變形量對TC18鈦合金力學性能的影響

沙愛學，李興無，王慶如

（北京航空材料研究院，北京100095）

TC18鈦合金名稱成分是Ti－5Al－5Mo－5V－1Cr－1Fe，按名稱成分計算的Mo當量為12.8，是典型的近β型鈦合金。該合金具有良好的熱加工性、焊接性、淬透性和可熱處理強化性［1－4］。TC18鈦合金退火后的強度與TC4，TC6等鈦合金固溶時效狀態下的強度相當，在1080MPa以上，是退火狀態下強度最高的鈦合金［5］。TC18鈦合金在國內外多個型號的飛機上獲得廣泛應用，被用于制造機身、起落架等部位的大型重要承力構件，滿足了先進航空飛行器對結構減重的迫切需要。

影響TC18鈦合金（模）鍛件力學性能和顯微組織的鍛造工藝參數主要包括鍛造前加熱溫度、保溫時間、變形量、應變速率等［6－11］。文獻［12－14］中詳細介紹了加熱溫度、保溫時間等工藝參數對TC18鈦合金力學性能和顯微組織的影響，但關于變形量與該合金力學性能關系的研究還鮮見報導，其中的一個重要原因是采用傳統鐓餅實驗獲得的鍛件低倍組織不均勻、性能數據分散性大，很難建立變形量與鍛件力學性能的定量關系。本工作采用一種專門用于鈦合金鍛造工藝參數定量研究的專利技術［15］，較為系統地研究了（區變形量對TC18鈦合金顯微組織和關鍵力學性能的影響，建立了變形量與TC18鈦合金關鍵力學性能的定量關系，研究結果對制定TC18鈦合金大型模鍛件生產工藝具有重要的指導意義。

1 實驗材料及方法

原材料為TC18鈦合金φ170mm棒材，爐號為548－20070088，棒材顯微組織如圖1所示，為典型的等軸組織。原材料化學成分（質量分數／%）為：Al 5.5，Mo 5.18，V 4.95，Cr 0.98，Fe 0.98，C 0.01，N 0.0046，H 0.0039，O 0.1，其余為Ti，相變點 Tβ＝880℃。將改鍛后的坯料放在具有專利技術的專用模具內一次成形獲得3個變形量，分別為10%，35%和65%。模鍛前加熱溫度為Tβ＋25℃，鍛后按統一的雙重退火制度對模鍛件進行熱處理：825℃，2h，爐冷至750℃，2h，AC＋620℃，4h，AC。熱處理后從鍛件上切取坯料并加工成d0＝5mm，L0＝25mm的標準拉伸試樣。拉伸實驗在Instron－4507型萬能實驗機上進行，屈服前應變速率為0.00025～0.0025s－1，測定試樣的σb，σ0.2，δ5和ψ 。對拉斷試樣螺紋根部（未變形區）進行顯微組織SEM相分析，取樣方向為橫向。SEM相分析在JSM－5800型掃描電鏡上進行。

2 實驗結果及分析

圖1 TC18鈦合金φ170mm棒材顯微組織Fig.1 Microstructure of TC18alloy bar ofφ170mm

表1給出了不同變形量下TC18鈦合金模鍛件主要力學性能測試結果。由表可見，變形量對合金強度影響不大，主要是影響合金塑性和斷裂韌度。變形量與TC18鈦合金伸長率、斷面收縮率和斷裂韌度的對應關系見圖2。由圖2可見，在選定的實驗溫度下，變形量與伸長率、斷面收縮率和斷裂韌度均呈良好的線性關系：變形量ε每增加10%，伸長率提高0.7%左右；斷面收縮率提高4%左右；斷裂韌度下降3MPa·m1／2左右，通過控制變形量可以在較寬的范圍內調整TC18鈦合金的塑性和韌性。

表1 不同變形量下TC18鈦合金鍛件主要力學性能Table1 Mechanical properties of TC18alloy under different deforming amount

圖2 TC18鈦合金β區變形量與關鍵力學性能的對應關系（a）ε和δ5之間關系；（b）ε和ψ之間關系；（c）ε和KIC之間關系Fig.2 Mechanical properties of TC18alloy under different deforming amount when forged inβfield（a）relationship betweenεandδ5；（b）relationship betweenεandψ；（c）relationship betweenεand KIC

圖3給出了三種典型變形量下的顯微組織照片。由圖3（a）可見，由于變形量小，屬臨界變形量范圍，顯微組織中保留了較多的晶界平直α相，對應合金塑性偏低；由圖3（b）可見，變形量達到35%時，原始β晶粒得到了充分破碎，晶界α相變得曲折斷續，此時合金塑性與斷裂韌度匹配較好；由圖3（c）可見，變形量達到65%時，原始β晶粒沿變形方向被明顯拉長，部分原始β晶粒發生了再結晶，不難預見這種組織有良好的塑性。由圖2還可以看出，變形量主要影響原始β晶粒尺寸和晶界α相形態，對晶內α相形態影響不大。由于是單相區變形，晶內α相均呈短片狀。

圖3 TC18鈦合金不同β區變形量下的顯微組織（a）ε＝10%；（b）ε＝35%；（c）ε＝65%Fig.3 Microstructures of TC18alloy under different deforming amount when forged inβfield（a）ε＝10%；（b）ε＝35%；（c）ε＝65%

3 討論

以往研究鈦合金鍛造工藝參數的實驗方法主要有3種：（1）熱模擬實驗 熱模擬是研究各類金屬在不同變形條件下應力－應變行為的基礎實驗方法。通過設定不同的加熱溫度、應變速率、變形量等工藝參數，可獲得金屬在拉伸或壓縮過程中的應力－應變曲線。但由于熱模擬試樣尺寸小，熱模擬后通常只能進行顯微組織和硬度分析，無法切取拉伸、沖擊、斷裂等力學性能試樣，因此不能有效建立起“工藝－組織－性能”三者對應關系。（2）鐓餅實驗 鐓餅實驗是最常用的研究鍛造參數與鍛件力學性能關系的實驗方法。在對新合金進行鍛造工藝研究或對已有合金進行工藝優化時，通常采用該方法。鐓餅實驗方法的要點是：先切取同樣大小的實驗坯料，然后按不同的工藝對坯料進行鐓粗變形，通過從餅坯上切取力學性能試樣建立起“工藝－組織－性能”對應關系。但鐓粗變形存在明顯的區域不均勻性，在餅坯截面上同時存在變形死區、大變形區及自由變形區，不同區域上組織性能都有很大差異。取樣位置不當很容易造成力學性能實驗結果分散性大，嚴重時甚至會誤導模鍛工藝制定。（3）模鍛實驗該方法是直接采用現成的模具來研究鍛造工藝參數對鍛件性能的影響。這種方法得到的實驗結果能夠代表合金在不同鍛造工藝下的真實性能水平，但由于飛機上的鍛件多為高筋薄壁結構形式，變形量很難精確計算，因此無法定量研究變形量對鍛件力學性能的影響。

本工作采用新的實驗方法研究了模鍛變形量在10%～65%范圍內變化時TC18鈦合金力學性能的變化規律，獲得了規律性很強的研究結果。從研究結果看，合金強度隨變形量變化不大，均在1150MPa左右，因此想通過增加模鍛變形量來提高合金強度是比較困難的。這可能是因為對于TC18鈦合金而言，其抗拉強度主要通過熱處理過程中從亞穩定β相中析出細小彌散的次生α相來保證，前期研究結果表明，第二級退火每降低10℃，TC18鈦合金抗拉強度可提高20MPa左右。

模鍛變形量對合金的塑性和斷裂韌度有顯著影響，但二者隨變形量的變化規律是相反的。要想提高合金的伸長率和斷面收縮率應盡量增加模鍛時的變形量，使原始β晶粒得到充分破碎，晶界α相曲折斷續分布；要想提高合金的斷裂韌度應盡量減少模鍛時的變形量，保留較多的晶界平直α相，增加裂紋在基體中擴展時路徑的曲折程度。要想獲得塑性與斷裂韌度的合理匹配，將模鍛時單相區變形量控制在35%左右是比較合理的，此時TC18鈦合金抗拉強度σb可達到1155MPa，伸長率δ5可達到14.4%，斷面收縮率ψ可達到35.4%，斷裂韌度KIC（T－L向）可達到90.41MPa·m1／2。

4 結論

（1）模鍛時β區變形量對TC18鈦合金抗拉強度影響不大，但對塑性和韌性指標有顯著影響。

（2）變形量每增加10%，伸長率可提高0.7%左右，斷面收縮率提高4%左右，斷裂韌度下降3MPa·m1／2左右。

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