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1．概述
近a型TG6鈦合金的名義成分為Ti-5.8Al-4Sn-4Zr-0.7Nb-1.5Ta-0.4Si，具有優異的高溫蠕變抗力和疲勞性能，長期耐熱溫度能達到600℃，主要適用于制造先進航空發動機壓氣機高壓段的輪盤、葉片和機匣等零部件。TG6鈦合金成分復雜，合金化程度高，其(a+b)/b相轉變溫度高達1050℃，a+b兩相區的變形溫度也高達1010℃。與普通鈦合金如TC4、TC11相比，TG6鈦合金鍛造時變形抗力大，工藝塑性低，另外，和其他近a型鈦合金相同，TG6鈦合金的顯微組織和力學性能對鍛造工藝參數（如變形溫度、變形量、變形速率、冷卻條件）的影響比較敏感[1]。傳統模鍛工藝要求的設備噸位大，充填型腔困難，而且工藝參數的精確控制較為困難，獲得的鈦合金鍛件組織和性能均勻性差[2]；若采用等溫模鍛工藝，則模具的加熱溫度高，目前國內尚無在1010℃適用的模具材料[3]。熱模模鍛技術是介于等溫模鍛和普通模鍛的一種折中的鍛造工藝，其模具加熱溫度可以略低于坯料的加熱溫度，因此，降低了對模具材料和加熱裝置的要求。本試驗采用熱模模鍛技術制造TG6鈦合金的盤模鍛件，選用K403高溫合金作為模具材料和FR5玻璃防護潤滑劑作為毛坯的防護潤滑劑，并評估了a+b兩相區熱模模鍛工藝、K403模具及FR5潤滑工藝生產TG6鈦合金盤件的可行性。
2．熱模模鍛工藝
2.1 熱模模鍛工藝的特點
熱模模鍛工藝的模具加熱溫度略低于坯料的模鍛溫度，一方面，可以實現在低應變速率條件下的變形，因此，變形均勻，組織和性能穩定，鍛件尺寸精度高，達到與等溫鍛造相同的效果[4]；另一方面，又可以因降低對模具材料和加熱裝置的要求而大大降低總的制造成本。
2.2 模鍛設備及其特點
TG6鈦合金盤鍛件的熱模模鍛工藝試驗在63MN可控應變速率的專用液壓機上進行，配備了最高加熱溫度可達1000℃的模具及其加熱裝置。該設備可以實現無級調節壓力及橫梁移動速度，最大壓力可達80MN，橫梁慢速移動速率可低至0.002~0.01mm/s，控制精度和自動化程度高，可滿足等溫超塑性變形工藝的要求。
2.3 材料及毛坯
TG6鈦合金的名義化學成分和實測結果見表1，(a+b)/b相轉變溫度Tb=1050℃。試驗采用的餅環坯尺寸為外徑F370mm、內徑F200mm、高78mm。
表1 TG6鈦合金的名義化學成分和實測結果
Table 1 Nominal chemical composition and test result of TG6 titanium alloy
2.4 模具
根據實際使用經驗推算，能夠在變形溫度下穩定工作的等溫鍛造模具材料，其屈服強度應該在相應溫度下變形材料屈服強度的三倍以上[5]，TG6鈦合金在其模鍛溫度1010℃和中等應變速率下的變形流變應力低于100MPa，而K403鑄造合金在950℃時的屈服強度在400MPa以上[6]，同時在該溫度下具有完全抗氧化能力，可滿足TG6鈦合金熱模模鍛工藝的使用要求。K403高溫合金采用真空熔模鑄造工藝制備，整套模鍛模具采用積木式組合結構，通過分塊澆鑄可實現分塊更換，易于維修和制造；采用數控加工和電火花方法加工模具的型腔。
2.5 玻璃潤滑劑及潤滑工藝
本試驗選用FR5玻璃防護潤滑劑作為TG6鈦合金毛坯的防護潤滑劑。
2.5.1 玻璃潤滑劑的特點
鈦合金模鍛使用玻璃潤滑劑的主要功能是：
(1) 防護性能好，減少在加熱和模鍛過程中吸H2和O2；防止表面污染；
(2) 潤滑性能良好，例如，鈦合金模鍛采用FR5玻璃防護潤滑劑潤滑，其摩擦系數m＝0.082，而在無玻璃潤滑劑潤滑的條件下m＝0.35；
(3) 隔熱效果好，玻璃潤滑劑的熱導率只有鈦合金的十分之一[7]，防止毛坯熱量的散失。
2.5.2 FR5玻璃潤滑劑
該潤滑劑玻璃料的主要成分為：40~60%SiO2、1~10%Al2O3、20~35%B2O3、1~10%CaO、1~10%Na2O+K2O、1~10%BaO，載體為水，粘結劑為25%FRS1水溶樹脂，使用溫度800℃~1000℃，無毒。
2.5.3 玻璃潤滑劑的主要操作流程
毛坯除油污（噴砂或酸堿洗） ® 毛坯預熱至100℃左右 ® 涂玻璃潤滑劑 ® 干燥 ® 鍛造加熱
2.6 模鍛工藝
模具加熱溫度為950℃，坯料加熱溫度為1010℃，坯料出爐后迅速轉移到模腔內，立即進行模鍛。毛坯除在加熱前涂上FR5玻璃潤滑劑外，在模壓前還要在模具上涂上一層由石墨、二硫化鉬和機油組成的乳劑，以利于潤滑和鍛后鍛件的脫模。模鍛采取分段控制模鍛壓下速度的方式，即先快后慢，分段遞減，起始壓下速度為1mm/s，最終壓下速度為0.2mm/s，鍛件在出模后空冷。TG6盤鍛件的輪緣部位厚度為50mm，輪輻部位厚度為30mm，整個鍛件的變形量在36%~62%之間。
3．模鍛結果及其分析
3.1 TG6鈦合金盤件的組織
TG6鈦合金盤鍛件見圖1，其鍛態徑向低倍組織見圖2，為模糊晶組織，組織均勻。為了保證TG6鈦合金蠕變抗力、疲勞性能和熱穩定性的良好匹配，盤鍛件采用a+b兩相區上部固溶處理（1035℃/1h，AC），并隨后采用了高溫時效（750℃/2h，AC）的熱處理工藝，獲得的雙態組織中的初生a相含量約為15%，初生a相的尺寸約為20mm，等軸化程度好，b轉變組織由間隔細小的a片和b片組成，見圖3。
 圖1 TG6鈦合金熱模模鍛的盤鍛件
Fig.1 Hot-die forged compressor discs of TG6 titanium alloy
 圖2 TG6鈦合金盤模鍛件徑向鍛態低倍組織
Fig.2 Radial macrostructure of TG6 titanium alloy disc forging as forged
 圖3 TG6鈦合金盤鍛件的顯微組織
Fig.3 Microstructure of TG6 high temperature titanium alloy disc forging
3.2 TG6鈦合金盤件的力學性能
固溶處理和時效的TG6鈦合金盤鍛件的基本力學性能見表2，其室溫拉伸性能、600℃拉伸性能、熱穩定性和600℃蠕變性能均達到了技術條件的要求。采用較少初生a相含量的雙態組織，不僅可以保證合金具有高的強度、塑性和良好的熱穩定性，而且還保證合金具有較高的蠕變抗力，更好地滿足先進航空發動機壓氣機轉子部件高溫、高壓、高載荷的苛刻服役條件的使用要求。
表2 TG6鈦合金盤鍛件雙態組織的典型力學性能
Table 2 Typical mechanical properties of TG6 titanium alloy disc forging with bi-modal microstructure
3.3 熱模模鍛工藝及其分析
鍛造工藝是影響鈦合金力學性能的重要因素之一。對于TG6鈦合金而言，為了解決其蠕變抗力與塑性、熱穩定性之間的本質矛盾，同時又考慮到鍛造工藝在實際條件下的穩定性和可操作性，因此采用了a+b兩相區鍛造工藝更為合適，通過后續的熱處理，獲得雙態組織而使用，以實現蠕變、塑性和熱穩定性的良好匹配。
與傳統a+b兩相區普通模鍛工藝相比，采用a+b兩相區熱模模鍛工藝制造TG6鈦合金盤鍛件具有如下優勢：
(1) 變形載荷小。TG6鈦合金a+b兩相區變形的流變應力對溫度和應變速率的敏感性大，即隨著溫度的下降和應變速率的增加，變形流變應力急劇增加，熱模模鍛是在較為恒定的溫度和較低的變形速率下進行鍛造，因此，可以顯著降低變形載荷；同時還可以提高合金的工藝塑性，可以實現較大的允許變形量；
(2) 鍛件不易過熱。與鋼和鋁合金相比，鈦合金的導熱性差[8]，熱模模鍛工藝是在較低的變形速率下進行的鍛造，變形溫升小，而且產生的少量變形熱又可以通過坯料與模具的溫差而散失，防止了傳統鍛造工藝因高的變形溫升造成鍛件內溫度分布不均勻或產生過熱組織情況的發生；
(3) 熱模模鍛工藝避免了傳統工藝冷模具對坯料表面的激冷作用，變形時鍛件表面不易產生裂紋，有利于坯料在模具中的填充，減少變形死區，提高鍛件的表面粗糙度，并可實現復雜外形鍛件的成型；
(4) 熱模模鍛工藝可以控制在最佳的熱力規范下進行，加工參數可以得到精確控制，提高了鍛件組織和力學性能的均勻一致性；
(5) 熱模模鍛工藝可以實現精密鍛造，鍛件的精化可以提高材料利用率，減少加工余量，使得熱模模鍛工藝在經濟上更具有競爭力；
(6) K403合金模具的最高加熱溫度可達1000℃，而本試驗采用的K403合金模具的加熱溫度設定為950℃，在此溫度下，K403合金保持了高的屈服強度，同時具有完全的抗氧化能力，不僅可以滿足TG6鈦合金的熱模模鍛工藝的要求，而且還可以提高K403合金模具的使用壽命。
(7) 從TG6鈦合金盤鍛件的成形過程和表面狀態可知，FR5玻璃防護潤滑劑起到了良好的潤滑作用，另外，也減少了合金在高溫加熱過程中的氧化和轉料過程中的溫降，很好地滿足了TG6鈦合金盤鍛件熱模模鍛工藝的要求。
4．結論
（1）采用a+b兩相區熱模模鍛工藝生產的TG6鈦合金盤鍛件，組織均勻，性能穩定，且均達到了技術條件的要求；
（2）K403鑄造高溫合金模具可以作為TG6鈦合金熱模模鍛用的模具材料；
（3）FR5玻璃防護潤滑劑起到了良好的潤滑、防護和隔熱的作用，可滿足TG6鈦合金熱模模鍛工藝的要求。
參考文獻
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[2] D. J. Smith. Isothermal forging of titanium alloys[J], Light alloy, February 1988, pp.79-81
[3] 李青, 韓雅芳, 肖程波, 宋盡霞. 等溫鍛造用模具材料的國內外研究發展狀況[J], 材料導報, 2004年,第18卷, 第4期, 9-11
[4] David Furrer. Forging aerospace components, Advanced Materials & Processes, 1999, 3, pp.33-36
[5] 李成功，劉建宇. 高技術新材料要覽[M]，北京：中國科學技術出版社，1993年，pp.203-205
[6] 中國航空材料手冊(第二版)[M]，第2卷 變形高溫合金 鑄造高溫合金，北京：中國標準出版社, 2002, pp.555
[7] 王樂安. 難變形合金鍛件生產技術[M], 北京：國防工業出版社, 2005年, pp.46-50
[8] S. R. Seagle, K. O. Yu, S. Giangiordano. Considerations in processing titanium[J], Materials Science and Engineering, A263, 1999, pp.237-242 |
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