鈦合金環(huán)鍛件組織性能調(diào)控技術(shù)突破：TA15/TC6/TC4航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣與風(fēng)電法蘭成形工藝全解析

鈦合金環(huán)鍛件作為航空航天、風(fēng)電、核電等高端裝備的核心承載部件，其性能直接決定裝備的可靠性與服役壽命。例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣環(huán)件需在500℃以上中溫環(huán)境下保持高強(qiáng)韌性，風(fēng)電法蘭環(huán)件需具備優(yōu)異的抗疲勞性能與尺寸穩(wěn)定性，而核電用環(huán)件則對(duì)耐腐蝕性與組織均勻性提出嚴(yán)苛要求。隨著裝備向大型化、輕量化方向發(fā)展，鈦合金環(huán)鍛件已呈現(xiàn)“大直徑、薄壁化、復(fù)雜截面”的發(fā)展趨勢(shì)，如國(guó)內(nèi)已成功軋制Φ15.6m奧氏體不銹鋼環(huán)件、Φ9m鋁合金環(huán)件，但鈦合金因?qū)嵝圆睿▋H為鋼的1/4）、高溫易氧化、相變敏感等特性，其大型環(huán)鍛件的成形仍面臨“裂紋控制難、晶粒均勻性差、尺寸精度低”等技術(shù)瓶頸。

當(dāng)前鈦合金環(huán)鍛件研究主要聚焦于成形工藝優(yōu)化、組織性能調(diào)控與缺陷抑制三大方向。現(xiàn)有研究表明，鍛造溫度區(qū)間（α+β兩相區(qū)或近β區(qū)）直接決定環(huán)鍛件的組織類型——兩相區(qū)成形易獲得等軸α+β組織，兼具高強(qiáng)度與高塑性；近β區(qū)成形則形成網(wǎng)籃狀組織，熱強(qiáng)性更優(yōu)。同時(shí)，熱處理工藝（如退火溫度、保溫時(shí)間）通過(guò)調(diào)控次生α相的形態(tài)與分布，可顯著改善沖擊韌性等關(guān)鍵性能，例如TC4鈦合金退火溫度從700℃提升至850℃時(shí)，沖擊韌性可從20J/cm2提升至45J/cm2。然而，不同鈦合金（如TA15、TC6、TC4）的工藝適配性差異較大，需針對(duì)具體合金成分與應(yīng)用場(chǎng)景制定個(gè)性化技術(shù)方案。

本文基于5篇核心研究文獻(xiàn)，系統(tǒng)整合TA15、TC6、TC4及工業(yè)純鈦環(huán)鍛件的成形工藝參數(shù)、組織演化規(guī)律與性能調(diào)控機(jī)制，重點(diǎn)分析制坯-軋制-熱處理全流程的關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)，揭示鍛造溫度、軋制速度、退火制度對(duì)環(huán)鍛件晶粒尺寸、力學(xué)性能的影響規(guī)律，并提出大型薄壁鈦環(huán)的缺陷控制策略。通過(guò)梳理“工藝-組織-性能”的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為鈦合金環(huán)鍛件的工程化生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支撐與技術(shù)參考，助力高端鈦合金環(huán)鍛件的國(guó)產(chǎn)化替代。

1、鈦合金環(huán)鍛件的材料特性與應(yīng)用需求

鈦合金環(huán)鍛件的性能優(yōu)勢(shì)源于其獨(dú)特的成分設(shè)計(jì)與晶體結(jié)構(gòu)，不同牌號(hào)的鈦合金因合金元素（如Al、Mo、V、Cr）含量差異，呈現(xiàn)出不同的相變特性與力學(xué)性能，需根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景精準(zhǔn)選擇。本節(jié)基于文獻(xiàn)1（TA15）、文獻(xiàn)2（TC6）、文獻(xiàn)4（TC4）及文獻(xiàn)5（工業(yè)純鈦）的核心數(shù)據(jù)，梳理典型鈦合金的成分、相變點(diǎn)及力學(xué)性能要求，構(gòu)建材料-需求匹配體系。

1.1典型鈦合金的成分與相變特性

鈦合金的相變點(diǎn)（β轉(zhuǎn)變溫度）是確定鍛造溫度區(qū)間的核心依據(jù)，其值主要由Al（α穩(wěn)定元素）與Mo（β穩(wěn)定元素）含量調(diào)控。

不同牌號(hào)鈦合金的成分與相變點(diǎn)參數(shù)如表1所示：

由表1可見，TA15因Al當(dāng)量較高（6.58%），屬于近α型鈦合金，兼具α型合金的熱強(qiáng)性與α+β型合金的工藝塑性；TC6與TC4為典型α+β型鈦合金，通過(guò)β穩(wěn)定元素（Mo、V、Cr）改善熱加工性能；工業(yè)純鈦則因無(wú)合金元素添加，相變點(diǎn)范圍較寬，塑性優(yōu)異但強(qiáng)度較低，適用于對(duì)強(qiáng)度要求不高的薄壁結(jié)構(gòu)件。

1.2鈦合金環(huán)鍛件的力學(xué)性能需求

不同應(yīng)用領(lǐng)域的鈦合金環(huán)鍛件對(duì)力學(xué)性能的要求差異顯著，航空航天領(lǐng)域側(cè)重高強(qiáng)韌性與中溫性能，風(fēng)電領(lǐng)域關(guān)注疲勞性能，而裝飾或通用領(lǐng)域則更注重成形精度與成本。基于文獻(xiàn)1、2、4的測(cè)試數(shù)據(jù)，典型鈦合金環(huán)鍛件的力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示：

注：表中σb為抗拉強(qiáng)度，σ0.2為屈服強(qiáng)度，δ5為斷后伸長(zhǎng)率，ψ為面縮率，αk為沖擊韌性，αkv2為V型缺口沖擊功。

從表2可看出，航空用TA15與TC6環(huán)鍛件的室溫強(qiáng)度均要求≥950MPa，且需滿足中溫（400~500℃）力學(xué)性能；TC4因需應(yīng)對(duì)沖擊載荷，對(duì)沖擊韌性（αkv2）的調(diào)控尤為關(guān)鍵；工業(yè)純鈦雖強(qiáng)度較低，但塑性要求更高（δ5≥20%），以適應(yīng)薄壁件的成形需求。

2、鈦合金環(huán)鍛件成形工藝體系與參數(shù)優(yōu)化

鈦合金環(huán)鍛件的成形是“制坯-軋制-熱處理”多工序協(xié)同的過(guò)程，每個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)（如溫度、時(shí)間、速度）均直接影響最終產(chǎn)品的組織與性能。本節(jié)基于文獻(xiàn)1、2、3、5的工藝數(shù)據(jù)，構(gòu)建典型鈦合金環(huán)鍛件的成形工藝體系，重點(diǎn)優(yōu)化制坯溫度、軋制速度與熱處理制度。

2.1制坯工藝：組織預(yù)處理與缺陷預(yù)防

制坯的核心目標(biāo)是破碎鑄態(tài)組織、均勻成分分布，并為后續(xù)軋制提供合格的環(huán)坯尺寸。不同鈦合金因相變特性差異，制坯工藝參數(shù)需針對(duì)性設(shè)計(jì)。

2.1.1TA15鈦合金制坯工藝

TA15為近α型鈦合金，對(duì)鍛造溫度敏感，需在α+β兩相區(qū)進(jìn)行制坯，以避免晶粒粗大。根據(jù)文獻(xiàn)1的研究，TA15環(huán)鍛件的制坯工藝如下：

加熱參數(shù)：加熱溫度945℃（β相變點(diǎn)970~980℃以下25~35℃），保溫120min，確保坯料溫度均勻，避免局部過(guò)熱；

成形工序：采用“鐓餅（壓下量30%~40%）→沖孔（孔徑Φ350mm）→擴(kuò)孔（外徑Φ425mm）→整形”流程，每道工序間控制坯料降溫不超過(guò)50℃；

關(guān)鍵控制：終鍛溫度＞850℃，避免低溫變形導(dǎo)致裂紋；鍛后空冷，防止β相過(guò)度分解。

該工藝下，TA15環(huán)坯的低倍組織致密（符合1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)），顯微組織為破碎的原始β晶界+細(xì)小α相，無(wú)冶金缺陷（如疏松、夾雜），為后續(xù)軋制奠定良好組織基礎(chǔ)。

2.1.2TC6鈦合金雙溫制坯工藝

TC6為α+β型鈦合金，文獻(xiàn)2對(duì)比了“兩相區(qū)”與“近β區(qū)”兩種制坯溫度的效果，工藝參數(shù)與組織差異如表3所示：

由表3可見，近β區(qū)（950℃）制坯的優(yōu)勢(shì)在于變形抗力降低，材料流動(dòng)性提升，可提高制坯效率；但需注意：近β區(qū)制坯后需快速冷卻，避免β晶粒長(zhǎng)大。

2.1.3工業(yè)純鈦大型薄壁環(huán)制坯工藝

工業(yè)純鈦（TA1）因高溫易氧化、導(dǎo)熱性差，其制坯需重點(diǎn)解決氧化與降溫問題（文獻(xiàn)5）：

防氧化措施：制坯前在坯料表層涂覆專用防氧化涂料（如Al?O?-SiO?基涂料），避免加熱時(shí)氧擴(kuò)散形成硬脆層；

分段加熱：室溫→750℃（升溫速率40℃/h），保溫60min（根據(jù)坯料尺寸調(diào)整）；750℃→980℃（升溫速率70℃/h），保溫90min，確保芯部溫度均勻；

成形控制：采用“鐓低拔高”工藝（鐓粗至原高度的60%，再拔長(zhǎng)至工藝高度），避免沖孔時(shí)內(nèi)孔折疊；終鍛溫度≥850℃，鍛后空冷至500℃后緩冷，防止表面裂紋。

該工藝成功制備出Φ945mm×730mm的環(huán)坯，用于后續(xù)軋制外徑2297mm、壁厚68mm的大型薄壁鈦環(huán)。

2.2軋制工藝：尺寸精度與晶粒細(xì)化協(xié)同

軋制是鈦合金環(huán)鍛件實(shí)現(xiàn)“直徑擴(kuò)大、壁厚減薄、截面成形”的核心工序，當(dāng)前主流工藝為徑軸向軋制（RARR），其參數(shù)設(shè)計(jì)需結(jié)合環(huán)件尺寸與合金特性。

2.2.1軋制設(shè)備與核心參數(shù)

徑軸向軋制設(shè)備由驅(qū)動(dòng)輥、芯輥、上/下錐輥及導(dǎo)向輥組成（文獻(xiàn)3），驅(qū)動(dòng)輥主動(dòng)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)環(huán)件運(yùn)動(dòng)，芯輥徑向進(jìn)給實(shí)現(xiàn)壁厚減薄，上/下錐輥軸向進(jìn)給控制環(huán)件高度。典型鈦合金環(huán)鍛件的軋制參數(shù)如表4所示：

注：定心力為導(dǎo)向輥對(duì)環(huán)件的抱緊力占環(huán)件徑向剛度的百分比，主軋階段需較高定心力保證環(huán)件圓度，減速成圓階段降低定心力以消除橢圓。

2.2.2軋制曲線設(shè)計(jì)：以工業(yè)純鈦大型薄壁環(huán)為例

大型薄壁鈦環(huán)（壁厚≤70mm）軋制易出現(xiàn)“橢圓、波浪變形”，文獻(xiàn)5設(shè)計(jì)了“初軋-主軋-減速成圓”三段式軋制曲線（圖1）：

初軋階段：芯輥進(jìn)給速度2~3mm/s，定心力15%~20%，主要消除環(huán)坯橢圓與壁厚差，軋制力緩慢上升至800~1000kN；

主軋階段：芯輥進(jìn)給速度提升至5~7mm/s，定心力降至10%~15%，實(shí)現(xiàn)快速壁厚減薄（從162mm減至68mm），軋制力穩(wěn)定在1200~1500kN；

減速成圓階段：芯輥進(jìn)給速度降至1~2mm/s，定心力逐漸降至5%以下，通過(guò)導(dǎo)向輥微調(diào)環(huán)件圓度，最終橢圓度≤5mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.3有限元模擬在軋制工藝優(yōu)化中的應(yīng)用

隨著數(shù)字化技術(shù)發(fā)展，有限元模擬已成為軋制工藝優(yōu)化的重要工具。文獻(xiàn)3總結(jié)了近年來(lái)的模擬應(yīng)用成果：

金屬流動(dòng)模擬：采用Deform-3D軟件模擬TC6環(huán)件軋制過(guò)程，發(fā)現(xiàn)兩相區(qū)（930℃）軋制時(shí)，金屬?gòu)较蛄鲃?dòng)均勻性優(yōu)于近β區(qū)（950℃），可減少孔型填充不滿缺陷；

溫度場(chǎng)模擬：潘剡等對(duì)Φ9m超大型環(huán)件進(jìn)行RARR模擬，發(fā)現(xiàn)芯輥進(jìn)給速度每增加1mm/s，環(huán)件溫度升高5~8℃，需通過(guò)冷卻系統(tǒng)控制溫度不超過(guò)相變點(diǎn)；

應(yīng)變場(chǎng)模擬：Liang等建立外凹槽截面環(huán)件熱力耦合模型，通過(guò)響應(yīng)面法優(yōu)化毛坯尺寸，使截面填充率從85%提升至98%。

2.3熱處理工藝：組織調(diào)控與性能定型

熱處理的核心是通過(guò)控制α相的析出與長(zhǎng)大，優(yōu)化環(huán)鍛件的力學(xué)性能。不同鈦合金的熱處理制度需根據(jù)目標(biāo)性能設(shè)計(jì)。

2.3.1TA15與TC6的退火工藝

TA15與TC6環(huán)鍛件主要用于航空結(jié)構(gòu)件，需通過(guò)退火消除鍛造應(yīng)力，穩(wěn)定組織：

TA15退火：820℃×2h空冷（文獻(xiàn)1），該工藝可使等軸α相含量保持在30%~40%，β轉(zhuǎn)變組織均勻分布，室溫強(qiáng)度≥950MPa，沖擊韌性≥55J/cm2；

TC6退火：870℃×1.5h→爐冷至650℃×2h空冷（文獻(xiàn)2），該工藝可使近β區(qū)軋制的網(wǎng)籃組織中，條狀α相細(xì)化至5~8μm，與兩相區(qū)軋制的等軸組織力學(xué)性能持平（σb≈955MPa，δ5≈16%）。

2.3.2TC4的退火溫度對(duì)沖擊韌性的調(diào)控

TC4環(huán)鍛件的沖擊韌性對(duì)退火溫度敏感，文獻(xiàn)4通過(guò)對(duì)比700℃、750℃、800℃、850℃四種退火溫度（均保溫1h空冷），揭示其調(diào)控機(jī)制：

組織演化：700℃退火時(shí)，次生α相呈彌散小島狀（直徑2~3μm）；隨溫度升高，次生α相逐漸連接成網(wǎng)狀，850℃時(shí)網(wǎng)狀厚度達(dá)8~10μm，與初生α相形成交互結(jié)構(gòu)；

沖擊韌性變化：沖擊功（αkv2）從700℃的22J/cm2升至850℃的45J/cm2，提升幅度達(dá)104%，原因是網(wǎng)狀次生α相使裂紋擴(kuò)展路徑曲折（圖2），分枝增多，消耗更多能量；

斷口特征：700℃退火斷口韌窩稀疏（直徑5~10μm），850℃時(shí)韌窩數(shù)量增加，且大韌窩周圍分布小韌窩（直徑2~5μm），呈典型韌性斷裂特征。

2.3.1工業(yè)純鈦的消除應(yīng)力退火

工業(yè)純鈦大型薄壁環(huán)因軋制后殘余應(yīng)力較大，需進(jìn)行低溫退火（文獻(xiàn)5）：

工藝參數(shù)：600±10℃保溫4h，爐冷至300℃以下空冷；

作用效果：殘余應(yīng)力消除率≥80%，環(huán)件圓度誤差從軋制后的8mm降至5mm以下，且晶粒尺寸保持在50~80μm，避免晶粒粗大導(dǎo)致塑性下降。

3、鈦合金環(huán)鍛件組織演化規(guī)律與性能調(diào)控機(jī)制

鈦合金環(huán)鍛件的“工藝-組織-性能”關(guān)系是核心科學(xué)問題，不同成形工藝通過(guò)改變?chǔ)料嗟男螒B(tài)、尺寸與分布，最終影響力學(xué)性能。本節(jié)基于文獻(xiàn)1、2、4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，揭示典型鈦合金的組織演化規(guī)律與性能調(diào)控機(jī)制。

3.1TA15鈦合金：兩相區(qū)成形的等軸組織與中溫性能

TA15在α+β兩相區(qū)（945℃）成形時(shí)，組織演化分為三個(gè)階段（文獻(xiàn)1）：

鍛造階段：原始β晶粒在變形作用下破碎，形成不連續(xù)的β晶界，同時(shí)初生α相（黑色）沿晶界與晶內(nèi)析出，呈球狀（直徑5~10μm）；

鍛后空冷階段：殘余β相（白色）分解為片狀次生α相，形成“等軸初生α+β轉(zhuǎn)變組織”（圖3a），其中初生α相含量約35%~40%；

退火階段：820℃退火使次生α相進(jìn)一步細(xì)化，β轉(zhuǎn)變組織均勻性提升，消除鍛造應(yīng)力。

該組織的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

室溫性能：等軸初生α相阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使σb≥950MPa；同時(shí)，β轉(zhuǎn)變組織提供塑性，ψ≥48%，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)塑匹配”；

中溫性能：500℃時(shí)，β轉(zhuǎn)變組織中的次生α相穩(wěn)定性高，σb≥650MPa，440MPa載荷下100h未斷，滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的中溫持久要求。

3.2TC6鈦合金：雙溫成形的組織差異與性能趨同

TC6在兩相區(qū)（930℃）與近β區(qū)（950℃）成形的組織差異顯著，但力學(xué)性能相近（文獻(xiàn)2），其機(jī)制如下：

3.2.1組織演化差異

兩相區(qū)（930℃）：變形時(shí)，初生α相（直徑8~12μm）與β相同時(shí)發(fā)生塑性變形，沿金屬流動(dòng)方向被拉長(zhǎng)后再結(jié)晶，形成等軸α+β組織（圖3b），無(wú)連續(xù)原始β晶界；

近β區(qū)（950℃）：變形時(shí)，原始β晶粒部分長(zhǎng)大（直徑50~80μm），動(dòng)態(tài)析出條狀α相（長(zhǎng)度20~30μm），鍛后空冷使條狀α相扭曲，形成網(wǎng)籃狀組織（圖3c），原始β晶界輪廓模糊。

3.2.2力學(xué)性能趨同機(jī)制

盡管組織形態(tài)不同，但兩種工藝的室溫與高溫力學(xué)性能差異較小（表5）：

原因在于：

強(qiáng)度貢獻(xiàn)：兩相區(qū)的等軸α相與近β區(qū)的條狀α相，均通過(guò)“位錯(cuò)阻礙”機(jī)制提供強(qiáng)度，且兩種組織的α相體積分?jǐn)?shù)相近（30%~35%）；

塑性補(bǔ)償：兩相區(qū)的等軸組織因α相球化，塑性（δ5）更優(yōu)；近β區(qū)的網(wǎng)籃組織因條狀α相交叉分布，面縮率（ψ）更高，實(shí)現(xiàn)塑性補(bǔ)償；

斷裂韌性：網(wǎng)籃組織中，條狀α相使裂紋擴(kuò)展路徑更曲折，斷裂韌性比等軸組織高4.5%，更適用于抗斷裂要求高的場(chǎng)景。

3.3TC4鈦合金：退火溫度對(duì)沖擊韌性的調(diào)控機(jī)制

TC4的沖擊韌性主要由次生α相的形態(tài)控制（文獻(xiàn)4），其核心機(jī)制如下：

裂紋萌生階段：初生α相（直徑10~25μm）可阻礙裂紋萌生，因初生α相顆粒越多，裂紋萌生所需能量越高；700℃退火時(shí)，次生α相彌散分布，對(duì)裂紋萌生的阻礙作用弱，沖擊功較低；

裂紋擴(kuò)展階段：隨退火溫度升高，次生α相形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，裂紋擴(kuò)展時(shí)需繞過(guò)網(wǎng)狀α相，路徑長(zhǎng)度增加（圖4）；850℃時(shí)，裂紋擴(kuò)展路徑比700℃時(shí)增加60%以上，消耗更多沖擊能量；

斷口演化：低退火溫度（700℃）時(shí)，斷口以“解理面+少量韌窩”為主，呈準(zhǔn)解理斷裂；高退火溫度（850℃）時(shí)，斷口布滿韌窩，呈典型韌性斷裂，沖擊功顯著提升。

3.4工業(yè)純鈦：軋制與熱處理的晶粒控制

工業(yè)純鈦大型薄壁環(huán)的塑性與尺寸穩(wěn)定性依賴晶粒均勻性（文獻(xiàn)5）：

軋制細(xì)化晶粒：軋制過(guò)程中，變形量≥70%時(shí)，原始晶粒（直徑100~150μm）被破碎為50~80μm，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶使晶粒尺寸均勻；

熱處理穩(wěn)定晶粒：600℃退火時(shí)，晶粒無(wú)明顯長(zhǎng)大（≤90μm），且位錯(cuò)密度降低，殘余應(yīng)力消除，環(huán)件的塑性（δ5≥20%）與尺寸穩(wěn)定性（圓度誤差≤5mm）均滿足要求。

4、鈦合金環(huán)鍛件常見缺陷與控制策略

鈦合金環(huán)鍛件成形過(guò)程中，因材料特性與工藝參數(shù)不當(dāng)，易產(chǎn)生外部缺陷（如孔型填充不滿、橢圓）與內(nèi)部缺陷（如晶粒粗大、氧化裂紋）。本節(jié)基于文獻(xiàn)3、5的研究，分析缺陷成因并提出控制策略。

4.1外部缺陷：孔型填充不滿與橢圓變形

4.1.1孔型填充不滿

孔型填充不滿是異形截面環(huán)鍛件的典型缺陷，分為“始終未充滿”與“后期分離”兩種類型（文獻(xiàn)3），成因與控制策略如下：

成因：

毛坯尺寸不合理：如凹槽截面環(huán)件的毛坯徑向尺寸不足，導(dǎo)致金屬無(wú)法填充凹槽；

金屬流動(dòng)不均：軋制時(shí)徑向流動(dòng)速度低于軸向流動(dòng)速度，使孔型處金屬不足；

芯輥進(jìn)給速度過(guò)快：導(dǎo)致環(huán)件溫度升高，β相增多，金屬流動(dòng)性下降。

控制策略：

優(yōu)化毛坯尺寸：采用響應(yīng)面法設(shè)計(jì)毛坯，如斜I截面環(huán)件的毛坯徑向尺寸需比設(shè)計(jì)值大5%~8%（文獻(xiàn)3）；

調(diào)整軋制參數(shù)：芯輥進(jìn)給速度降低1~2mm/s，延長(zhǎng)金屬填充時(shí)間；同時(shí)，上/下錐輥軸向壓下量增加2~3mm，促進(jìn)金屬?gòu)较蛄鲃?dòng)；

填充順序優(yōu)化：先填充難成形區(qū)域（如凹槽、臺(tái)階），再填充易成形區(qū)域，如錐形法蘭環(huán)件需先填充錐形面，再填充法蘭面（文獻(xiàn)3）。

4.1.2橢圓變形

橢圓變形在大型薄壁環(huán)鍛件中尤為突出（文獻(xiàn)5），成因與控制策略：

成因：

軋制時(shí)定心力不足：導(dǎo)向輥對(duì)環(huán)件的抱緊力不夠，環(huán)件旋轉(zhuǎn)時(shí)徑向偏移；

芯輥進(jìn)給不均：芯輥兩側(cè)進(jìn)給速度差異＞0.5mm/s，導(dǎo)致環(huán)件壁厚不均；

環(huán)件剛性不足：薄壁環(huán)件（壁厚/外徑＜0.03）在軋制力作用下易變形。

控制策略：

分段控制定心力：初軋階段定心力15%~20%，主軋階段10%~15%，減速成圓階段5%~8%，確保環(huán)件旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定；

芯輥進(jìn)給同步性：采用伺服控制系統(tǒng)，使芯輥兩側(cè)進(jìn)給速度差異≤0.2mm/s；

增加支撐裝置：在軋制薄壁環(huán)件時(shí)，增加徑向支撐輥，提高環(huán)件剛性，減少變形。

4.2內(nèi)部缺陷：晶粒粗大與氧化裂紋

4.2.1晶粒粗大

晶粒粗大會(huì)導(dǎo)致環(huán)鍛件塑性與沖擊韌性下降，成因與控制策略（文獻(xiàn)3、5）：

成因：

加熱溫度過(guò)高：如TC6近β區(qū)軋制溫度超過(guò)960℃，β晶粒長(zhǎng)大至100μm以上；

保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)：TA15制坯保溫超過(guò)150min，初生α相粗化至15μm以上；

變形量不足：軋制變形量＜50%，無(wú)法破碎原始晶粒。

控制策略：

嚴(yán)格控制加熱溫度：TA15制坯溫度≤950℃，TC6近β區(qū)溫度≤955℃，工業(yè)純鈦軋制溫度≤900℃；

優(yōu)化保溫時(shí)間：根據(jù)坯料尺寸，保溫時(shí)間=（坯料直徑/100）×60min（如Φ140mm坯料保溫84min）；

保證變形量：制坯變形量≥60%，軋制變形量≥70%，通過(guò)多火次變形破碎晶粒。

4.2.2氧化裂紋

鈦合金高溫易氧化，形成硬脆的氧化層（TiO?），在變形時(shí)易產(chǎn)生裂紋（文獻(xiàn)5），成因與控制策略：

成因：

加熱時(shí)無(wú)防氧化措施：氧擴(kuò)散進(jìn)入鈦基體，形成厚度＞5μm的氧化層；

鍛后冷卻過(guò)快：氧化層與基體熱膨脹系數(shù)差異大，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致裂紋；

變形時(shí)氧化層未去除：制坯后氧化層未磨削，軋制時(shí)氧化層破碎并引發(fā)基體裂紋。

控制策略：

涂覆防氧化涂料：制坯與軋制前，在坯料表面涂覆Al?O?-SiO?涂料，氧化層厚度可控制在＜2μm；

分段冷卻：鍛后先空冷至500℃，再緩冷至室溫，減少熱應(yīng)力；

中間清理：制坯后磨削表面氧化層（去除厚度≥0.5mm），再進(jìn)行軋制。

5、總結(jié)與展望

5.1核心結(jié)論

材料-工藝匹配體系：TA15需在β相變點(diǎn)下20~40℃（940~960℃）成形，獲得等軸α+β組織，滿足中溫性能要求；TC6近β區(qū)（950℃）成形可降低變形抗力，且力學(xué)性能與兩相區(qū)成形持平；TC4通過(guò)800~850℃退火，可使沖擊韌性提升至45J/cm2以上；工業(yè)純鈦需涂防氧化涂料，分段加熱至980℃制坯，確保薄壁環(huán)成形。

成形工藝優(yōu)化方向：制坯需重點(diǎn)控制加熱速度與輔具預(yù)熱，避免氧化與降溫；軋制采用“初軋慢-主軋快-減速成圓”曲線，定心力分段調(diào)整，確保尺寸精度；熱處理需根據(jù)目標(biāo)性能設(shè)計(jì)，如TA15的820℃退火、TC4的850℃退火。

組織-性能調(diào)控機(jī)制：等軸α相主導(dǎo)強(qiáng)度與塑性平衡，網(wǎng)籃狀組織提升斷裂韌性，網(wǎng)狀次生α相延長(zhǎng)裂紋路徑；通過(guò)控制α相的形態(tài)（球狀、條狀、網(wǎng)狀）與尺寸（5~10μm），可實(shí)現(xiàn)鈦合金環(huán)鍛件的性能定制。

缺陷控制關(guān)鍵技術(shù)：孔型填充不滿需優(yōu)化毛坯尺寸與填充順序，橢圓變形需控制定心力與芯輥同步性，晶粒粗大需嚴(yán)格控制加熱溫度與變形量，氧化裂紋需涂防氧化涂料并中間清理。

5.2未來(lái)展望

復(fù)雜異形截面環(huán)鍛件技術(shù)突破：針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的“L型、臺(tái)階型”復(fù)雜截面，需開發(fā)“制坯-軋制-熱處理”一體化工藝，結(jié)合有限元模擬預(yù)測(cè)金屬流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)近凈成形。

微觀組織數(shù)字化模擬：當(dāng)前有限元模擬多聚焦宏觀成形，未來(lái)需發(fā)展微觀組織模擬技術(shù)，如基于晶體塑性理論，預(yù)測(cè)軋制過(guò)程中α相的形核、長(zhǎng)大與分布，實(shí)現(xiàn)“形性一體化”調(diào)控。

智能化軋制裝備開發(fā)：開發(fā)具備“溫度-應(yīng)力-組織”實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的智能軋環(huán)機(jī)，通過(guò)AI算法動(dòng)態(tài)調(diào)整軋制參數(shù)（如芯輥進(jìn)給速度、定心力），減少人為干預(yù)，提高產(chǎn)品一致性。

新型鈦合金環(huán)鍛件研發(fā)：針對(duì)風(fēng)電、核電領(lǐng)域的需求，研發(fā)耐疲勞鈦合金（如Ti-6Al-4V-ELI）、耐蝕鈦合金（如Ti-32Mo）的環(huán)鍛件，拓展鈦合金環(huán)鍛件的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)

[1]楊洪濤，何劍雄，譚勇，等.TA15鈦合金環(huán)形鍛件組織與性能的研究[J].鍛壓技術(shù)，2005(Z1):137-139.

[2]楊洪濤，何劍雄，譚勇，等.TC6鈦合金環(huán)形鍛件組織與性能的研究[J].宇航材料工藝，2005(4):52-54.

[3]李兆通，李亮，景財(cái)年，等。大型環(huán)鍛件軋制研究現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2021,56(6):31-37.

[4]都海剛，檀雯，岳旭，等。退火溫度對(duì)TC4鈦合金薄壁環(huán)材沖擊韌性的影響[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017(20):62-63.

[5]郭銳濤，張素芳，張廣威，等。大型薄壁鈦環(huán)成形工藝[J].大型鑄鍛件，2016(1):52-53.

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