TA15 異形環件不同位置組織性能對比研究

TA15 鈦合金屬于近α 型中強度鈦合金，其名義成分為Ti-6.5Al-1Mo-1V-2Zr。該合金比TC4 鈦合金室溫強度略高，且高溫性能優異，同時具有良好的熱加工性能，可以制成形材、厚板、鍛件等，在航天領域主要用于制造運載火箭的壓力容器、部分衛星結構零部件以及戰略導彈彈體中要求強度高、熱強性好的零部件。本文選用TA15 合金開展異形環件的研究和試制工作，擬提供一種高性能的結構件用異形環材，同時研究自由鍛造異形鍛件的成形工藝特點，探索在熱變形中不同變形條件對成形性能的影響，達到優化工藝、保證產品質量的目的。

試驗材料及方法

試驗選材

試驗選用的材料為寶雞鈦業股份有限公司生產的經過3 次VAR 熔煉的TA15 鈦合金鑄錠，其錠型尺寸為

910mm，主要化學成分范圍見表1，合金相變點為990℃±5℃。

試驗方法

試驗選用設備為80/100MN(10000t)油壓快鍛機、3150t 水壓機和D53K-3000A 軋環機，采用先開坯鍛造制坯，然后使用軋環機輾軋壁厚均勻的環坯，最后用壓機整形的方法進行異形環鍛件的試制。顯微組織和力學組織取樣位置如圖1 所示。其中顯微組織試樣為15mm×15mm，力學性能試樣為15mm×15mm×80mm，室溫沖擊韌性試樣開口類型為“U”口。顯微組織檢測設備為Axiovery 200 MAT光學顯微鏡，室溫拉伸性能檢測設備為Instron 5885電子萬能材料試驗機，室溫沖擊韌性檢測設備為JNS-300 擺錘式沖擊試驗機。

結果與討論

曲率大點和曲率小點鍛件組織對比

圖2(a)、(b)分別為異形環曲率小點和曲率大點的鍛件低倍組織形貌。可以看出，兩處的鍛件低倍均無夾雜、裂紋等冶金缺陷，無明顯粗大晶粒形貌，流線分布完整、合理。

通過對比兩處的顯微組織可以看出，不同位置均為雙態組織，且兩處顯微形貌較為一致，由初生α相＋次生α 相＋β 相組成，表現出良好的均勻性。進一步比較可以發現，鍛件曲率大的位置處的初生α 相比例略微高于曲率小點處，且初生α 相比曲率小點處球化程度更高。綜合考慮鍛件在α ＋β 相區塑性變形時不同位置的變形情況，可知在整形火次，曲率小點處上下接觸錘頭，屬于變形死區；相較而言，曲率大點部位的變形量更大，應變速率大，溫降快導致變形溫度低，因此初生α 含量較曲率小點部位多些，等軸化程度高。

曲率大點和曲率小點鍛件性能對比

圖6、圖7分別是斷裂韌性、沖擊韌性的變化曲線，可以看出，部位(a)處斷裂韌性、沖擊韌性均略微高于(b)處。結合圖2，相較部位(b)處，部位(a)處原始β 晶界和次生片層α 集束更多，裂紋在片層組織中的擴展路徑更曲折，導致裂紋總的長度增加，需要消耗更多的能量，因此曲率小點處的斷裂韌性更高。

圖5 為500℃抗拉強度變化曲線。可以看出，曲率小點處高溫抗拉強度略高于曲率大點處。這是因為在500℃高溫下，滑移是TA15 鈦合金最主要的變形方式，此時等軸α 相含量與次生α 相片層厚度對高溫抗拉強度有更顯著的影響。曲率小點處等軸α 相少，次生片層α 相較多，且片層α 相厚度小，增多的晶界對滑移產生強烈的阻礙作用，因此高溫抗拉強度略高。

沖擊加載在缺口周圍產生塑性變形，反映了材料的缺口敏感性。曲率大點處的裂紋主要沿塊狀初生α 晶界擴展，裂紋主要沿著初生α 晶界進行，需要消耗的能量相對少；曲率小點處，裂紋穿過片層狀次生α 晶粒內部，在相應的斷裂時裂紋要穿過初生α相內部，消耗能量多，因此沖擊功高，沖擊韌性也高。

為了驗證該異形環上不同位置的性能均勻性，分別從圖1(a)、(b)處取樣，試樣代表了不同部位的鍛件力學性能。圖3、圖4 分別為TA15 鈦合金異形環鍛件不同取樣部位的室溫抗拉強度和塑性變化曲線。從圖中可以看出，鍛件不同部位整體室溫拉伸性能一致性較好，說明鍛件組織均勻性較好。進一步比較，曲率大點處的室溫抗拉強度略微高于曲率小點處，塑性也較曲率小點處略高，尤其是斷面收縮率。這是因為鍛件在變形過程中會發生動態再結晶，再結晶是由擴散機制主導的熱激活過程，曲率大點處應變速率低，有利于再結晶，同時變形量大，使得再結晶等軸化程度高，因此室溫抗拉強度高。同時，(a)處有相對多的片層狀的α 相束，由于相界較多會對滑移產生強烈的阻礙作用，導致位錯難以穿過α/β 相界面，在相界面處產生應力集中，試樣過早地進入屈服階段，而(b)部位晶粒球化更完全，等軸狀的α 相有利于滑移的開動，塑性更優異。

2.1.3 嚴重程度。調查發現的20種病害中，9種病害達嚴重危害級別，分別是光葉紫花苕斑枯病、葉斑病、白粉病；黑麥草銹病、鐮孢枯萎病、離孺孢葉枯病；玉米大斑病、小斑病和銹病。其余9種病害為危害級別。

綜合比較上述性能可以看出，鍛件不同位置處拉伸性能、沖擊性能和斷裂韌性一致性較好，說明鍛件的組織均勻性較好。相比而言，曲率小點處除室溫抗拉強度略低以外，室溫斷面收縮率、高溫抗拉強度、沖擊性能和斷裂韌度均略高于曲率較大處。以上這些熱工藝特點，有助于更好地評價異形鍛件的整體性能情況，從曲率最大最薄弱環節取樣，測試性能滿足標準要求，則鍛件均能達到使用要求條件。

根據設計要求，在最低服役溫度下，焊縫、熱影響區沖擊吸收能量平均值不低于54J才能滿足要求。由試驗結果可知，焊縫和熱影響區的沖擊吸收能量均滿足要求，而自動焊的沖擊吸收能量更高，能夠滿足更高的要求。

式中第一項反映了混凝土的抗劈裂承載力，第二項反映了混凝土榫的抗剪承載力，第三項則反映了貫穿鋼筋對混凝土的約束作用.對試驗數據和公式結果進行對比，結果見表2.

結論

(1)鍛件的顯微組織為雙態組織，由初生α 相+次生α 相+β 相組成，鍛件整體塑性流線分布好，整體表現出良好的均勻性。

這下許飛高興了，他偷了一塊豬油抹在頭發上，用黑色畫筆涂了一張蝴蝶結綁在脖子上，他說要當我的新郎官，我咧嘴笑了一下，讓他背過去，跳到他的背上死命壓住他往地上撲。

(2)曲率大點處，變形量大，應變速率高，等軸初生α 相比例略高，室溫抗拉強度、斷面收縮率有所提高；曲率較小點處，次生片層狀α 相比例略高，450℃高溫拉伸性能及沖擊韌性和斷裂韌性略高。