TA15鈦合金鍛件環(huán)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(qiáng)度高、中溫性能好，抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、化工和船舶等工業(yè)部門得到越來越廣泛的應(yīng)用。TAl5鈦合金名義成分為Ti-6.5Al-2Zr-1Mo一1V，其主要強(qiáng)化機(jī)制是α穩(wěn)定元素A1的固溶強(qiáng)化，加入中性元素Zr和β穩(wěn)定元素Mo和V可以改善工藝性。該合金的Al當(dāng)量為6.58%，Mo當(dāng)量為2.46％，屬于高Al當(dāng)量的近α型鈦合金，所以它既具有α型鈦合金良好的熱強(qiáng)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(qū)成形了TA15鈦合金環(huán)形鍛件，并對(duì)其組織、性能進(jìn)行了分析。

2、試驗(yàn)材料及方法

2.1試驗(yàn)用材料

試驗(yàn)用材料為經(jīng)3次真空自耗熔煉的TAl5鈦棒，規(guī)格為Φ140mm，狀態(tài)為退火態(tài)，原材料化學(xué)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(xué)性能見表2。

棒材高溫力學(xué)性能見表3。

2.2試驗(yàn)方法

用金相法測(cè)定試驗(yàn)用棒材的相變點(diǎn)，β轉(zhuǎn)變溫度為970℃～980℃。試驗(yàn)時(shí)變形溫度選定為945℃，低于相變點(diǎn)，即在α+β兩相區(qū)進(jìn)行變形。

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

3、試驗(yàn)結(jié)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(píng)級(jí)圖片1級(jí)。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(xù)的原始β晶界，顯微組織符合顯微組織評(píng)級(jí)圖片3級(jí)。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(huán)形鍛件的變形溫度選擇在α+β兩相區(qū)，低于β轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變組織或轉(zhuǎn)變了的β相。所以TAl5合金在兩相區(qū)加熱變形所得組織是在等軸α相的基體上分布有一定數(shù)量的盧轉(zhuǎn)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(diǎn)。

3.2鍛件力學(xué)性能

鍛件退火狀態(tài)的室溫力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)見表4。

鍛件退火態(tài)高溫力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)見表5。

從鍛件力學(xué)性能結(jié)果可以看到，TAl5鈦合金鍛件具有良好的室溫和高溫強(qiáng)度。退火狀態(tài)下，室溫強(qiáng)度可在950MPa以上，500℃高溫強(qiáng)度在650MPa以上。TAl5合金在兩相區(qū)鍛造成形，能夠獲得均勻的等軸兩相組織，在該狀態(tài)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(qū)成形的環(huán)形鍛件室溫、高溫強(qiáng)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(qū)成形能夠獲得良好的綜合性能。同時(shí)，考慮到降低變形時(shí)的抗力，因此對(duì)TAl5鈦合金較合適的鍛造溫度可選擇在β相變點(diǎn)以下20℃----40℃。

4、結(jié)論

(1)TAl5鈦合金在兩相區(qū)成形可得到均勻的等軸口+盧轉(zhuǎn)變組織。

(2)TAl5鈦合金在兩相區(qū)成形的鍛件具有良好的綜合力學(xué)性能。

(3)p相變點(diǎn)以下20℃～40℃是TAl5鈦合金較理想的鍛造溫度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鍛壓學(xué)會(huì)．鍛壓手冊(cè)(第1卷，鍛造)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002．

[2] 王金友，葛志明，周彥邦．航空用鈦合金[M]．上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985．

[3]《鍛壓技術(shù)手冊(cè)》編委會(huì)．鍛壓技術(shù)手冊(cè)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1989．

[4] 《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì)．中國(guó)航空材料手冊(cè)(第4卷：鈦合金銅合金)[M]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(yè)出版社，1988．

[6] 西北工業(yè)大學(xué)有色金屬鍛造編寫組．有色金屬鍛造[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979．