沙愛學(xué)，李興無，王慶如

（北京航空材料研究院，北京100095）

TC18鈦合金名稱成分是Ti－5Al－5Mo－5V－1Cr－1Fe，按名稱成分計算的Mo當(dāng)量為12.8，是典型的近β型鈦合金。該合金具有良好的熱加工性、焊接性、淬透性和可熱處理強化性［1－4］。TC18鈦合金退火后的強度與TC4，TC6等鈦合金固溶時效狀態(tài)下的強度相當(dāng)，在1080MPa以上，是退火狀態(tài)下強度最高的鈦合金［5］。TC18鈦合金在國內(nèi)外多個型號的飛機上獲得廣泛應(yīng)用，被用于制造機身、起落架等部位的大型重要承力構(gòu)件，滿足了先進航空飛行器對結(jié)構(gòu)減重的迫切需要。

影響TC18鈦合金（模）鍛件力學(xué)性能和顯微組織的鍛造工藝參數(shù)主要包括鍛造前加熱溫度、保溫時間、變形量、應(yīng)變速率等［6－11］。文獻［12－14］中詳細(xì)介紹了加熱溫度、保溫時間等工藝參數(shù)對TC18鈦合金力學(xué)性能和顯微組織的影響，但關(guān)于變形量與該合金力學(xué)性能關(guān)系的研究還鮮見報導(dǎo)，其中的一個重要原因是采用傳統(tǒng)鐓餅實驗獲得的鍛件低倍組織不均勻、性能數(shù)據(jù)分散性大，很難建立變形量與鍛件力學(xué)性能的定量關(guān)系。本工作采用一種專門用于鈦合金鍛造工藝參數(shù)定量研究的專利技術(shù)［15］，較為系統(tǒng)地研究了（區(qū)變形量對TC18鈦合金顯微組織和關(guān)鍵力學(xué)性能的影響，建立了變形量與TC18鈦合金關(guān)鍵力學(xué)性能的定量關(guān)系，研究結(jié)果對制定TC18鈦合金大型模鍛件生產(chǎn)工藝具有重要的指導(dǎo)意義。

1 實驗材料及方法

原材料為TC18鈦合金φ170mm棒材，爐號為548－20070088，棒材顯微組織如圖1所示，為典型的等軸組織。原材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）為：Al 5.5，Mo 5.18，V 4.95，Cr 0.98，F(xiàn)e 0.98，C 0.01，N 0.0046，H 0.0039，O 0.1，其余為Ti，相變點 Tβ＝880℃。將改鍛后的坯料放在具有專利技術(shù)的專用模具內(nèi)一次成形獲得3個變形量，分別為10%，35%和65%。模鍛前加熱溫度為Tβ＋25℃，鍛后按統(tǒng)一的雙重退火制度對模鍛件進行熱處理：825℃，2h，爐冷至750℃，2h，AC＋620℃，4h，AC。熱處理后從鍛件上切取坯料并加工成d0＝5mm，L0＝25mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。拉伸實驗在Instron－4507型萬能實驗機上進行，屈服前應(yīng)變速率為0.00025～0.0025s－1，測定試樣的σb，σ0.2，δ5和ψ 。對拉斷試樣螺紋根部（未變形區(qū)）進行顯微組織SEM相分析，取樣方向為橫向。SEM相分析在JSM－5800型掃描電鏡上進行。

2 實驗結(jié)果及分析

圖1 TC18鈦合金φ170mm棒材顯微組織Fig.1 Microstructure of TC18alloy bar ofφ170mm

表1給出了不同變形量下TC18鈦合金模鍛件主要力學(xué)性能測試結(jié)果。由表可見，變形量對合金強度影響不大，主要是影響合金塑性和斷裂韌度。變形量與TC18鈦合金伸長率、斷面收縮率和斷裂韌度的對應(yīng)關(guān)系見圖2。由圖2可見，在選定的實驗溫度下，變形量與伸長率、斷面收縮率和斷裂韌度均呈良好的線性關(guān)系：變形量ε每增加10%，伸長率提高0.7%左右；斷面收縮率提高4%左右；斷裂韌度下降3MPa·m1／2左右，通過控制變形量可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)整TC18鈦合金的塑性和韌性。

表1 不同變形量下TC18鈦合金鍛件主要力學(xué)性能Table1 Mechanical properties of TC18alloy under different deforming amount

圖2 TC18鈦合金β區(qū)變形量與關(guān)鍵力學(xué)性能的對應(yīng)關(guān)系（a）ε和δ5之間關(guān)系；（b）ε和ψ之間關(guān)系；（c）ε和KIC之間關(guān)系Fig.2 Mechanical properties of TC18alloy under different deforming amount when forged inβfield（a）relationship betweenεandδ5；（b）relationship betweenεandψ；（c）relationship betweenεand KIC

圖3給出了三種典型變形量下的顯微組織照片。由圖3（a）可見，由于變形量小，屬臨界變形量范圍，顯微組織中保留了較多的晶界平直α相，對應(yīng)合金塑性偏低；由圖3（b）可見，變形量達到35%時，原始β晶粒得到了充分破碎，晶界α相變得曲折斷續(xù)，此時合金塑性與斷裂韌度匹配較好；由圖3（c）可見，變形量達到65%時，原始β晶粒沿變形方向被明顯拉長，部分原始β晶粒發(fā)生了再結(jié)晶，不難預(yù)見這種組織有良好的塑性。由圖2還可以看出，變形量主要影響原始β晶粒尺寸和晶界α相形態(tài)，對晶內(nèi)α相形態(tài)影響不大。由于是單相區(qū)變形，晶內(nèi)α相均呈短片狀。

圖3 TC18鈦合金不同β區(qū)變形量下的顯微組織（a）ε＝10%；（b）ε＝35%；（c）ε＝65%Fig.3 Microstructures of TC18alloy under different deforming amount when forged inβfield（a）ε＝10%；（b）ε＝35%；（c）ε＝65%

3 討論

以往研究鈦合金鍛造工藝參數(shù)的實驗方法主要有3種：（1）熱模擬實驗 熱模擬是研究各類金屬在不同變形條件下應(yīng)力－應(yīng)變行為的基礎(chǔ)實驗方法。通過設(shè)定不同的加熱溫度、應(yīng)變速率、變形量等工藝參數(shù)，可獲得金屬在拉伸或壓縮過程中的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。但由于熱模擬試樣尺寸小，熱模擬后通常只能進行顯微組織和硬度分析，無法切取拉伸、沖擊、斷裂等力學(xué)性能試樣，因此不能有效建立起“工藝－組織－性能”三者對應(yīng)關(guān)系。（2）鐓餅實驗 鐓餅實驗是最常用的研究鍛造參數(shù)與鍛件力學(xué)性能關(guān)系的實驗方法。在對新合金進行鍛造工藝研究或?qū)σ延泻辖疬M行工藝優(yōu)化時，通常采用該方法。鐓餅實驗方法的要點是：先切取同樣大小的實驗坯料，然后按不同的工藝對坯料進行鐓粗變形，通過從餅坯上切取力學(xué)性能試樣建立起“工藝－組織－性能”對應(yīng)關(guān)系。但鐓粗變形存在明顯的區(qū)域不均勻性，在餅坯截面上同時存在變形死區(qū)、大變形區(qū)及自由變形區(qū)，不同區(qū)域上組織性能都有很大差異。取樣位置不當(dāng)很容易造成力學(xué)性能實驗結(jié)果分散性大，嚴(yán)重時甚至?xí)`導(dǎo)模鍛工藝制定。（3）模鍛實驗該方法是直接采用現(xiàn)成的模具來研究鍛造工藝參數(shù)對鍛件性能的影響。這種方法得到的實驗結(jié)果能夠代表合金在不同鍛造工藝下的真實性能水平，但由于飛機上的鍛件多為高筋薄壁結(jié)構(gòu)形式，變形量很難精確計算，因此無法定量研究變形量對鍛件力學(xué)性能的影響。

本工作采用新的實驗方法研究了模鍛變形量在10%～65%范圍內(nèi)變化時TC18鈦合金力學(xué)性能的變化規(guī)律，獲得了規(guī)律性很強的研究結(jié)果。從研究結(jié)果看，合金強度隨變形量變化不大，均在1150MPa左右，因此想通過增加模鍛變形量來提高合金強度是比較困難的。這可能是因為對于TC18鈦合金而言，其抗拉強度主要通過熱處理過程中從亞穩(wěn)定β相中析出細(xì)小彌散的次生α相來保證，前期研究結(jié)果表明，第二級退火每降低10℃，TC18鈦合金抗拉強度可提高20MPa左右。

模鍛變形量對合金的塑性和斷裂韌度有顯著影響，但二者隨變形量的變化規(guī)律是相反的。要想提高合金的伸長率和斷面收縮率應(yīng)盡量增加模鍛時的變形量，使原始β晶粒得到充分破碎，晶界α相曲折斷續(xù)分布；要想提高合金的斷裂韌度應(yīng)盡量減少模鍛時的變形量，保留較多的晶界平直α相，增加裂紋在基體中擴展時路徑的曲折程度。要想獲得塑性與斷裂韌度的合理匹配，將模鍛時單相區(qū)變形量控制在35%左右是比較合理的，此時TC18鈦合金抗拉強度σb可達到1155MPa，伸長率δ5可達到14.4%，斷面收縮率ψ可達到35.4%，斷裂韌度KIC（T－L向）可達到90.41MPa·m1／2。

4 結(jié)論

（1）模鍛時β區(qū)變形量對TC18鈦合金抗拉強度影響不大，但對塑性和韌性指標(biāo)有顯著影響。

（2）變形量每增加10%，伸長率可提高0.7%左右，斷面收縮率提高4%左右，斷裂韌度下降3MPa·m1／2左右。

［1］FANNING J C，BOYER R R.Properties of TIMETAL 555－a new near－beta titanium alloy for airframe components［A］.Ti－2003Science and Technology［M］.Hamburg：DGM，2004.2643－2649.

［2］FROES F H，BOMBERGER H B.The beta titanium alloy［J］.Metals，1985，（7）：28－37.

［3］KUBIAK K，HADASIK E，SIENIAWSKI J，et al.Influence of microstructure on hot plasticity of Ti－6Al－4Vand Ti－5Al－5Mo－5V－1Cr－1Fe titanium alloys［A］.Ti－2003Science and Technology［C］.Hamburg：DGM，2004.371－376.

［4］POLKIN S，RODIONOV V L，STROSHKOV A N，et al.Structure and mechanical properties of VT22（α＋β）high strength titanium alloy semiproducts［A］.Titanium’92［M］.San Diego：TMS，1992.1569－1572.

［5］王金友，葛志明，周彥邦.航空用鈦合金［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985.106.WANG Jin－you，GE Zhi－ming，ZHOU Yan－bang.Titanium Alloys for Aeronautic［M］.Shanghai：Shanghai Science and Technology Press，1985.106.

［6］盛險峰，丁志文，朱益藩.變形及熱處理工藝對Ti－5Al－5Mo－5V－1Cr－1Fe合金顯微組織和力學(xué)性能的影響［J］.金屬學(xué)報，1999，35（Suppl 1）：S465－S468.SHENG Xian－feng，DING Zhi－wen，ZHU Yi－fan.The effects of deformation and heat treatment on the microstructure and properties of Ti－5Al－5Mo－5V－1Cr－1Fe titanium alloys［J］.Acta Metallurgica Sinica，1999，35（Suppl 1）：S465－S468.

［7］王新平，孟祥軍，劉茵琪.熱變形參數(shù)對亞穩(wěn)定β型鈦合金組織和性能的影響［J］.金屬學(xué)報，1999，35（Suppl 1）：S456－S459.WANG Xin－ping，MENG Xiang－jun，LIU Yin－qi.The effects of heat－deformation parameters on the microstructure and properties of beta titanium alloys［J］.Acta Metallurgica Sinica，1999，35（Suppl 1）：S456－S459.

［8］朱知壽，王慶如，鄭永靈，等.損傷容限型鈦合金新型β鍛造工藝［J］.中國有色金屬有色學(xué)報，2004，14（Suppl 3）：13－16.ZHU Zhi－shou，WANG Qing－ru，ZHENG Yong－ling，et al.A newβforging processing for damage tolerance titanium alloys［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2004，14（Suppl 3）：13－16.

［9］張慶玲，李興無，儲俊鵬，等.變形溫度對TA15合金組織的影響［J］.金屬學(xué)報，2002，38（Suppl 1）：S161－S163.ZHANG Qing－ling，LI Xing－wu，CHU Jun－peng，et al.The effect of upset deformation temperature on microstructure of TA15alloy［J］.Acta Metallurgica Sinica，2002，38（Suppl 1）：S161－S163.

［10］徐鋒，黃愛軍，李閣平，等.熱工藝對TC6鈦合金顯微組織的影響［J］.金屬學(xué)報，2002，38（Suppl 1）：S174－S177.XU Feng，HUANG Ai－jun，LI Ge－ping，et al.Effect of heat treatment on microstructure of TC6alloy［J］.Acta Metallurgica Sinica，2002，38（Suppl 1）：174－177.

［11］姚澤坤，郭鴻鎮(zhèn)，楊陳，等.熱力參數(shù)對Ti－17合金等溫鍛件顯微組織和力學(xué)性能的影響［J］.金屬學(xué)報，2002，38（Suppl 1）：S164－S167.YAO Ze－kun，GUO Hong－zhen，YANG Chen，et al.The effects of thermodynamic parameters on microstructure and mechanical properties of Ti－17alloy［J］.Acta Metallurgica Sinica，2002，38（Suppl 1）：S164－S167.

［12］沙愛學(xué)，李興無，王慶如.熱變形溫度對TC18鈦合金顯微組織和力學(xué)性能的影響［J］.中國有色金屬學(xué)報，2005，15（8）：1167－1171.SHA Ai－xue，LI Xing－wu，WANG Qing－ru.Influence of hot deformation temperature on microstructure and mechanical properties of TC18alloy［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2005，15（8）：1167－1171.

［13］沙愛學(xué)，李興無，曾衛(wèi)東，等.鈦合金β區(qū)加熱保溫時間的研究［J］.航空材料學(xué)報，2010，30（4）：8－11.SHA Ai－xue，LI Xing－wu，ZENG Wei－dong，et al.Study on holding time ofβzone heating of titanium alloy［J］.Journal of Aeronautical Materials，2010，30（4）：8－11.

［14］李紅恩，沙愛學(xué).TC18鈦合金熱壓參數(shù)對流動應(yīng)力與顯微組織的影響［J］.材料工程，2010，（1）：85－88.LI Hong－en，SHA Ai－xue.Effects of hot process parameters on flow stress and microstructures of TC18titanium alloy［J］.Journal of Materials Engineering，2010，（1）：85－88.

［15］沙愛學(xué)，李興無，王慶如，等.一種鈦合金鍛造工藝參數(shù)的實驗方法［P］.中國專利：ZL200810097522.2，2008－5－12 SHA Ai－xue，LI Xing－wu，WANG Qing－ru，et al.A testing method for forging process of titanium alloys［P］.China Patent：ZL200810097522.2，2008－5－12.