锻件作为工业领域的关键基础部件，广泛应用于石油天然气、航空航天、核电等高端装备制造领域。其性能直接决定了装备的可靠性、安全性与服役寿命，而材料选择、锻造工艺、热处理工艺及质量检测技术的协同优化，是保障锻件高性能的核心环节。随着深海、北极等极端环境资源开发及航空发动机推重比提升等需求的不断升级，对锻件的强度、韧性、疲劳性能等提出了更严苛的要求，推动着相关制造与检测技术的持续创新。
低合金钢与钛合金是当前高端锻件的主流材料。低合金钢凭借高强度、高韧性及低成本优势，成为石油天然气水下高压部件的首选；钛合金则以低密度、优异的耐腐蚀性和中温强度，在航空发动机叶盘等轻量化、高性能部件中不可或缺。两类材料的锻件性能均高度依赖锻造过程中的塑性变形调控与热处理过程中的显微组织优化，而超声波检验等无损检测技术则是确保锻件内部质量的关键手段。
本文基于四篇相关研究论文，系统整合了大型低合金钢锻件的制造与热处理工艺、钛合金锻件的锻造工艺对组织性能的影响、超声波检验在锻件质量控制中的应用，以及钛合金热处理工艺的优化方法。通过梳理材料特性、工艺参数与性能的关联规律，总结关键技术要点与发展趋势，为高端锻件的研发与生产提供理论参考和实践指导。
1、锻件材料及制造工艺基础
1.1 低合金钢大型锻件的制造流程
低合金钢大型锻件（如石油天然气用水下高压部件）的制造是一个多环节协同的复杂过程，主要包括炼钢、轧制、锻造、热处理及机械加工等步骤，各环节的质量控制直接影响最终锻件的性能。
炼钢环节需严格控制化学成分与纯净度，以满足低合金钢的强度与韧性需求。例如，用于深海环境的 AISI8630M 低合金钢，需通过精准调控碳、锰、镍、铬等元素含量，奠定材料的基础性能。轧制过程则通过塑性变形细化晶粒，改善材料的致密度，为后续锻造与热处理提供均匀的原始组织。
锻造是决定锻件形状与初步性能的关键工序，包括开式模锻、环件轧制等操作。锻造过程中，需严格控制变形温度（通常为 1100℃-1250℃）、变形量及变形速率，以实现晶粒的定向流动与细化。研究表明，锻造过程中的塑性变形程度直接影响锻件的各向异性：纵轴方向变形量越大，晶粒沿纵向流动越显著，导致纵向与横向机械性能差异越明显。此外，锻造后的冷却速率不均匀可能导致锻件壁厚方向形成非均匀组织，需通过后续热处理消除。
机械加工作为最终工序，需在保证尺寸精度的前提下，避免加工应力对锻件性能的负面影响。但由于大型锻件尺寸庞大、结构复杂，实时监测锻造与轧制过程中的参数（如温度、变形量）存在技术难点 —— 工业设备中难以安装直接测量装置，导致部分关键参数只能通过间接计算推导，增加了质量控制的不确定性。
1.2 钛合金锻件的材料特性与制造特点
钛合金锻件（如 TC17、TC4）因低密度（约 4.5g/cm³）、高比强度及优异的中温性能，在航空航天领域（如发动机叶盘）应用广泛。其制造工艺与低合金钢存在显著差异，核心在于利用钛合金的多相转变特性（α→β 相变）调控组织与性能。
TC17 钛合金是典型的 α+β 型钛合金，其（Mo+Cr）含量达 8%，中温强度显著高于 TC4 和 Ti-6242 合金，适合制造发动机风扇与压缩机叶盘。其化学成分（如 5.12Al、4.14Cr、4.06Mo）决定了 β 相变点（约 893℃），而锻造温度与该相变点的相对关系（高于或低于）是工艺设计的核心。例如，β 锻工艺是将坯料加热至 β 相变点以上（如 Tβ+25℃），通过完全奥氏体化（β 相）后的塑性变形获得均匀的网篮组织；近 β 锻则加热至 β 相变点以下（如 Tβ-20℃），保留部分初生 α 相，形成等轴 α+ 条状 α+β 的三态组织。
TC4 钛合金则常用于对强度与塑性平衡要求较高的部件，但其常规再结晶退火（780-800℃×1-3h 空冷）后常出现抗拉强度偏低的问题。研究表明，这与组织中等轴 α 相含量过高（约 65%）相关，需通过优化热处理工艺调整 α 相的数量、形态与分布，以提升强度。
2、热处理工艺对锻件性能的调控机制
2.1 低合金钢的热处理工艺
热处理是低合金钢大型锻件性能调控的 “最后一公里”，通过正火、淬火、回火的组合工艺，实现显微组织的优化与力学性能的平衡。
正火处理的核心作用是消除锻造后的组织不均匀性与各向异性。工艺过程为：将锻件加热至奥氏体化温度（900℃-950℃），保温至完全转变为面心立方结构的奥氏体，随后空冷至室温。此过程可细化锻造产生的粗晶粒（锻造温度 1100℃-1250℃易导致晶粒粗大），形成均匀的铁素体 - 珠光体组织。例如，AISI8630M 低合金钢经正火后，纵向与横向的冲击韧性差异可降低 30% 以上，显著改善各向异性。
淬火处理是提升强度的关键步骤，通过快速冷却促进奥氏体向亚稳态马氏体或贝氏体转变。工艺要点包括：将锻件重新加热至奥氏体范围（通常与正火温度接近），保温后迅速浸入淬火介质（油或水），控制冷却速率以避免珠光体等脆性组织生成。对于壁厚较大的大型锻件，需采用超大型淬火槽与精准的冷却系统，确保沿壁厚方向冷却均匀，避免开裂。研究表明，当冷却速率足够快时，AISI8630M 钢的奥氏体可完全转变为马氏体，抗拉强度可提升至 1000MPa 以上。
回火处理用于改善淬火马氏体的脆性，通过加热至 200℃-600℃并保温，使马氏体分解为回火马氏体（针状铁素体基体 + 碳化物沉淀）。回火温度与时间需根据锻件厚度与性能需求调整：厚度每增加 25mm，回火时间增加 1h；温度过高（如超过 600℃）会导致碳化物粗化，降低屈服强度与极限拉伸强度，而温度过低则韧性不足。例如，镍铬钼钢在 200℃回火时，屈服强度可达 900MPa，但冲击韧性仅为 20J；在 500℃回火时，屈服强度降至 750MPa，冲击韧性则提升至 60J，实现强度与韧性的平衡。
回火过程的显微组织演变可分为三个阶段：100-200℃时形成 ε- 碳化物（Fe₂.₄C）；200-350℃时残余奥氏体转变为铁素体与渗碳体混合物；250-750℃时生成 Fe₃C 或 M₃C 渗碳体，终止马氏体的体心四方性并降低内应力。需注意，回火最高温度需低于 Acl（奥氏体转变起始温度），避免二次奥氏体化。
2.2 钛合金的热处理工艺优化
钛合金的热处理工艺需结合其相变特性，通过固溶、时效或退火调整 α 相比例，实现性能调控。
TC17 钛合金的热处理需与锻造工艺匹配。β 锻件经 “800℃×4h 水淬 + 630℃×8h 空冷” 处理后，网篮组织中的条状 α 相均匀分布，断裂韧性可达 66.8MPa・m¹/²，满足发动机叶盘的抗疲劳需求；近 β 锻件虽经 “850℃×3h 空冷 + 800℃×4h 水淬 + 630℃×8h 空冷” 处理，强度与塑性略高，但断裂韧性仅 35.9MPa・m¹/²，无法承受极端工况下的冲击载荷。
TC4 钛合金的强化热处理针对常规退火后强度不足的问题，提出 “高温固溶 + 快速冷却 + 常规退火” 的组合工艺。实验表明，采用 “965℃×1h 水冷 + 780℃×3h 空冷” 工艺时，等轴 α 相含量从 65% 降至 30%，马氏体分解产生的细密碳化物均匀分布，抗拉强度从 815MPa 提升至 917MPa，延伸率保持在 15% 以上，同时 400℃热暴露 100h 后的持久性能仍满足技术要求（>105h）。其核心机制是：高温固溶促进 α 相溶解于 β 相，快速冷却（水冷）抑制 α 相析出，形成亚稳态马氏体；后续常规退火使马氏体分解为细小板条 α 相，在提升强度的同时保留塑性。
3、锻造工艺对钛合金锻件组织与性能的影响
3.1 锻造温度对 TC17 钛合金组织的调控
TC17 钛合金的锻造工艺中，温度是决定组织类型的核心参数，直接影响锻件的力学性能。β 锻与近 β 锻的对比实验揭示了温度对组织的调控规律：
近 β 锻：加热温度为 Tβ-20℃（约 873℃），变形量 40%，锻后水冷。此时部分 α 相未溶解，形成 “等轴 α+ 条状 α+β” 的三态组织，初生 α 相含量约 20%，沿原始晶界分布，晶粒尺寸较小且晶界破碎。这种组织使锻件在室温拉伸中表现出较高的强度（抗拉强度 1230MPa）与塑性（延伸率 17.2%），但断裂韧性偏低（35.9MPa・m¹/²），原因是初生 α 相的不连续分布导致裂纹易沿晶界扩展。
β 锻：加热温度为 Tβ+25℃（约 918℃），变形量 55%，锻后空冷。此时 α 相完全溶解，变形后形成均匀的网篮组织（条状 α 相交织分布），无明显晶界破碎。该组织虽室温强度（1184MPa）略低于近 β 锻，但断裂韧性显著提升（66.8MPa・m¹/²），且高温拉伸（400℃）与热稳定性能（400℃×100h）更优，完全满足发动机叶盘对疲劳与抗蠕变的要求。
3.2 变形量与冷却方式的协同作用
变形量与冷却方式通过影响晶粒细化与相变动力学，进一步调控 TC17 钛合金的性能。β 锻中 55% 的大变形量促进 β 相晶粒破碎，为空冷过程中条状 α 相的均匀析出提供更多形核点，形成细密的网篮结构；而近 β 锻 40% 的变形量较小，难以完全破碎原始晶粒，导致组织均匀性不足。
冷却方式的影响同样显著：β 锻后空冷使 β 相缓慢析出条状 α 相，避免了快速冷却导致的内应力集中；近 β 锻后水冷则抑制了部分 α 相析出，保留更多亚稳态 β 相，虽提升了强度，但也增加了组织应力，降低了断裂韧性。实验数据显示，β 锻件的高周疲劳强度（556.9MPa）虽低于近 β 锻（584.7MPa），但综合考虑断裂韧性与热稳定性，仍是发动机叶盘的最优选择。
4、超声波检验在锻件质量控制中的应用
4.1 超声波检验的技术优势与适用范围
超声波检验作为锻件内部缺陷检测的核心手段，具有穿透能力强（可检测壁厚 > 200mm 的锻件）、灵敏度高（可检出 φ0.8mm 的小缺陷）、定位精准（误差 < 1mm）及对环境要求低等优势，广泛应用于核电、石油化工等领域的锻件质量控制。
与其他无损检测方法相比，超声波检验更适合检测面积型缺陷（如裂纹、分层），而射线检验擅长体积型缺陷（如气孔），磁粉与液体渗透检验则仅适用于表面及近表面缺陷。对于大型锻件，超声波检验可覆盖从原材料到成品的全流程，尤其在调质热处理后进行，能有效检出锻造与热处理过程中产生的内部裂纹、夹杂等缺陷。
4.2 不同类型锻件的超声波检验方法
锻件的几何形状与锻造工艺决定了缺陷的取向与分布，需针对性设计检验方案：
1 型锻件（如人孔螺栓，1a 型为圆柱形，1b 型为矩形）：锻造以拔长为主，缺陷多平行于轴线，采用纵波直探头检测。对于直径较小（如 M48×527mm）的 1a 型锻件，需加装与工件曲率吻合的探头靴，确保耦合良好；长度过长时易产生侧壁干涉，可分段检测或增加斜探头轴向补充检验。
3 型锻件（如稳压器接管、法兰）：锻造经镦粗、冲孔、滚压，缺陷取向复杂，需结合纵波直探头与横波斜探头。当外内径之比≤1.6 时，必须进行周向斜射波检验；对于小直径接管（如 φ35×φ23mm），采用水浸聚焦探头（频率 5MHz，焦距 50mm）可减少声束发散，提升灵敏度。
4 型锻件（如封头本体）：锻造以镦粗为主，缺陷多平行于端面，需用直探头在平面扫查，并结合斜探头在四个方向进行斜射波检验，确保覆盖所有可能的缺陷取向。
4.3 检验过程的关键控制点
为保证检验可靠性，需严格控制以下环节：
时机选择：优先在调质热处理后、机加工（钻孔、开槽）前进行，避免加工对缺陷的掩盖；若因形状限制需提前检验，热处理后必须复探。
探头与试块匹配：曲率半径≤250mm 的锻件，需采用相同曲率的对比试块校准灵敏度；斜探头角度需根据锻件厚度调整，确保声束覆盖全截面。
耦合与干扰控制：接触法检验时，探头与工件间隙≤0.5mm，可修磨探头斜楔或选用小晶片探头；水浸法需控制水层厚度（如 28mm）与偏心距（如 4.8mm），减少界面反射干扰。
缺陷判定：除关注当量超标的缺陷外，需监测底波降低量（多个小缺陷可能导致底波衰减），避免漏判。
5、锻件制造技术的发展趋势
5.1 信息化与智能化技术的深度融合
计算机技术在锻件制造中的应用正从辅助工具向核心控制手段转变，主要体现在：
数据库与建模：建立材料成分 - 工艺参数 - 性能关联数据库，存储 CCT（连续冷却转变）、TTT（等温转变）曲线等关键信息，实现材料选择与工艺设计的快速优化。
过程仿真与预测：通过有限元模拟锻造变形、热处理相变过程，预测显微组织（如晶粒尺寸、相含量）与力学性能（如硬度、韧性），减少物理实验成本。例如，AISI8630M 钢的淬火冷却过程仿真可精准预测马氏体含量，误差 < 5%。
实时监控与反馈：结合固态传感器与物联网技术，实时采集锻造温度、淬火冷却速率等参数，通过算法动态调整工艺，实现闭环控制。
5.2 工艺创新与集成化生产
新型热处理技术：如等离子辅助表面硬化、激光表面合金化等，可在提升表面性能的同时减少对基体的影响；连续退火生产线的应用实现了热处理的高效化与批量化。
短流程制造：从铸钢到热处理的连续加工（如连铸 - 直接轧制 - 在线热处理）可减少工序间等待时间，降低氧化与脱碳风险，提升生产效率 30% 以上。
钛合金近净成形：结合近 β 锻造与精准热处理，实现叶盘等复杂件的少余量制造，材料利用率从传统工艺的 30% 提升至 60% 以上。
6、总结
本文系统梳理了低合金钢与钛合金锻件的制造工艺、性能调控及质量检测技术，核心结论如下：
低合金钢大型锻件的性能依赖于 “炼钢 - 锻造 - 热处理” 的全流程控制，正火细化晶粒、淬火提升强度、回火平衡韧性，三者的参数匹配是保障深海等极端环境服役性能的关键。
钛合金锻件的组织与性能受锻造温度（β 相转变点上下）、变形量与冷却方式协同调控：TC17 钛合金 β 锻的网篮组织综合性能最优，TC4 钛合金 “高温固溶 + 快速冷却 + 常规退火” 工艺可有效提升强度。
超声波检验需根据锻件类型（1 型、3 型、4 型）设计方案，控制时机、探头匹配与耦合质量，是检出内部缺陷的可靠手段。
未来发展趋势聚焦于信息化（计算机建模、实时监控）与工艺集成化（短流程、近净成形），推动锻件制造向高效、精准、低成本方向升级。
引用论文
[1] 闫利军，张小磊，赵玉琳，冀强，冯金龙。大型锻件材料及热处理工艺的研究与思考 [J]. 中文科技期刊数据库 (全文版) 工程技术，2021 (10):142-144.
[2] 翟婉妮。锻造工艺对钛合金锻件组织性能的影响 [J]. 冶金冶炼，2021 (14):19-20.
[3] 张杰。超声波检验在锻件质量控制中的应用 [J]. 中文科技期刊数据库 (引文版) 工程技术，2021:272-275.
[4] 孟祥康，周义刚，俞汉清，张幢毕，刘润农，绦好义。改善 TC4 钛合金锻件机械性能的热处理工艺 [J]. 金属热处理，1991 (1):48-49.
相关链接
