不同锻造工艺对TC10钛合金组织和性能的影响

张 智，李 维，廖 强，侯 鹏，吴 华，张晓东

（西部钛业有限责任公司，陕西 西安 710201）

0 引言

TC10钛合金的名义化学成分为 T i－6Al－6V－2Sn－0.5Cu－0.5Fe，是在 T i－6Al－4V 基 础上发展的一种高强度α＋β型钛合金，一般在退火态下使用。该合金在海水及原油中的硫化物、氨、氯等介质中具有优异的耐蚀性和良好的综合性能，在潮湿环境和海水介质中工作，其抗腐蚀能力高于1Cr18Ni9Ti，特别是对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强。与TC4合金相比，TC10钛合金的综合性能好，因此TC10钛合金棒材更适用于对强度、塑性、冲击韧性有更高要求的海洋石油勘探与开发领域，其市场应用前景广阔。由于TC10钛合金的锻造工艺对改善其组织以及提高性能有着重要的作用［1］，因此，本文研究了不同锻造工艺对TC10钛合金组织和性能的影响，为TC10钛合金锻造工艺的优化提供了有力依据。

1 试验材料和设备

试验用材料采用西部钛业公司生产的Φ480 mm×L的TC10钛合金铸锭，经两次真空自耗电弧炉熔炼，其化学成分符合技术要求。表1为TC10铸锭的合金元素含量。

表1 TC10铸锭的的合金元素含量（质量分数） %

铸锭经天然气炉加热，1 100℃开坯锻造，锻后规格为□250，之后锯切下料。由于钛合金的锻造温度相对较窄，为了便于锻造工艺的制定，测得试验用材料相变点为950℃～960℃；为了得到具有较好组织与性能的钛合金棒材，特制定了两种工艺路线。工艺A如下：经β区一火次镦拔（锻比为4.8），α＋β区两火次镦拔（锻比为4.8），一火次成形锻造（变形量为35%），成品规格为Φ93，锻后经固溶时效处理。工艺B仅比工艺A在β区多一火次镦拔，其余参照工艺A。

镦拔及成形锻造使用360 k W电炉加热，锻造设备为2 500 t快锻机，最后一火次成型采用SX－16精锻机。室温拉伸试验按照GB／T228－2002《金属材料室温拉伸试验方法》的标准在Instron 1185电子万能试验机上进行，金相分析在OLYMPUS PMG3光学显微镜上进行。

2 结果与讨论

2.1 不同锻造工艺对TC10钛合金组织的影响

图1为两种工艺执行前的原始坯料金相组织（铸锭经高温开坯后）。由图1可见，坯料表现为魏氏组织，且组织比较粗大，有连续的三叉晶界，晶内组织平直，呈集束状，取向基本一致，只有少数晶界部位形成了不同位向的亚晶粒。

图2为经过β区不同锻造工艺后的金相组织，铸锭经在相变点以上150℃左右高温开坯后，经过相变点之上镦拔后组织细化，且无明显连续晶界。但图2（a）组织表现为针状魏氏组织，呈集束状的α片层组织，方向一致；图2（b）组织中α呈比较细小的条状形态，且基本每个α条的取向不同，晶界已被破碎且较模糊。这是由于图2（b）中组织经过多火次变形，魏氏组织破碎较充分，形成α条状组织且方向性较杂乱。

图1 原始坯料金相组织

图2 经β区不同工艺锻造后的金相组织

图3为经过相变点之下两火次镦拔后坯料的金相组织。由图3可以看出晶界完全破碎，针状α相已全部分解成α相和β相，有一部分条状α相已经转化为等轴α相。图3（b）比图3（a）组织更细小、均匀，这是由于经β相区充分变形后，组织已较细小，容易变形，图3（a）中还存在有较粗大α条和α块，且粗大组织方向基本一致。

图3 经α＋β区锻造后金相组织

图4为成形锻造后，经过固溶时效的金相组织。图4（a）组织为等轴组织和拉长的等轴组织，当变形程度不足时，晶内储存的变形能低，某些部位未达到新晶粒成核所需的激活能，再结晶不容易发生，球化程度小；而图4（b）为等轴组织，球化程度较高，组织均匀，比图4（a）组织细小。这是由于变形充分能使更多的滑移系的位错源启动，产生相应的滑移，也有利于片状α球化；另外变形程度越大，因受流动应力被切断的片状α数量越多，为再结晶提供更多的形核机会［2］。

2.2 不同锻造工艺对TC10钛合金性能的影响

对两种不同锻造工艺得到的成品棒材分别取弦向和纵向试样，表2为不同锻造工艺下TC10钛合金棒材的室温力学性能对比。

由表2可以看出，执行工艺B得到的棒材力学性能优于执行工艺A的，其中抗拉强度Rm高60 MPa左右，屈服强度Rp0.2高30 MPa左右，但延伸率A及断面收缩率Z相差不大。对比弦向和纵向数据发现，工艺A纵向强度比弦向要略高50 MPa左右，工艺B弦向和纵向数据相差不大。这是由于在室温下，合金的强度随着等轴组织的变化而变化，等轴组织含量高，合金的强度高，组织中等轴组织含量低，相对来说强度就降低一些，这种变化符合一般的强度变化规律。另外，合金的强度也和晶粒大小有一定关系，合金组织越粗大，强度越差，这也符合Hall－Patch关系，即晶粒长大时强度要下降［3］。因此，执行工艺B的棒材强度要略高一些，而且由于执行工艺B的棒材组织相对均匀，因此棒材弦向和纵向性能的差别也较小。

图4 成形锻造后经固溶时效的金相组织

表2 两种不同锻造工艺下TC10钛合金棒材的力学性能对比

3 结论

（1）随着锻造温度由β区向α＋β区的降低，TC10钛合金金相组织由魏氏组织转变为等轴组织。

（2）TC10钛合金β区镦拔次数增加，有利于原始粗大组织充分破碎，成形锻造时组织更易球化，且等轴α尺寸更小，组织更均匀。

（3）对比两种不同锻造工艺下TC10钛合金棒材的力学性能，工艺B比工艺A的强度高，塑性相当；工艺B的各向异性较小。

［1］ 张喜燕，赵永庆，白晨光.钛合金及应用［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［2］ 马英杰，刘建荣，雷家峰，等.热处理制度对钛合金片层组织的影响［J］.稀有金属材料与工程，2005，34（s1）：19－22.

［3］ 赖运金，钛合金片状组织演变机制与球化动力学研究［D］.西安：西北工业大学，2007：1－10.