·212 工程科学学报，第37卷，第2期 发动机的风扇盘及飞机的结构承力件四.目前，国内 内部的取向性国，降低了各向异性能 外对于钛合金热加工变形过程的变形行为、组织演化 上述研究在一定程度上分析了双相钛合金变形过 以及组织和性能的关联性等进行了大量深入的研 程组织及取向的变化规律，研究结果对热加工工艺的 究5-刀，而且传统热强钛合金和高强钛合金的组织性 不断改进具有重要作用.实际工程应用中，钛合金棒 能控制已趋于成熟.但是，随着军工及民用构件要求 坯一般需经空气锤或快锻水压机进行改锻，旨在提高 的不断提高，钛合金构件，尤其是转动件的组织均匀性 锻坯的组织及取向均匀性，但工艺制定大多依据经验 与取向均匀性的关联性及其与无损检测信号响应间的 累积.本文以Ti6A-4V双相合金为研究对象，针对 关联性成为近年来钛合金工艺优化的热点，也成为工 工程普遍应用的空气锤改锻过程，系统分析锻造工艺 程应用领域亟待解决的问题 方式改变对这种快速成形过程组织演化及取向分布的 近年来，已有一定量关于双相钛合金在两相区进 影响规律，为进一步锤上坯料改锻工艺优化提供依据， 行热变形时取向变化基本规律的研究报道.Germain 1 等的研究表明，Ti6A-4V合金变形过程中再结晶 实验材料及方法 新形核的晶粒与原晶粒的取向一致，至少是在基面一 实验用材料为经锻造开坯的T6A14V合金，尺 致，体现了材料织构在变形过程中的遗传性：Glavicic 寸为30mm×60mm.将实验材料在箱式电阻炉加热 等回认为，双相钛合金中的两相虽然存在Burgers关 至950℃保温30min,然后在空气锤锻机上进行不同方 系，但是12种对应的α取向关系并不等值出现：而 式锻造变形.包括轴向一次镦拔、轴向两次镦拔、轴向 Zu等@则认为材料织构的类型比材料织构的强度 三次镦拔以及换向三次镦拔加工，每次变形量均为 对材料性能的影响更大·此外，双相钛合金在锻造过 40%.具体变形方式见图1.锻造结束后，对上述样品 程中会生成很强的局部织构区域，形成“广域”四，这 在电阻炉内进行热处理.具体规范为：930℃保温60 种“广域”是锻件产生局部裂纹的重要原因.工程实践 min,空冷：550℃保温240min,空冷.将热处理后的样 表明，两相区锻造获得的双相组织钛合金塑性和强度 品切割成组织分析样品及背散射衍射分析样品，在- 都有很大的提高网，并且换向锻造可以明显改善材料 tra55扫描电镜下进行组织及取向的系统分析 图1变形方式示意图.(a)轴向一次镦拔：(b)轴向二次辙拔：()轴向三次镦拔：(d)换向三次镦拔 Fig.1 Schematic diagram of deformation modes:(a)uniaxial one time:(b)uniaxial twice:(c)uniaxial 3 times:(d)cross upsetting and strete- hing 3 times 2结果及分析 然有改善，但仍然具有一定的取向性，特别是α相的 分布：而经过二次镦拔以及两种方式三次镦拔后基本 2.1镦拔变形方式对合金组织的影响 消除了晶粒的方向性. 图2为改锻前原始Ti6Al-4V合金棒材组织.图 固溶处理后的试样组织变为双态组织，组织更为 中黑色的块状为α相，白色块状为B转变组织，细条 清晰，a与B相界更为明显.由于930℃仍是Ti6A- 为线状的β相.可以看到原始棒材的组织为典型拉长 4V的两相区，所以可以看到较大的原始α相，原始α 的α相、细条状的B相以及两相交替排列的B转变组 相在固溶过程中，未完全发生相变，α相发生明显的长 织，组织整体上呈现了一定的方向性，各种形态的两相 大.经过固溶处理后，试样中B转变组织发生了很大 分布不连续，呈现了很大的不均匀性 的变化：轴向一次镦拔试样中α相发生等轴化和长大 表1为不同镦拔方式后Ti6A-4V的组织.由图 现象，B转变组织中的α相也在高温下发生球化和长 可见，锻后组织为近等轴组织，大大改善了原始棒材中 大，体系中少量剩余B相呈网状分布于B转变组织中 组织的不均匀性.不同方式锻造后的组织都是由相 的α相附近；二次镦拔、轴向三次镦拔和换向三次镦 和B转变组织组成，一次镦拔后的组织较原始组织虽 拔试样经过固溶处理后等轴初生α相和长条相均工程科学学报，第 37 卷，第 2 期 发动机的风扇盘及飞机的结构承力件［4］． 目前，国内 外对于钛合金热加工变形过程的变形行为、组织演化 以及组织和性能的关联性等进行了大量深入的研 究［5 － 7］，而且传统热强钛合金和高强钛合金的组织性 能控制已趋于成熟． 但是，随着军工及民用构件要求 的不断提高，钛合金构件，尤其是转动件的组织均匀性 与取向均匀性的关联性及其与无损检测信号响应间的 关联性成为近年来钛合金工艺优化的热点，也成为工 程应用领域亟待解决的问题． 近年来，已有一定量关于双相钛合金在两相区进 行热变形时取向变化基本规律的研究报道． Germain 等［8］的研究表明，Ti--6Al--4V 合金变形过程中再结晶 新形核的晶粒与原晶粒的取向一致，至少是在基面一 致，体现了材料织构在变形过程中的遗传性; Glavicic 等［9］认为，双相钛合金中的两相虽然存在 Burgers 关 系，但是 12 种对应的 α 取向关系并不等值出现; 而 Zhu 等［10］则认为材料织构的类型比材料织构的强度 对材料性能的影响更大． 此外，双相钛合金在锻造过 程中会生成很强的局部织构区域，形成“广域”［11］，这 种“广域”是锻件产生局部裂纹的重要原因． 工程实践 表明，两相区锻造获得的双相组织钛合金塑性和强度 都有很大的提高［12］，并且换向锻造可以明显改善材料 内部的取向性［13］，降低了各向异性能． 上述研究在一定程度上分析了双相钛合金变形过 程组织及取向的变化规律，研究结果对热加工工艺的 不断改进具有重要作用． 实际工程应用中，钛合金棒 坯一般需经空气锤或快锻水压机进行改锻，旨在提高 锻坯的组织及取向均匀性，但工艺制定大多依据经验 累积． 本文以 Ti--6Al--4V 双相合金为研究对象，针对 工程普遍应用的空气锤改锻过程，系统分析锻造工艺 方式改变对这种快速成形过程组织演化及取向分布的 影响规律，为进一步锤上坯料改锻工艺优化提供依据． 1 实验材料及方法 实验用材料为经锻造开坯的 Ti--6Al--4V 合金，尺 寸为 30 mm × 60 mm． 将实验材料在箱式电阻炉加热 至 950 ℃保温30 min，然后在空气锤锻机上进行不同方 式锻造变形． 包括轴向一次镦拔、轴向两次镦拔、轴向 三次镦拔以及换向三次镦拔加工，每次变形量均为 40% ． 具体变形方式见图 1． 锻造结束后，对上述样品 在电阻炉内进行热处理． 具体规范为: 930 ℃ 保温 60 min，空冷; 550 ℃保温 240 min，空冷． 将热处理后的样 品切割成组织分析样品及背散射衍射分析样品，在 Ul￾tra55 扫描电镜下进行组织及取向的系统分析． 图 1 变形方式示意图． ( a) 轴向一次镦拔; ( b) 轴向二次镦拔; ( c) 轴向三次镦拔; ( d) 换向三次镦拔 Fig． 1 Schematic diagram of deformation modes: ( a) uniaxial one time; ( b) uniaxial twice; ( c) uniaxial 3 times; ( d) cross upsetting and stretc￾hing 3 times 2 结果及分析 2. 1 镦拔变形方式对合金组织的影响 图 2 为改锻前原始 Ti--6Al--4V 合金棒材组织． 图 中黑色的块状为 α 相，白色块状为 β 转变组织，细条 为线状的 β 相． 可以看到原始棒材的组织为典型拉长 的 α 相、细条状的 β 相以及两相交替排列的 β 转变组 织，组织整体上呈现了一定的方向性，各种形态的两相 分布不连续，呈现了很大的不均匀性． 表 1 为不同镦拔方式后 Ti--6Al--4V 的组织． 由图 可见，锻后组织为近等轴组织，大大改善了原始棒材中 组织的不均匀性． 不同方式锻造后的组织都是由 α 相 和 β 转变组织组成，一次镦拔后的组织较原始组织虽 然有改善，但仍然具有一定的取向性，特别是 α 相的 分布; 而经过二次镦拔以及两种方式三次镦拔后基本 消除了晶粒的方向性． 固溶处理后的试样组织变为双态组织，组织更为 清晰，α 与 β 相界更为明显． 由于 930 ℃ 仍是 Ti--6Al-- 4V 的两相区，所以可以看到较大的原始 α 相，原始 α 相在固溶过程中，未完全发生相变，α 相发生明显的长 大． 经过固溶处理后，试样中 β 转变组织发生了很大 的变化: 轴向一次镦拔试样中 α 相发生等轴化和长大 现象，β 转变组织中的 α 相也在高温下发生球化和长 大，体系中少量剩余 β 相呈网状分布于 β 转变组织中 的 α 相附近; 二次镦拔、轴向三次镦拔和换向三次镦 拔试样经过固溶处理后等轴初生 α 相和长条 α 相均 · 212 ·