超大規格TA15鈦合金棒材鍛造工藝研究

安耀輝，高 博，馬 龍，岳 旭，于海慧

(1.寶鈦集團有限公司，陜西 寶雞 721014)

(2.國核寶鈦鋯業股份公司，陜西 寶雞 721013)

0 引言

TA15鈦合金是一種綜合性能優良的中強鈦合金，室溫強度較Ti-6Al-4V(TC4)合金高30～50 MPa，且具有較好的加工性能，可用于生產薄板、厚板、型材、棒材、鍛件、模鍛件和線材等產品。該合金焊接性能良好，可與其他鈦合金互焊，用于制作飛機大型焊接結構——隔框等大型構件，焊縫的強度系數可達0.90～0.95。

由于φ400 mm的TA15鈦合金棒材尺寸規格較大，因此在鍛造及冷卻過程中，容易造成棒材變形不均勻及溫度不均勻，從而導致棒材邊部及心部的組織不均勻，最終使φ400 mm TA15鈦合金棒材的性能不均勻［1］。為此，研究了不同鍛造工藝鍛制的大規格TA15鈦合金棒材的組織及性能［2］，探索能夠滿足使用要求的大尺寸TA15鈦合金棒材的生產工藝。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗用的鑄錠為10 t真空自耗電弧爐三次熔煉批量化生產的φ940 mm TA15鈦合金鑄錠。為了消除因化學成分差異引起的組織差異，在鑄錠頭部和尾部取樣進行化學成分分析，在批量鑄錠中選取鑄錠間成分差異較小且同一個鑄錠頭尾成分均勻的3個鑄錠(鑄錠的化學成分見表1)，進行工藝試驗。

表1 φ940 mm TA15鈦合金鑄錠化學成分(w/%)Table 1 Chemical compositions of φ940 mm TA15 titanium ingots

1.2 實驗方案

在φ300 mm TA15鈦合金棒材鍛造工藝的基礎上，確定了制備φ400 mm TA15鈦合金棒材的3種工藝方案，具體方案如表2所示。3種鍛造方案除鑄錠開坯的變形方式不同外，其他的工藝參數均相同。

表2 超大規格TA15鈦合金棒材鍛造方案Table 2 Forging processes of super large-sized TA15 titanium alloy bars

TA15鈦合金棒材的鍛造在3150 t水壓機和2500 t快鍛機上進行。在3種工藝鍛制的成品棒材的邊部、1/2R處和心部切取橫向試樣。試樣經800℃×2 h/AC熱處理［3］后，在蔡司金相顯微鏡上進行顯微組織觀察，在拉伸試驗機上進行室溫力學性能測試。采用CTS－23B型超深波探傷儀(探頭為5Pφ14平探頭，耦合劑為機油)用接觸法分別對3種鍛造工藝獲得的 φ400 mm TA15鈦合金棒材進行超聲波檢驗。

圖1 經3種工藝鍛制的TA15鈦合金棒材的低倍組織照片Fig.1 Macrostructures of TA15 titanium alloy bars produced by three different forging processes

2 結果與討論

2.1 3種工藝方案制備的棒材的低倍組織

圖1為經3種工藝鍛制的φ400 mm TA15鈦合金棒材的低倍組織照片。

從圖1可以看出，經方案3鍛制的TA15鈦合金棒材的低倍組織晶粒較為清晰，說明直接拔長變形量不足，晶粒未得到充分細化。經方案1與方案2鍛制的棒材低倍組織差別不大，經方案2鍛制的棒材低倍組織更細小、均勻。晶粒組織在β相區發生的變化服從金屬在變形時的一般變化規律，當變形量增加時，β晶粒的尺寸和形狀都會發生改變，還會發生初次再結晶，從而使晶粒細化［2］。方案2在相區的變形量最大，晶粒得到了充分細化，成品為細小的模糊晶。

2.2 3種工藝方案制備的棒材的顯微組織

圖2為經3種不同工藝鍛制的φ400 mm TA15鈦合金棒材邊部、1/2R處及心部橫向試樣經熱處理后的顯微組織金相照片。

圖2 3種工藝鍛制的TA15鈦合金棒材不同部位熱處理后的金相照片Fig.2 Microstructures in different positions of TA15 titanium alloy bars(annealed)produced by three different forging processes

從圖中可以看出，經3種方案鍛制的TA15鈦合金棒材晶粒尺寸有差別，經方案3鍛制的棒材晶粒尺寸相對較大，這與低倍組織是對應的。從鍛制變形后不同部位組織的均勻性來看，經方案1鍛制的棒材不同部位的組織有差異，邊部和心部的α相主要以等軸狀為主，而1/2R處存在較多拉長的α相。造成不同部位組織不均勻的原因是鐓粗產生了不均勻的塑性變形，采用一次鐓粗后拔長，不足以改善不同部位的組織不均勻性。方案3只采用拔長工藝進行開坯鍛造，相對鐓粗工藝變形較為均勻，因此經方案3鍛制的棒材顯微組織較為均勻，但由于變形量較小，晶粒尺寸較大。經方案2鍛制的棒材不同部位的顯微組織較為均勻，且α相為等軸狀，尺寸較經方案1和方案3鍛制棒材的α相小。這是因為方案2采用兩次鐓拔的工藝進行開坯鍛造，變形量較一次鐓拔大，且變形更加均勻，因此得到的φ400 mm TA15鈦合金棒材的顯微組織更加均勻細小［4］。

2.3 3種工藝方案制備的棒材的力學性能

圖3為3種工藝鍛制的TA15鈦合金棒材橫截面邊部、1/2R處及心部試樣熱處理后的室溫拉伸性能曲線。從圖3可以看出，除方案1的抗拉強度外，不同方案的棒材強度指標都有從邊部到心部逐漸降低的趨勢，而塑性指標變化不明顯。3種工藝方案鍛制的φ400 mm TA15鈦合金棒材力學性能均能達到項目要求值(Rm為930～1130 MPa，Rp0.2≥855 MPa，A≥9%，Z≥20%)，說明在兩相區變形量足夠的情況下，增加開坯鍛造的變形量對拉伸性能影響較小［5］，但增加開坯鍛造的變形量可以改善不同部位拉伸性能的一致性［4］。

圖3 經3種工藝鍛制的TA15鈦合金棒材熱處理后不同部位的力學性能Fig.3 Mechanical properties in different positions of TA15 titanium alloy bars(annealed)produced by three different forging processes

2.4 3種工藝方案制備的棒材的探傷水平

對3種工藝鍛制的φ400 mm TA15鈦合金棒材進行超聲波檢驗，結果見表3。從表3的探傷結果可以看出，經3種方案鍛制的棒材均未發現單顯超標，探傷結果較好。其中，方案2的雜波水平最低，方案3次之，方案1最高。說明組織均勻性對探傷雜波水平的影響較大，在組織均勻性相當的情況下，晶粒尺寸細小的棒材探傷水平更高。由于經方案2鍛造的棒材的組織均勻性更好且晶粒尺寸更加細小，因此雜波水平更低。

表3 經3種工藝鍛制的φ400 mm TA15鈦合金棒材的雜波水平Table 3 Flaw detection level of φ400 mm TA15 titanium alloy bars produced by three different forging processes

3 結論

在鑄錠開坯時通過兩次鐓拔變形，增加β相區的變形量，并在中間鍛造及成品鍛造使變形量分別大于40%和30%，再經800℃×2 h/AC的熱處理后，可以得到邊部、1/2R處及心部組織均勻細小的的φ400 mm TA15鈦合金棒材，且各項力學性能符合標準要求，探傷雜波水平可達φ3.2 mm －9 dB。

［1］Brun M，Anoshkin N，Shakhanova G.Physical processes and regimes of thermomechanical processing controlling development of regulated structure in the α + β titanium alloys［J］.Material Science and Engineering A，1998，243(1/2):77－81.

［2］王洋，尤逢海，朱景川，等.TA15鈦合金熱變形行為研究［J］.機械工程材料，2006，30(11):63－65，98.

［3］沙愛學，李興無，儲俊鵬.TA15鈦合金的普通退火［J］.稀有金屬，2003，27(1):213－215.

［4］儲俊鵬，張慶玲，李興無，等.普通退火對TA15合金拉伸性能的影響［J］.金屬學報，2002，38:81－83.

［5］曹京霞，方波，黃旭，等.微觀組織對TA15鈦合金力學性能的影響［J］.稀有金屬，2004，28(2):362－364.