閔新華，紀(jì)仁峰

(寶鋼特鋼有限公司，上海 200940)

鍛造工藝對(duì)TA15鈦合金扁坯組織和力學(xué)性能的影響

閔新華，紀(jì)仁峰

(寶鋼特鋼有限公司，上海 200940)

采用4種不同鍛造工藝對(duì)TA15鈦合金棒材進(jìn)行熱加工鍛造，得到規(guī)格為80 mm×150 mm×L的扁坯，對(duì)扁坯進(jìn)行800 ℃×1 h熱處理。研究了加工工藝對(duì)其顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，采用一次鍛造(溫度T1)/慢冷+二次鍛造(溫度T2)/快冷的工藝，鍛出的TA15鈦合金扁坯組織中初生α相含量約為10%，基體上具有較多的細(xì)小針狀組織。用該工藝加工的TA15鈦合金，其力學(xué)性能較其他工藝的高，橫向和縱向性能差異較小，是一種性能比較優(yōu)良的框鍛件生產(chǎn)用坯料。

TA15鈦合金；扁坯；鍛造工藝；組織演變

0 引 言

TA15(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)鈦合金是與前蘇聯(lián)BT20鈦合金相似的一種近α型鈦合金，具有較高的比強(qiáng)度、抗蠕變性、耐腐蝕性以及良好的焊接性能，廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)中。如在前蘇聯(lián)第三代先進(jìn)殲擊機(jī)上，單機(jī)BT20鈦合金毛坯用量占鈦合金毛坯總用量的70%左右，主要應(yīng)用在中央翼下壁板、承力框和進(jìn)氣道格柵防護(hù)罩等關(guān)鍵零件上。我國(guó)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始研制TA15鈦合金，并且取得了不錯(cuò)的研究成果[1-2]。

寶鋼特鋼有限公司承擔(dān)了某TA15鈦合金大型框模鍛件的研制課題。該鍛件是將TA15鈦合金扁坯通過(guò)等溫模鍛方式加工而成。一般認(rèn)為，TA15鈦合金屬于高Al當(dāng)量的近α型鈦合金，其強(qiáng)化機(jī)制主要是Al及其他元素的固溶強(qiáng)化，不能通過(guò)熱處理的方法進(jìn)行強(qiáng)化[3-6]，所以成品的性能主要取決于坯料的熱加工過(guò)程。因此，該模鍛件所用扁坯的綜合性能要求達(dá)到終鍛件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。本研究采用不同工藝鍛造TA15鈦合金扁坯，考察鍛造工藝對(duì)扁坯組織和力學(xué)性能的影響，為制定扁坯鍛造工藝提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

選用快鍛機(jī)自由鍛造的TA15鈦合金圓棒(φ300 mm)為坯料,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:Al 6.37%,Zr 2.17%,Mo 1.45%,V 2.15%，Ti余量。相變點(diǎn)為990～995 ℃。由于棒材直徑比較大，在自由鍛造過(guò)程中存在變形死區(qū)，因此組織存在不均勻現(xiàn)象。圖1為T(mén)A15鈦合金棒材的典型顯微組織。該組織為層狀(α+β)基體上分布著球狀初生α相的雙態(tài)組織。

圖1 TA15鈦合金圓棒的顯微組織Fig.1 Microstructure of TA15 titanium alloy bar

設(shè)計(jì)4種鍛造工藝(見(jiàn)表1)，將TA15鈦合金棒材在2000T鍛機(jī)上進(jìn)行熱鍛，得到規(guī)格為80 mm×150 mm×L的扁坯。分別沿扁坯橫向及縱向截取拉伸試樣和持久試樣，沿扁坯橫向截取金相試樣。對(duì)金相試樣和力學(xué)性能試樣進(jìn)行800 ℃×1 h熱處理。

金相試樣打磨拋光后，采用V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶3∶7的腐蝕液進(jìn)行腐蝕。采用DSX100型光學(xué)顯微鏡觀察其顯微組織。室溫和高溫力學(xué)性能試驗(yàn)分別按照GB/T 228.1—2010和GB/T 4338—2006標(biāo)準(zhǔn)要求，采用ZWICK-Z150型拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸為φ10 mm×55 mm，屈服前和屈服后應(yīng)變速率分別為0.002 5、0.008 s-1。持久性能按照GB/T 2039—2012標(biāo)準(zhǔn)要求，采用CSS-3903電子式持久試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸為φ5 mm×62 mm。

表1 TA15鈦合金扁坯的鍛造工藝方案

注：T1

2 結(jié)果與分析

2.1 鍛造工藝對(duì)TA15鈦合金扁坯組織的影響

圖2為4種工藝鍛造的TA15鈦合金扁坯的顯微組織。從圖2可以看出，二次鍛造的冷卻速度對(duì)組織的影響非常明顯。兩種慢冷工藝得到的組織(圖2a、c)均為球狀初生α相和層狀(α+β)基體組成的雙態(tài)組織[7]，兩種快冷工藝得到的組織(圖2b、d)為初生α相+β基體上分布非常細(xì)小的針狀次生α相，此種組織具有明顯馬氏體特征。

圖2 不同工藝鍛造的TA15鈦合金扁坯的顯微組織Fig.2 Microstructures of TA15 titanium alloy flat bar by different forging processes

鍛造工藝對(duì)扁坯組織影響非常明顯。二次鍛造溫度為T(mén)1+慢冷的工藝，得到的扁坯組織中的α相粗大，球化程度低于T2+慢冷的工藝。這是因?yàn)楹辖鸬摩料嗲蚧饕Q于變形條件，隨著變形溫度的提高，合金球化程度增加[8]。二次鍛造溫度為T(mén)2+快冷的工藝(1-4工藝)，得到的扁坯組織中的α相含量較低，約為10%，明顯少于1-2工藝，而基體上的針狀組織含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1-2工藝。這是因?yàn)?-4的二次鍛造溫度高于1-2，接近β相轉(zhuǎn)變溫度，大量初生α相發(fā)生溶解，因此在快速冷卻后得以保留的α相數(shù)量較少；在快速冷卻過(guò)程中，大量β相來(lái)不及完成β→α相的完全轉(zhuǎn)變，形成了一種針狀的過(guò)渡相，此種相可能是斜方馬氏體α′相。

2.2 鍛造工藝對(duì)TA15鈦合金扁坯力學(xué)性能的影響

表2為經(jīng)4種工藝鍛造的TA15鈦合金扁坯的力學(xué)性能。從表2可以看出，四種工藝得到的扁坯的力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。快冷工藝的橫向及縱向室溫性能均高于慢冷工藝。相比之下，1-4工藝的室溫和高溫力學(xué)性能均高于其他工藝，塑性、沖擊性能稍低于其他工藝。

表2 不同工藝鍛造的TA15鈦合金扁坯力學(xué)性能

注：高溫強(qiáng)度試驗(yàn)溫度為500 ℃；τ為持久時(shí)間，持久試驗(yàn)溫度為500 ℃,持久應(yīng)力為470 MPa。

鈦合金力學(xué)性能的變化，在很大程度上是由β→α轉(zhuǎn)變過(guò)程決定[9-10]。表2中，慢冷工藝的強(qiáng)度和塑性基本低于快冷工藝，這可能是因?yàn)樵诳焖倮鋮s過(guò)程中形成了類(lèi)似于馬氏體的針狀組織，此種組織具有更高的強(qiáng)度和硬度；此外，快速冷卻也導(dǎo)致合金晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，因此塑性也較慢冷工藝有所提高。對(duì)于1-2和1-4兩種快冷工藝來(lái)說(shuō)，1-4工藝的強(qiáng)度要高于1-2工藝，這是因?yàn)橛捎?-4工藝的鍛造溫度高，導(dǎo)致初生α相含量少，在快速冷卻過(guò)程中β相大量轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧罱M織，所以1-4快冷工藝的強(qiáng)度要高于1-2工藝。

綜上所述，雖然4種工藝生產(chǎn)出的扁坯的綜合性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但1-4工藝鍛造的扁坯力學(xué)性能最優(yōu)(見(jiàn)表2)，組織也滿足鍛件對(duì)坯料的要求。由于最終鍛件是作為承力件使用，強(qiáng)度越高越好，所以綜上考慮選擇1-4工藝作為生產(chǎn)框鍛件用扁坯的最佳工藝。

3 結(jié) 論

采用一次鍛造(溫度T1)/慢冷+二次鍛造(溫度T2)/快冷的熱加工工藝生產(chǎn)出的TA15鈦合金扁坯組織中，初生α相含量約10%，β基體上分布大量針狀組織。采用該工藝加工的TA15鈦合金扁坯，其力學(xué)性能較其他工藝的高，橫縱向性能差異也較小，是一種性能比較優(yōu)良的框鍛件生產(chǎn)用坯料。

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Effect of Forging Process on Microstructure and Mechanical Properties of TA15 Titanium Alloy Slab

Min Xinhua,Ji Renfeng

(Baoshan Steel Corporation,Shanghai 200940,China)

TA15 titanium alloy bars were forged by four kinds of different forging processes, and the 80 mm×150 mm×Lslabs were obtained. The effect of forging process on microstructure and mechanical properties of TA15 titanium alloy slabs after heat treatment of 800 ℃×1 h was investigated. The results show that, adopting the first isothermal-forging processing at temperature ofT1with slow cooling plus the second isothermal-forging processing at temperature ofT2with quick cooling, the content of primaryαphase in microstructure of slab is about 10%, and lots of thin aciculate phases are found in the matrix. The mechanical properties of the slab are best among all the forging processes. The difference between transverse properties and longitudinal properties are small. This process is a good way to produce TA15 titanium slab for frame forgings.

TA15 titanium alloy; slab;forging process;microstructure;mechanical properties

2016-06-21

閔新華(1974—)，女，高級(jí)工程師。

TG316

A

1009-9964(2016)06-0036-04