旋壓是將金屬板坯轉變為空心形狀的一種金屬變形過程。由于旋壓工藝具有成形力小、工裝簡單、材料利用率高、生產成本低、機械性能好等優勢，旋壓工藝越來越多地應用于航空、航天、武器、汽車等行業。Ti2AlNb合金錐體部件作為一種優良的高溫用輕合金，可用于航空發動機進氣道等部位。典型的Ti2AlNb基合金由O相(Ti2AlNb,Cmcm對稱結構)、bcc B2相(有序Pm3m對稱結構)/β相(無序結構)和hcp α2相(Ti3Al, DO19 P63/mmc對稱結構)組成。Ti2AlNb基合金的使用溫度為600-750℃，與Ni基合金相近，但密度比Ni基高溫合金低1/3。然而，Ti2AlNb基合金在熱加工過程中，其相組成、晶粒形貌和晶粒尺寸的演變相當復雜，Ti2AlNb基合金在室溫下的低延展性和較差的成形性限制了其在工業上的廣泛應用。對于難變形材料軸對稱空心件，熱旋壓是提高其成形性能和力學性能的有效成形工藝，而Ti2AlNb合金的自旋成形迄今尚無文獻報道。
哈爾濱工業大學的研究人員探討了Ti2AlNb合金的多道次剪切旋壓工藝，并設計了三種熱處理方案調節組織和力學性能。分析了Ti2AlNb基合金在剪切旋壓和熱處理過程中的組織演變及其對力學性能的影響。相關論文以題為“Process design and microstructure-property evolution during shear spinning of Ti2AlNb-based alloy”發表在Journal of Materials Science & Technology。
原料Ti2AlNb合金板材成分為Ti-22Al-24Nb-0.5Mo (at.%)，直徑為150mm。在950±30℃下進行旋壓實驗。采用三種不同的方案進行兩道次剪切旋壓和后處理，不同處理工藝如下所示。
表1 熱處理方案及顯微組織結構
研究發現第一、二道次旋壓后(SP1和SP2)的顯微組織主要由B2+殘余α2相組成。SP1和SP2的B2相含量分別為95%和91%，SP1的B2相在第一道次旋壓后伸長至200μm，寬度為30μm，第二道次旋壓后進一步縮小至10μm。由于粗條狀B2相滑移邊界不足，SP1和SP2的延伸率分別從650℃時的18.3%降至8.9%和12.5%，而SP1和SP2工件的抗拉強度分別增加到1163 MPa和932MPa，高于650℃時的782 MPa。兩道次剪切旋壓B2相織構演化為：
圖1 (a)剪切旋壓示意圖; (b) 2道次剪切旋壓過程示意圖; (c) Ti2AlNb合金剪切旋壓; (d)旋壓取樣位置示意圖
圖2 原始Ti2AlNb合金組織圖、BSE圖、TEM圖和衍射圖
圖3 不同滑移系下RD中B2相的Schmid因素包括{110}
圖4 不同滑移體系下ND中B2相的Schmid因子包括{110}
為了滿足后續道次剪切旋壓的要求，對SP1試樣進行了H3處理。在900℃時，SP1-H3的延伸率達到72.1%，組織為B2+粗大的初生O+針狀O+大量球化的α2相。根據使用要求，確定H1熱處理方案為960℃/2h的優化工藝，可使旋壓工件在650℃獲得良好的綜合力學性能，組織為B2+初生O+少量沿晶初生α2相。SP2-H1試件的抗彎強度和延伸率分別為934 MPa和15.1%。
由于初生件中存在大量粗大且轉變不充分的B2相，導致Ti2AlNb合金在高溫(>900℃)下的熱加工性能較差，難以實現不經道次間熱處理的連續多道次剪切旋壓工藝。為了提高Ti2AlNb合金多道次旋壓工藝的可旋性，在多道次剪切旋壓過程中，應采用960℃/2h+850℃/12h的H3方案作為道次間熱處理工藝。本文為Ti2AlNb合金軸對稱空心件的熱成形和應用提供了有效指導。（文：破風）