鍛造設備對TA15鈦合金顯微組織及性能的影響研究

王 哲，何 健，張 帥，劉程程，郭明輝

（1.陜西宏遠航空鍛造有限責任公司，陜西 咸陽 713801；2.北京星航機電裝備有限公司，北京 100074）

0 引言

鈦合金具有比強度高、耐蝕性好、良好的生物兼容性等優點被廣泛應用于航空、航天、船舶、醫療等領域[1-3]。TA15 鈦合金是一種高鋁當量近α 合金，名義成分Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，是我國科研人員在前蘇聯BT-20 基礎上改進而成[4-6]。該合金兼有α 型和α+β 型鈦合金的優點，如良好的熱加工性、熱強性和可焊接性，較高的室溫以及中溫強度，可在450～500 ℃長期使用，而被應用于整體隔框、進氣道格柵防護罩和中央翼下壁板等部件[7-8]。

航空結構鈦合金主要采用鍛造為主的成型方式，近α 及α+β 型鈦合金在α+β 相區鍛造獲得的雙態組織具有優異的綜合性能，其中變形量和變形溫度決定了初生α 相含量和體積分數，鍛造和熱處理冷卻方式決定了β 轉變組織的形態[9-10]。近些年，國內外對該合金進行了深入的研究，張旺峰研究了TA15 鈦合金大型鍛件退火溫度和保溫時間對室溫和500 ℃高溫拉伸性能的影響關系[11]；曹京霞通過比較兩個(α+β)兩相區軋制的TA15 鈦合金環形件的顯微組織和力學性能，分析了兩個環形件的工藝控制特征及微觀組織對力學性能的影響[12]；徐文臣采用熱模擬壓縮試驗研究了TA15 鈦合金的動態熱壓縮行為及其機理[13]；歐陽德來基于位錯理論探討了TA15 鈦合金在大應變條件下的加工硬化率曲線及動態再結晶行為[14]。

目前，鍛造設備主要分為液壓和錘壓兩種，液壓機采用近靜壓方式進行材料變形，而錘壓采用沖擊方式使材料獲得變形能，國內外針對兩種鍛造方式對TA15 鈦合金組織及力學性能影響關系的研究鮮有報道。該合金淬透深度僅為15～20 mm，鍛件表面與中心組織和性能差異較大[15]。筆者針對某TA15 鈦合金自由鍛件力學性能偏低的問題，采用Deform 軟件分別進行了TA15 鈦合金鍛件在液壓和錘擊兩種鍛造條件下的變形模擬，分析了不同變形參數下TA15 鈦合金顯微組織及力學性能的影響關系，為后續該類產品工藝設計提供理論依據。

1 試驗材料及方法

試驗采用寶鈦集團提供的經三次真空自耗電弧熔煉的TA15 鈦合金鑄錠，鑄錠經β 相區開坯和(α+β)相區鍛造成?200 mm 規格的棒材，化學成分見表1。該爐批[Mo]eq=3.39，[Al]eq=7.2，采用淬火金相法測得相變溫度995 ℃。

表1 TA15 鈦合金化學成分Table 1 Chemical compositions of TA15 titanium alloy%

圖1 為棒材顯微組織，可以看出，初生αp相分布于β 相基體上，初生αp相含量約55%，呈球狀或蠕蟲狀，形態均勻。

圖1 TA15 鈦合金棒材顯微組織Fig.1 Microstructure of TA15 titanium alloy bar

采用Deform 軟件對TA15 鈦合金不同鍛造設備變形過程進行模擬，并采用?200 mm 規格TA15鈦合金棒材在100 MN 油壓機及400 kJ 對擊錘進行鍛件生產，鍛后熱處理制度：850 ℃，2 h，AC，研究鍛造設備對其顯微組織及力學性能影響關系。具體模擬參數及鍛造工藝見表2。室溫拉伸試樣采用?13 mm×71 mm 標準拉伸試樣，在Instron 萬能試驗機上進行拉伸性能檢測。金相試樣經去除氧化層、預磨、拋光后，采用V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶2∶7 的Kroll 腐蝕液進行侵蝕，顯微組織觀察采用Leica DMI3000M 金相顯微鏡進行。

表2 TA15 鈦合金鍛件變形參數Table 2 The experiments conditions of TA15 titanium alloy forging deformation

2 結果與分析

2.1 采用Deform 模擬的TA15 鈦合金鍛件等效應變

圖2 為采用Deform 軟件的錘擊模塊和液壓模塊對TA15 鈦合金變形模擬后等效應變分布，TA15鈦合金等效應變分布可分為三個區域，難變形區、易變形區以及小變形區。在相同變形量條件下，鍛件的最大等效應變量差異較小。但三個區域等效應變分布特征不同，采用錘擊模塊進行模擬，鍛件大變形區靠近上模區域，而下模區域等效應變較小。采用液壓設備參數條件進行模擬，鍛件等效應變沿厚度方向呈對稱分布，上下表層為小變形區(等效應變≤0.1)，中心部位為大變形區(等效應變≥0.5)。

圖2 TA15 鈦合金不同鍛造設備條件Deform 模擬等效應變分布Fig.2 The deform simulate equivalent strain of TA15 titanium alloy at various deformation equipments

TA15 鈦合金在不同設備進行鍛造后等效應變分布特征不同，其主要原因在于，在液壓鍛造過程中，上下模具與鍛件持續接觸，鍛件與上下模具之間發生熱傳導現象，能量散失相同，因此等效應變沿厚度呈對稱分布。而采用錘擊設備進行鍛造，上模與鍛件進行短暫接觸后立即分開，而下模與鍛件持續接觸，靠近上模部位熱量散失較小，變形過程中等效應變較高，小變形區主要集中于靠近下模位置。

2.2 鍛造設備對TA15 鈦合金顯微組織的影響

圖3 為不同鍛造條件下TA15 鈦合金鍛件3D顯微組織。可以看出，顯微組織中球狀初生αp相和片狀α 相分布于β 相基體，初生αp相含量約25%，三個方向顯微組織差異較小。

圖3 不同鍛造設備條件下鍛件3D 顯微組織Fig.3 The 3 direction microstructure of TA15 titanium alloy at various deformation equipments

圖4 為不同鍛造設備條件下沿厚度方向不同等效應變區域顯微組織，為避免鍛造過程中由于模具溫度較低對鍛件產生冷模組織對性能分析的偏差，鍛件表層位置取樣在距離下模具20 mm 處進行，以及在鍛件沿厚度方向中心位置取樣。可以看出，經400 kJ 對擊錘進行鍛造后，表層20 mm 處(等效應變0.2)顯微組織片層α 相細小且雜亂排列(片層厚度約1.6 μm)；中心位置(等效應變0.5)片層α 相比表層片層α 相粗大(片層厚度約1.8 μm)；經100 MN油壓機進行鍛造后，靠近下模具表層20 mm 處(等效應變0.1)顯微組織球狀初生α 相較為細小，片層α 相細小且雜亂排列，但比400 kJ 對擊錘鍛造后鍛件表層20 mm 處的片層α 相粗(片層厚度約2.0 μm)；中心部位片層α 相比表層片層α 相粗大(片層厚度約2.6 μm)，與400 kJ 對擊錘顯微組織演變特征相同，呈短棒狀。

TA15 鈦合金經不同鍛造設備條件下生產的鍛件顯微組織中片層α 相形貌差異較大，其主要原因在于采用400 kJ 對擊錘進行鍛造，變形速率較快，溫降過程中析出的片層α 相僅發生動態回復過程，未發生長大現象[16]，形成細小雜亂的片層α 相組織(圖4a 和b)；而采用100 MN 油壓機進行鍛造，變形速率較低，變形過程中析出的片層α 相發生動態回復再結晶過程，變形速率越低，動態回復再結晶過程約充分[17]，形成排列整齊且粗大的片層α 相組織(圖4c 和d)。

TA15 鈦合金鍛件不同取樣位置顯微組織中片層α 相形貌差異較大，其主要原因在于，鈦合金在鍛造過程中由于溫降析出大量片層α 相，中心部位變形量較大(等效應變0.5)，片層α 相發生動態再結晶過程，片層α 相析出、長大，并且鍛后中心部位冷卻速率較慢，大量二次α 相析出并附著在片層α 相上并長大，因此在鍛件中心部位形成粗大的片層α 相組織。靠近模具位置在鍛造過程中冷卻速率較大，且變形量小(等效應變0.1)，鍛后冷卻較快，形成細小針狀片層α 相組織[18]。

2.3 鍛造設備對TA15 鈦合金鍛件力學性能的影響

表3 為不同鍛造設備條件下分別沿厚度方向不同位置取樣進行力學性能測試結果，由表3 可知，不同位置取樣的采用400 kJ 對擊錘進行鍛造的TA15鈦合金抗拉強度均高于100 MN 油壓機鍛造的鍛件。在同一鍛造設備上鍛造的鍛件其力學性能與取樣位置也有重要影響，采用400 kJ 對擊錘鍛造后鍛件抗拉強度可達991 MPa，而采用100 MN 油壓機鍛造后鍛件抗拉強度僅為965 MPa，鍛件表層抗拉強度比中心抗拉強度高約10 MPa。

表3 不同鍛造設備條件下不同取樣位置TA15 鈦合金鍛件力學性能Table 3 The mechanical properties of TA15 titanium alloy at various deformation equipments and sampling location

鈦合金α 與β 相界面的結合能較弱，微裂紋通常沿著α/β 相界面處擴展，當裂紋擴展方向與α/β相界面控制一致時，裂紋沿α/β 相界面方向擴展。細小的片層α 相存在大量α/β 相界面，為裂紋的萌生提供了大量裂紋形核源，降低了應力集中現象[19]。當顯微組織中大量α 相以片層組織形式存在，片層α 相集束的不同取向阻礙了裂紋擴展，當裂紋穿越集束邊界時改變方向，導致裂紋分叉和二次裂紋的萌生，這些過程均需消耗更多的能量[20]，因此400 kJ對擊錘鍛造后的TA15 鈦合金表面和心部均具有較高的強度，且表層位置強度比中心位置抗拉強度約高20 MPa。

3 結論

采用Deform 軟件對TA15 鈦合金液壓和錘擊兩種鍛造過程進行模擬以及采用兩種鍛造設備進行生產，結果表明：

1) 采用Deform 軟件液壓模塊對TA15 鈦合金進行模擬，等效應變沿厚度方向呈對稱分布，中心位置等效應變最大；而采用錘擊模塊進行模擬，近下模位置等效應變較小，近上模具位置等效應變較大。

2) TA15 鈦合金鍛件中心位置片層α 相較表層片層α 相粗大；采用400 kJ 對擊錘生產的TA15 鈦合金鍛件，相較100 MN 油壓機生產鍛件的片層α相厚度要小。

3) 采用400 kJ 對擊錘生產的TA15 鈦合金鍛件強度較高，表層位置強度比中心位置抗拉強度約高20 MPa。