄB，可見相同精鍛溫度下φ50mm棒材的探傷雜波水平低于φ30mm棒材。920℃
精鍛的φ65mmTC4鈦合金棒材探傷雜波水平為φ0.8mm-(12~16)ｄB，但當(dāng)精鍛溫度提高到940℃和960℃時，
探傷雜波水平都降低到φ0.8mm-(16~20)ｄB，說明相同規(guī)格的TC4鈦合金棒材，隨著精鍛溫度的提高，探傷
雜波水平逐漸降低，而精鍛溫度一定時，變形量越大，TC4鈦合金棒材的探傷雜波水平越高。這是因為超聲
波探傷雜波的變化與TC4鈦合金棒材組織中初生α相和次生α相的含量、尺寸和分布情況均有關(guān)。精鍛溫度
越高，精鍛變形量越小，TC4鈦合金棒材初生α相的含量低且等軸性好，次生α相的含量高且片層較平直，
整體組織均勻性越好，超聲波探傷時信號散射越小，雜波水平越低。
從以上分析結(jié)果可知，隨著精鍛溫度的升高，TC4鈦合金棒材的探傷雜波水平逐漸減小。但精鍛溫度的提高
會導(dǎo)致初生α相含量降低(會對成品葉片的疲勞性能產(chǎn)生不利影響[9])，室溫拉伸和高溫拉伸強度下降。因
此，針對葉片用TC4鈦合金棒材，當(dāng)精鍛溫度為940℃時，棒材的探傷雜波水平可以達到φ0.8mm-9ｄB以下，
初生α相含量可以達到65％左右，性能保持在較高水平，整體組織、性能匹配較好。
3、結(jié)論
(1)與軋制工藝相比，精鍛工藝制備的TC4鈦合金棒材室溫拉伸和高溫拉伸強度優(yōu)勢明顯，但超聲探傷雜波水
平稍高。
(2)隨著精鍛溫度升高，TC4鈦合金棒材的初生等軸α相含量逐漸減少，室溫拉伸和高溫拉伸強度下降，但超
聲探傷雜波水平逐漸減小。隨著精鍛變形量增大，棒材晶粒尺寸逐漸減小，室溫拉伸和高溫拉伸強度逐漸提
高，但組織均勻性變差，超聲探傷雜波水平增大。
(3)精鍛溫度選用940℃時，TC4鈦合金棒材的組織和性能匹配較好。
參考文獻
[1]陶春虎，劉慶瑔，劉昌奎，等.航空用鈦合金的失效及其預(yù)防[Ｍ].2版.北京:國防工業(yè)出版社，2013.
[2]蔡建明，曹春曉.航空發(fā)動機鈦合金材料與應(yīng)用技術(shù)[Ｍ].北京:冶金工業(yè)出版社，2021.
[3]張永紅，李永春，曹凱.TC4鈦合金板材雙晶探頭超聲波檢測[J].宇航材料工藝，2012，42(5):72-75.
[4]宋韋韋，李本江，宋增金，等.ＴＡ15鈦合金顯微組織對超聲探傷底波衰減的影響[J].鈦工業(yè)進展，2021
，38(3):35-40.
[5]佟健，邰文彬，黨永豐，等.鈦合金棒材典型冶金次生缺陷超聲波探傷波形特征分析[J].鈦工業(yè)進展，
2018，35(4):40-43.
[6]李華，馬英杰，邱建科，等.TC4鈦合金顯微組織對超聲波探傷雜波水平的影響[J].稀有金屬材料與工程
，2013，42(9):1859-1863.
[7]郭凱，杜博生，周中波，等.熱處理對TC11鈦合金棒材超聲波探傷的影響[J].熱加工工藝，2018，47
(14):152-154.
[8]SｕｎSＤ，ZｏｎGＹＹ，SｈａｎＤB，ｅｔａｌ.ＨｏｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎBｅｈａｖｉｏｒａｎ
ｄｍｉｃｒｏSｔｒｕｃｔｕｒｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆTC4ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙ[J].ＴｒａｎS
ａｃｔｉｏｎSｏｆＮｏｎｆｅｒｒｏｕSＭｅｔａｌSSｏｃｉｅｔｙｏｆＣｈｉｎａ，
2010，20(11):2181-2184.
[9]劉慶瑔.航空發(fā)動機鈦合金葉片制造技術(shù)及失效分析[Ｍ].北京:航空工業(yè)出版社，2018.
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