TA15鈦合金鍛件環形鍛件組織與性能的研究

1、引言

鈦合金同其他金屬材料相比，具有強度高、中溫性能好，抗腐蝕性能好等優點，在航空、航天、化工和船舶等工業部門得到越來越廣泛的應用。TAl5鈦合金名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo一1V，其主要強化機制是α穩定元素A1的固溶強化，加入中性元素Zr和β穩定元素Mo和V可以改善工藝性。該合金的Al當量為6.58%，Mo當量為2.46％，屬于高Al當量的近α型鈦合金，所以它既具有α型鈦合金良好的熱強性和可焊性，又具有接近于α+β型鈦合金的工藝塑性。本文在α+β兩相區成形了TA15鈦合金環形鍛件，并對其組織、性能進行了分析。

2、試驗材料及方法

2.1試驗用材料

試驗用材料為經3次真空自耗熔煉的TAl5鈦棒，規格為Φ140mm，狀態為退火態，原材料化學成分見表1。

原材料低倍組織致密，無清晰晶粒，其低倍組織如圖1a所示。原材料顯微組織為均勻的等軸兩相組織，所有原始β界已充分破碎，顯微組織如圖1b所示。棒材室溫力學性能見表2。

棒材高溫力學性能見表3。

2.2試驗方法

用金相法測定試驗用棒材的相變點，β轉變溫度為970℃～980℃。試驗時變形溫度選定為945℃，低于相變點，即在α+β兩相區進行變形。

環形件鍛造工藝過程為：坯料加熱保溫120min，鐓餅、沖孔、擴孔、整形，鍛成外徑為Φ425mm，內徑為Φ350mm的環形件，終鍛溫度大于850℃，鍛后空冷。鍛件冷卻后需對鍛件進行退火處理，退火工藝為：820℃×2h，空冷。隨后對鍛件的組織和性能進行了分析。

3、試驗結果及分析

3.1鍛件組織

鈦鍛件低倍組織均勻、致密，無明顯的清晰晶粒，也無其他肉眼可見的冶金缺陷，符合鈦合金鍛件低倍組織評級圖片1級。鍛件低倍組織如圖2a所示。

鍛件顯微組織為均勻的等軸兩相組織，無連續的原始β晶界，顯微組織符合顯微組織評級圖片3級。鍛件高倍組織如圖2b所示。

從鍛件的顯微組織可以看出，由于環形鍛件的變形溫度選擇在α+β兩相區，低于β轉變溫度，因此組織中存在初生的α相(圖2b中黑色部分)。在變形后的空冷過程中，又有α相在盧相(圖2b中白色部分)基體上呈片狀析出，形成α+β相的混合組織。這種混合組織一般稱為盧轉變組織或轉變了的β相。所以TAl5合金在兩相區加熱變形所得組織是在等軸α相的基體上分布有一定數量的盧轉變組織的等軸組織，這種組織具有綜合性能較好，特別是塑性和沖擊韌性較高的特點。

3.2鍛件力學性能

鍛件退火狀態的室溫力學性能測試數據見表4。

鍛件退火態高溫力學性能測試數據見表5。

從鍛件力學性能結果可以看到，TAl5鈦合金鍛件具有良好的室溫和高溫強度。退火狀態下，室溫強度可在950MPa以上，500℃高溫強度在650MPa以上。TAl5合金在兩相區鍛造成形，能夠獲得均勻的等軸兩相組織，在該狀態下，TAl5合金具有良好的塑性、沖擊韌性和斷裂韌性。與原始鈦棒材相比，兩相區成形的環形鍛件室溫、高溫強度和塑性都有所提高，特別是面縮率皿有較大幅度的提高。因此，TAl5鈦合金在兩相區成形能夠獲得良好的綜合性能。同時，考慮到降低變形時的抗力，因此對TAl5鈦合金較合適的鍛造溫度可選擇在β相變點以下20℃----40℃。

4、結論

(1)TAl5鈦合金在兩相區成形可得到均勻的等軸口+盧轉變組織。

(2)TAl5鈦合金在兩相區成形的鍛件具有良好的綜合力學性能。

(3)p相變點以下20℃～40℃是TAl5鈦合金較理想的鍛造溫度。

參考文獻：

[1] 中國機械工程學會鍛壓學會．鍛壓手冊(第1卷，鍛造)[M]．北京：機械工業出版社，2002．

[2] 王金友，葛志明，周彥邦．航空用鈦合金[M]．上海：上?？茖W技術出版社，1985．

[3]《鍛壓技術手冊》編委會．鍛壓技術手冊[M]．北京：國防工業出版社，1989．

[4] 《中國航空材料手冊》編輯委員會．中國航空材料手冊(第4卷：鈦合金銅合金)[M]．北京：中國標準出版社，2002．

[5](美)布魯克斯(Brooks，C R)有丁夫，等譯．有色合金的熱處理、組織和性能[MJ．北京：冶金工業出版社，1988．

[6] 西北工業大學有色金屬鍛造編寫組．有色金屬鍛造[M]．北京：國防工業出版社，1979．