工藝參數組合對TA7鈦合金拉伸性能的影響

姚澤坤，孫紅蘭，張東亞，郭鴻鎮，魏壽庸，車安達

(1．西北工業大學材料學院，陜西 西安 710072;2．寶雞有色金屬加工廠，陜西 寶雞 721014;3．江西景航航空鍛鑄有限公司，江西 景德鎮 333437)

0 引言

TA7合金是一種中等強度的單相α型鈦合金，含有5%鋁和2.5%錫，可用以制造機匣殼體、壁板、緊固件等零件。該合金長期工作溫度可達500℃，短時工作溫度可達800℃。低間隙雜質元素的TA7ELI合金適合于低溫下使用，生產的半成品有板材、棒材、餅材和環形件等，還可用于生產鑄件［1，2］。該合金成形時變形抗力大，在α相區成形時塑性差，不能用于冷成形，不能通過熱處理強化，通常在退火狀態下使用，其室溫和高溫下具有良好的斷裂韌度［2］。

在材料成分確定的情況下，變形參數是影響鈦合金鍛件顯微組織和力學性能的主要因素［3］。本文主要研究了鍛造時毛坯加熱溫度、應變速率、變形量等參數的變化對TA7鈦合金室溫拉伸性能和顯微組織的影響，分析了不同參數組合變形后試樣斷口形貌，為優化該合金的成形工藝參數提供實驗依據。

1 原材料及實驗方法

本實驗用原材料為寶鈦公司提供的Φ20 mm直徑TA7鈦合金棒材，用金相法測得相變點為1035℃，原始組織為分布均勻的沿軋制方向拉長的α相，如圖1所示。

圖1 TA7鈦合金棒材顯微組織Fig.1 Microstructure of TA7 titanium alloy rod

近等溫鍛造試驗在6300 kN四柱液壓機上進行，該設備配備有自動采集數據系統，應變速率等工藝參數可準確控制。考慮到實驗工作量和結果的代表性，本次實驗按擬水平正交法設計的參數及水平見表1，擬水平正交實驗安排如表2所示。試樣在標準熱處理后進行了室溫拉伸性能測試，結果見表2。

2 擬水平正交實驗方差分析結果

根據表2所列擬水平正交實驗變形試樣所得的室溫拉伸測試結果，通過計算可得抗拉強度、斷面收縮率的方差分析結果，分別見表3和表4。

抗拉強度的方差分析結果 (表3)表明，在確定的水平下，因素C(變形量)影響顯著，因素B(應變速率)影響顯著性次之，因素A(坯料加熱溫度)影響顯著性不明顯。

表1 擬水平正交表Table 1 Imitating-level orthogonal test list

表2 正交實驗結果Table 2 Results of orthogonal test

表3 抗拉強度的方差分析Table 3 Variance analysis results of tensile strength

斷面收縮率的方差分析結果 (表4)表明，因素A和因素B的影響同樣最顯著，而因素C影響顯著。綜合上述方差分析的結果，確定TA7熱變形的最優方案為A4B2C3，即坯料加熱溫度1040℃，應變速率0.05 s－1，變形量50%。

圖2 兩種匹配參數變形后TA7鈦合金試樣的組織Fig.2 Microstructure of TA7 titanium alloy sample after deformation with two sets of matched parameters

表4 斷面收縮率的方差分析Table 4 Variance analysis results of reduction rate at cross section

從圖2a和圖2b的對比可以看出，變形時的應變速率相同，而變形溫度升高后，顯微組織中的初生α明顯長大，這時大變形導致的晶格畸變能的增加又促使細小的再結晶α顆粒生成，最終形成典型的雙套組織［4］，此試樣的抗拉強度為947.5 MPa，斷面收縮率為37.3%。而在較低的溫度小變形時，因沒有足夠的能量使得少量的再結晶顆粒長大，破碎的顆粒和再結晶出的顆粒很難分清，初生α長大成為小概率事件，所以α顆粒的大小較均勻，試樣的抗拉強度962.5 MPa，斷面收縮率43.5%，均比具有雙套組織的試樣的指標稍高，說明TA7鈦合金在相變點上下溫度，區間鍛造對室溫拉伸性能影響不大。在此實驗中還發現，采用相對較高的應變速率在相變點下溫度區間變形時對提高塑性是有利的，但強度略有降低。相反，以較低應變速率在相變點下溫度區間變形的試樣有較好的綜合性能。

顯微組織不同，必然引起拉伸試樣斷口形貌的差異。對比相同應變速率和變形量，而變形溫度不同的試樣的斷口宏、微觀形貌可以看出，變形溫度低的試樣因為α顆粒的大小相差不大，拉伸斷面 (圖3a)有明顯的裂紋源區、擴展區和剪切唇;微觀形貌可以看到許多尺寸相差不大的韌窩，少數稍大的韌窩較深，韌窩與韌窩之間的的撕裂峰比較明顯，說明材料經過了較長時間的塑性變形，是典型性的韌性斷口。而變形溫度高的試樣，拉伸斷口 (圖3b)沒有明顯的纖維區、放射區、剪切區，但斷口表面高低不平，這是由于雙套組織中初生α顆粒較大造成的;微觀形貌呈現明顯的魚鱗狀，說明拉伸時斷裂發生在原子密排面，也說明在較高溫度下以低的應變速率變形時將獲得大顆粒較多的雙套組織。

圖3 不同參數變形的試樣的拉伸斷口形貌Fig.3 Features of sample stretched fracture surface of deformation with different parameters

對比鍛造溫度和變形量相同而應變速率不同時的試樣拉伸斷口宏、微觀形貌可以看出，以較高的應變速率變形的試樣的拉伸宏觀斷口較平直，也有明顯的放射區;從微觀形貌可以看到韌窩很淺且底部平坦 (圖3c)，屬混合斷裂特征。說明應變速率的增大，變形過程中發生的再結晶顆粒來不及長大，被破碎的初生α顆粒也缺乏長大的能量，在大顆粒的端部還可以看到幾個不規則形狀小顆粒拉脫后的痕跡，說明在高于相變點溫度以高的應變速率變形時將獲得小顆粒較多的雙套組織。

3 結論

(1) 在 980℃ ～1040℃、0.001 ～0.05s－1和30%～50%范圍內對TA7鈦合金擬水平正交實驗結果及方差分析結果表明，獲得較優匹配的拉伸性能的工藝參數組合為:坯料加熱溫度1040℃，應變速率0.05 s－1，變形量50%。

(2)TA7鈦合金在高于相變點溫度始鍛易獲得尺寸稍大的初生α和尺寸小的再結晶α混合的雙套組織，斷口形貌表明具有這種組織的試樣在拉伸時α顆粒易在原子密排面被拉脫。

［1］ 李成功，馬濟民，鄧炬．中國材料工程大典，第四卷有色金屬材料工程 (上) ［M］．北京:化學工業出版社，2005，523－527．

［2］ 孫紅蘭，姚澤坤等．TA7鈦合金不同鐓粗條件下的缺陷形成的研究 ［J］．熱加工工藝，2011，(3):81－83．

［3］ 《有色金屬及其熱處理》編寫組．有色金屬及其熱處理［M］．北京:國防工業出版社，1981:287－296．

［4］ 王韋其，周婭莉，改善TA7合金鍛件低倍組織與高溫性能的研究 ［J］．稀有金屬，1997，(21):188－190．