Ti―6AL―4V合金精锻棒材新工艺研究

摘 要：Ti-6AL-4V钛合金具有较高的强度，较好的耐热性、塑性、韧性、成形性、可焊性等。本研究利用正交试验法，对Ti-6AL-4V精锻棒材，其质量的主要影响因素的热处理方式、夹头进给速度、变形程度和加热温度进行了研究，得出了合理的β处理工艺参数，提出合适的夹头进给速度，得出了合适的变形程度。提出了新的工艺参数是：β处理的温度为β+15℃；精锻机的夹头进给速度为4.0m/min；每火次变形程度为50%以上；在α+β区进行不少于两火次加工，加热温度为β-30℃。

关键词：Ti-6AL-4V钛合金精锻棒材；β处理；变形程度；新的工艺

1 概述

Ti-6AL-4V钛合金具有较高的强度，较好的耐热性、塑性、韧性、成形性、可焊性以及耐腐蚀性，广泛应用在航空工业上，占到了钛合金总使用量的75%-80%，大量用作飞机的结构、支撑件和发动机的叶片用料，随着航空工业的飞速发展，对材料的在高低倍组织检验和超声波检验提出更高的要求。

2 Ti-6AL-4V合金新工艺研究

2.1 对于TI-6AL-4V Φ60mm以下的棒材，进行不同温度和方式的β处理，降低超声波检验杂波Φ0.8-18db，显微组织达到GJB1538-92标准的1-4级。

2.2 新工艺方案

2.2.1 坯料 Φ60×600 9支，相变点990℃。

2.2.2 利用正交试验表L9（34）安排试验，对于Ti-6AL-4V 精锻棒材，其影响质量的因素有：热处理方式、夹头进给速度、变形程度和加热温度为主要影响因素，将各因素分为三个参数（位级）进行此试验，并列入因素位级表中。

2.2.3 热处理方式中β+50℃/保温30min WC，其目的为既在相变点以上进行β晶粒的均匀化处理，又进行一次固溶处理，改善金相组织，降低超声波检验杂波水平。β+15℃/保温1hr AC对于小规格的棒材其保温时间可以短一些，既达到了β晶粒的均匀化处理，而且也不过多的消耗能源，为改善金相组织打下了良好的基础。

2.2.4 根据因素位级表安排正交试验，用L9（34）表见表2

2.2.5 第一次试验结果与分析

（1）热处理方式：a.超声波检验结果：用β+50℃/保温30min WC处理的三个试验1132、1221、1313其超声波检验杂波总和为Φ0.8-42db，用β+15℃/保温1hr AC处理的三个试验2111、2322、2233其超声波检验杂波总和为Φ0.8-30db。由此说明用β+50℃/保温30min WC处理的方法，可以显著地降低超声波检验杂波水平。b.显微组织结果：用β+50℃/保温30min WC处理的三个试验1132、1221、1313其显微组织评级总和为35，用β+15/保温1hr AC处理的三个试验2111、2322、2233其显微组织检验评级总和为37，用R态处理的三个试验3331、3212、3123其显微组织评级总和为18，由此说明R处理的三个试验其显微组织较好，用β处理的两种方式，在α+β区一火次变形是不能获得好的显微组织，应在α+β区进一步变形。c.用不同的热处理方式进行β处理后，用在α+β区一火次变形可以降低超声波检验杂波水平，但是对于改善显微组织是不足的，需要在α+β区进一步变形，才能获得改善显微组织，达到预期的目的。

（2）精锻时夹头进给速度：a.超声波检验：用5.0m/min的进给速度的三个试验1132、2111、3123其超声波杂波总和为Φ0.8-21db，用4.0m/min的进给速度的三个试验1221、2233、3212其超声波杂波总和为Φ0.8-42db，用3.0m/min的进给速度的三个试验1313、2322、3331其超声波杂波总和为Φ0.8-34db，由此得出，用4.0m/min的进给速度对于降低 其超声波杂波水平效果较好。b.显微组织检验：用5.0m/min的进给速度的三个试验1132、2111、3123其显微组织评级的总和为33，用4.0m/min的进给速度的三个试验1221、2233、3212其显微组织评级的总和为30，用3.0m/min的进给速度的三个试验1313、2322、3331其显微组织评级的总和为27，由此得出，随着精锻时夹头进给速度的降低，对于显微组织的改善越好。c.从降低超声波杂波水平讲，用4.0m/min的进给速度效果较好，从改善显微组织的评级方面考虑，用较慢的进给速度效果较好，要使超声波检验杂波水平和显微组织的评级综合考虑，夹头进给速度用4.0m/min的进给速度效果较好。

（3）变形程度：a.用50%变形程度的三个试验2111、3212、1313其超声波杂波水平、显微组织评级分别为Φ0.8-44db、26。b.用35%变形程度的三个试验1221、3123、2322其超声波杂波水平、显微组织检验评级分别为Φ0.8-22db、31。c.用20%变形程度的三个试验1132、2233、3331其超声波杂波水平、显微组织评级分别为Φ0.8-36db、33。d.因此，随着变形程度的减少，超声波杂波水平上升，显微组织评级总和上升，改善效果降低，所以采用50%变形程度较好。

（4）加热温度：a.超声波杂波：β-10℃加热的三个试验2111、1221、3331，其杂波总和为Φ0.8-32db，β-30℃加热的三个试验1132、3212、2322，其杂波总和为Φ0.8-34db，β-60℃加热的三个试验，1313、3123、2233，其杂波总和为Φ0.8-36db。因此，随着加热温度的降低，其超声波杂波水平是降低的，但影响不显著。b.显微组织：β-10℃加热的三个试验2111、1221、3331其显微组织评级总和为33，β-30℃加热的三个试验1132、3212、2322，其显微组织评级总和为31，β-60℃加热的三个试验1313、3123、2233其显微组织评级总和为26。因此随着加热温度的降低，其显微组织评级的总和也随着减少，改善的效果较好。c.从总的趋势来讲，随着加热温度的降低，显微组织的改善效果愈好，但从试验3123来讲，由于其加热温度为β-60℃，而超声波杂波水平为Φ0.8-4db，效果不好，所以综合考虑超声波杂波和显微组织评级因素，加热温度选用β-30℃加热为宜。

2.2.6 初步结论 综合各影响因素各参数所对应的试验结果的分析，形成如下结论：（1）用两种不同的β处理方式，对于显微组织进行改善，仅用在α+β区一火次变形对于改善是不足的，需要在α+β区进一步变形，才能获得改善显微组织。（2）夹头的进给速度选用4.0m/min。（3）变形程度选用50%为宜。（4）加热温度选用β-30℃加热为宜。

2.3 利用第一次试验的结果，加热温度用β-30℃加热，夹头进给速度用4.0m/min，变形程度用50%，在第一次试验9支试验的基础上进一步进行试验验证工作，试验结果表明，符合要求的试验编号是2233-3、3212-3、1313-3，而在这三个试验中2233-3在显微组织和超声波杂波水平方面优于其他两个试验，因此进一步试验2233-3是Ti-6AL-4V合金棒材新工艺。

2.3.1 用β+50℃/保温30min WC和β+15/保温1hr AC处理，经在α+β区两火次的变形，显微组织均得到了均匀化的组织，达到了目的。

2.3.2 β+15℃/保温1hr AC处理的显微组织较β+50℃/保温30min WC处理的显微组织均匀化程度好，细化效果好，这与β处理的温度有直接关系。也就是说β处理的温度越高，β晶粒长大得越大，变形后的组织较大些，因此β处理的温度为β+15℃为宜。

3 结束语

（1）β处理的温度为β+15℃。（2）精锻机的夹头进给速度为4.0m/min。（3）每火次变形程度为50%以上。（4）在α+β区进行不少于两火次加工，加热温度为β-30℃。

参考文献

[1]谢杰，陈建云，李子骏，等.Ti-6AL-4V合金表面改性技术[J].钛工业进展，2013，30（3）：1-6.

[2]稀有金属加工手册[S].78-79.

[3]GJB1538-92.飞机机构件用TC4钛合金棒材规范[S].

[4]GB/T5193-2007.钛及钛合金加工产品超声波探伤方法[S].

作者简介：党全顺（1962-），男，工程师。