TiAl4822 合金锻造工艺参数的研究

FMMM 2022年10月11日 1664浏览

文／陈小虎，施文鹏·江西景航航空锻铸有限公司

随着航空航天技术的不断发展，轻质耐高温材料以其独特的优势，成为未来航空发动机、航天器等航空航天材料的重要发展方向。TiAl 合金具有高比强度、高比模量和优良的抗氧化性能，是当前最具开发潜力的航空航天用轻质耐高温结构材料。然而，TiAl 合金室温塑性低，以及高温变形能力和抗氧化性能不足成为其工程化应用的最大障碍。因此，解决该类合金的热加工塑性差的问题，对实现TiAl 合金产业化应用十分必要。

本研究选取TiAl4822 合金进行锻造工艺参数研究，通过TiAl4822 合金不同锻造工艺参数的试验和锻造试块性能分析，摸索适宜的锻造温度、应变速率、变形量等锻造工艺参数，确保TiAl4822 合金在工艺窗口范围内良好的锻造可加工性。

试验方法、材料以及设备

试验设备

TiAl4822合金等温锻造工艺试制采用2000t等温锻造装置，该装置可保证锻造过程温度及变形速度，满足此次试验的需求。

试验材料

试验材料采用中科院金属所制造的φ260mm 铸锭。铸锭的室温抗拉强度为381MPa，700℃抗拉强度为311MPa，850℃抗拉强度为397.5MPa，室温延伸率为1.06%，700℃延伸率为5.6%，850℃延伸率为0.7%。

试验方法

通过TiAl 合金(TiAl4822)不同锻造参数下的等温锻造工艺试验，分析锻造温度、变形速率、变形量和锻后冷却方式对锻造热加工性的影响；后采用初步确定的工艺参数范围开展锻造试验，并进行试块力学性能分析，根据分析结果得出一个最优的锻造工艺参数。

试验步骤：锻造前采用电炉到温装炉方式对坯料加热，加热时间按厚度乘以保温系数计算，坯料加热保温结束后在2000t 锻造压机上进行锻造，锻后试块冷却至室温后热处理，试块热处理工艺参数为：1240℃保温2h 后冷却。

试验过程以及结果分析

前期锻造参数确定

前期试验目标是初步确定锻造温度范围、应变速率及锻后冷却方式。在φ260mm 的棒料上切取25mm×25mm×70mm试料若干，按不同参数进行近等温锻造，第1 次试验参数见表1。

表1 第1 次试验参数表

图1 为上述第1 组试验的锻造试块，图2 为第1组(炉冷)至第4 组试验的锻造试块，图3 为第5 组至第8 组试验的锻造试块。

图1 第1 组试验锻后试块

图2 不同锻造温度炉冷锻后试块

图3 不同锻造温度和应变速率下的锻后试块

根据上述试验得出以下结论：随着锻造温度的升高，TiAl4822 合金的塑性逐渐提高，锻造试块的开裂倾向减小，锻造温度低于1120℃时锻造开裂倾向较大；随着应变速率的减小，TiAl4822 合金的热加工塑性逐渐提高，合金变形过程中的内应力减小，锻造试块的开裂倾向减小；TiAl4822 合金对温度应力比较敏感，锻后冷却方式对锻造试块开裂倾向的影响明显，锻后宜采用随炉冷却方式。

不同锻造参数下的力学性能分析

⑴不同锻造温度对力学性能的影响。

根据前期试验结果，调整锻造工艺参数，对不同温度下锻造的试块进行力学性能分析，并与原始的铸锭性能进行比较。在φ260mm 的棒料上切取35mm×75mm×75mm 试料若干，在应变速率为4×10-3，变形量为40%条件下，分别在1100℃、1120℃、1150℃温度下进行近等温锻造，锻后炉冷至室温。按1240℃保温2h 后炉冷热处理后加工成拉伸试样，在拉伸试验机上测试试样室温和高温拉伸性能。

图4 和图5 分别为不同锻造温度下，试样的抗拉强度和室温延伸率趋势图，由图可以看出，室温抗拉强度与锻造温度成正比。随着锻造温度的升高，室温抗拉强度有明显的升高，高温抗拉强度随着锻造温度的升高也在逐渐提升。当锻造温度高于1120℃时，高温抗拉强度没有明显的提升。锻造温度对试块室温延伸率以及700℃高温延伸率影响不明显。850℃高温延伸率波动明显，延伸率最高达30%，延伸率最低为4%。本次试验锻造的TiAl4822 合金力学性能高于原始铸锭。

图4 不同锻造温度下的抗拉强度

图5 不同锻造温度下的延伸率

⑵不同锻造应变速率对力学性能的影响。

根据前期试验结果，调整锻造工艺参数，并对不同应变速率下锻造的TiAl4822 钛合金试块进行力学性能分析，并与原始的铸锭性能进行比较。在φ260mm的棒料上切取35mm×75mm×75mm试料若干，在锻造温度1150℃，变形量为40%、不同的应变速率(10-1、4×10-3、10-3)下进行近等温锻造，锻后炉冷至室温。按1240℃、保温2h 后炉冷热处理后加工成拉伸试样，在拉伸试验机上测试试样室温和高温拉伸性能。

图6 为不同应变速率下试样的抗拉强度，图7 为不同应变速率下试样的延伸率，由图可以看出，随着锻造应变速率的增大，TiAl4822 合金室温抗拉强度降低；锻造应变速率对高温抗拉强度、室温延伸率以及700℃高温延伸率影响不明显；850℃高温延伸率波动明显，延伸率最高达29%，延伸率最低为3%。本次试验锻造的TiAl4822 合金力学性能高于原始铸锭。

图6 不同应变速率下的抗拉强度

图7 不同应变速率下的延伸率

⑶不同锻造变形量对力学性能的影响。

根据前期试验结果，调整锻造工艺参数，并对不同变形量锻造的TiAl4822 合金试块进行力学性能分析。在φ260mm的棒料上切取35mm×75mm×75mm试料若干，在应变速率为4×10-3，锻造温度为1150℃、不同的变形量(30%、35%、40%、45%)下进行近等温锻造，锻后炉冷至室温。按1240℃、保温2h 后炉冷热处理后加工成拉伸试样，在拉伸试验机上测试试样室温和高温拉伸性能。

一次变形量为45%的锻造试块如图8 所示，变形量为45%参数下的锻造试块有较大裂纹，单火次变形量超过40%后，锻造试块的开裂倾向性增大。

图8 变形量45%锻造试块

图9 为不同变形量下试样的抗拉强度，图10 为不同变形量下试样的延伸率，由图可以看出，单火次锻造变形量小于40%时，室温抗拉强度及700℃高温抗拉强度随着试块锻造变形量的增加而增加；单火次锻造变形量超过40%后，抗拉强度基本保持稳定；单火次锻造变形量对850℃高温抗拉强度、室温延伸率及700℃高温延伸率影响不明显；850℃高温延伸率波动明显，延伸率最高在47%左右，延伸率最低在26%左右。本次试验锻造的TiAl4822 合金力学性能高于原始铸锭。

图9 不同变形量下的抗拉强度

图10 不同变形量下的延伸率

结论

通过对TiAl4822 合金的锻造工艺参数研究可以得出以下结论：

⑴锻造温度、应变速率及锻后冷却对TiAl4822合金锻造的影响十分关键。随着锻造温度的降低，材料热加工塑性降低，锻造温度低于1120℃时，易产生锻造裂纹；应变速率超过4×10-3 时，随着应变速率的提高，材料的变形抗力增加，易产生锻造裂纹，应变速率超过10-1 后锻件裂纹十分严重；该材料对温度应力较为敏感，在快速的冷却方式下，宏观开裂倾向明显，宜采用随炉冷却方式。

⑵锻造温度1150 ℃、应变速率4×10-3 以及变形量40%条件为适宜的锻造工艺参数，锻造后TiAl4822合金力学性能较铸锭力学性能有明显提升。

⑶在锻造温度1150℃、应变速率4×10-3，测试温度850℃的条件下，锻件的延伸率高于其他的锻造工艺参数与其他的测试温度下的值，表现出超塑性的特性，后续需增大样本量，继续摸索和总结其潜在规律。

后续深入研究重点：根据前期试验结果，细化TiAl4822 合金锻造工艺参数，通过细化的工艺参数结果分析，确定其最优的锻造工艺参数，为后续的TiAl4822 合金锻件生产提供数据支撑。

作者简介

陈小虎

总质量师，工程师，主要从事航空材料锻造工艺研究、锻件质量控制工作，发表论文2 篇，获得发明专利1项，教育部产学研二等奖1 项。

——文章选自《锻造与冲压》2022年第15期

锻造

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