锻造工艺对TA15钛合金扁坯组织和力学性能的影响

闵新华，纪仁峰

(宝钢特钢有限公司，上海 200940)

锻造工艺对TA15钛合金扁坯组织和力学性能的影响

闵新华，纪仁峰

(宝钢特钢有限公司，上海 200940)

采用4种不同锻造工艺对TA15钛合金棒材进行热加工锻造，得到规格为80 mm×150 mm×L的扁坯，对扁坯进行800 ℃×1 h热处理。研究了加工工艺对其显微组织和力学性能的影响。结果表明，采用一次锻造(温度T1)/慢冷+二次锻造(温度T2)/快冷的工艺，锻出的TA15钛合金扁坯组织中初生α相含量约为10%，基体上具有较多的细小针状组织。用该工艺加工的TA15钛合金，其力学性能较其他工艺的高，横向和纵向性能差异较小，是一种性能比较优良的框锻件生产用坯料。

TA15钛合金；扁坯；锻造工艺；组织演变

0 引 言

TA15(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)钛合金是与前苏联BT20钛合金相似的一种近α型钛合金，具有较高的比强度、抗蠕变性、耐腐蚀性以及良好的焊接性能，广泛应用于航空航天工业中。如在前苏联第三代先进歼击机上，单机BT20钛合金毛坯用量占钛合金毛坯总用量的70%左右，主要应用在中央翼下壁板、承力框和进气道格栅防护罩等关键零件上。我国从20世纪90年代开始研制TA15钛合金，并且取得了不错的研究成果[1-2]。

宝钢特钢有限公司承担了某TA15钛合金大型框模锻件的研制课题。该锻件是将TA15钛合金扁坯通过等温模锻方式加工而成。一般认为，TA15钛合金属于高Al当量的近α型钛合金，其强化机制主要是Al及其他元素的固溶强化，不能通过热处理的方法进行强化[3-6]，所以成品的性能主要取决于坯料的热加工过程。因此，该模锻件所用扁坯的综合性能要求达到终锻件的技术标准。本研究采用不同工艺锻造TA15钛合金扁坯，考察锻造工艺对扁坯组织和力学性能的影响，为制定扁坯锻造工艺提供依据。

1 实 验

选用快锻机自由锻造的TA15钛合金圆棒(φ300 mm)为坯料,其化学成分(质量分数)为:Al 6.37%,Zr 2.17%,Mo 1.45%,V 2.15%，Ti余量。相变点为990～995 ℃。由于棒材直径比较大，在自由锻造过程中存在变形死区，因此组织存在不均匀现象。图1为TA15钛合金棒材的典型显微组织。该组织为层状(α+β)基体上分布着球状初生α相的双态组织。

图1 TA15钛合金圆棒的显微组织Fig.1 Microstructure of TA15 titanium alloy bar

设计4种锻造工艺(见表1)，将TA15钛合金棒材在2000T锻机上进行热锻，得到规格为80 mm×150 mm×L的扁坯。分别沿扁坯横向及纵向截取拉伸试样和持久试样，沿扁坯横向截取金相试样。对金相试样和力学性能试样进行800 ℃×1 h热处理。

金相试样打磨抛光后，采用V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶3∶7的腐蚀液进行腐蚀。采用DSX100型光学显微镜观察其显微组织。室温和高温力学性能试验分别按照GB/T 228.1—2010和GB/T 4338—2006标准要求，采用ZWICK-Z150型拉伸试验机进行测试，试样尺寸为φ10 mm×55 mm，屈服前和屈服后应变速率分别为0.002 5、0.008 s-1。持久性能按照GB/T 2039—2012标准要求，采用CSS-3903电子式持久试验机进行测试，试样尺寸为φ5 mm×62 mm。

表1 TA15钛合金扁坯的锻造工艺方案

注：T1

2 结果与分析

2.1 锻造工艺对TA15钛合金扁坯组织的影响

图2为4种工艺锻造的TA15钛合金扁坯的显微组织。从图2可以看出，二次锻造的冷却速度对组织的影响非常明显。两种慢冷工艺得到的组织(图2a、c)均为球状初生α相和层状(α+β)基体组成的双态组织[7]，两种快冷工艺得到的组织(图2b、d)为初生α相+β基体上分布非常细小的针状次生α相，此种组织具有明显马氏体特征。

图2 不同工艺锻造的TA15钛合金扁坯的显微组织Fig.2 Microstructures of TA15 titanium alloy flat bar by different forging processes

锻造工艺对扁坯组织影响非常明显。二次锻造温度为T1+慢冷的工艺，得到的扁坯组织中的α相粗大，球化程度低于T2+慢冷的工艺。这是因为合金的α相球化主要取决于变形条件，随着变形温度的提高，合金球化程度增加[8]。二次锻造温度为T2+快冷的工艺(1-4工艺)，得到的扁坯组织中的α相含量较低，约为10%，明显少于1-2工艺，而基体上的针状组织含量远远大于1-2工艺。这是因为1-4的二次锻造温度高于1-2，接近β相转变温度，大量初生α相发生溶解，因此在快速冷却后得以保留的α相数量较少；在快速冷却过程中，大量β相来不及完成β→α相的完全转变，形成了一种针状的过渡相，此种相可能是斜方马氏体α′相。

2.2 锻造工艺对TA15钛合金扁坯力学性能的影响

表2为经4种工艺锻造的TA15钛合金扁坯的力学性能。从表2可以看出，四种工艺得到的扁坯的力学性能均满足标准要求。快冷工艺的横向及纵向室温性能均高于慢冷工艺。相比之下，1-4工艺的室温和高温力学性能均高于其他工艺，塑性、冲击性能稍低于其他工艺。

表2 不同工艺锻造的TA15钛合金扁坯力学性能

注：高温强度试验温度为500 ℃；τ为持久时间，持久试验温度为500 ℃,持久应力为470 MPa。

钛合金力学性能的变化，在很大程度上是由β→α转变过程决定[9-10]。表2中，慢冷工艺的强度和塑性基本低于快冷工艺，这可能是因为在快速冷却过程中形成了类似于马氏体的针状组织，此种组织具有更高的强度和硬度；此外，快速冷却也导致合金晶粒来不及长大，因此塑性也较慢冷工艺有所提高。对于1-2和1-4两种快冷工艺来说，1-4工艺的强度要高于1-2工艺，这是因为由于1-4工艺的锻造温度高，导致初生α相含量少，在快速冷却过程中β相大量转变为针状组织，所以1-4快冷工艺的强度要高于1-2工艺。

综上所述，虽然4种工艺生产出的扁坯的综合性能均满足标准要求，但1-4工艺锻造的扁坯力学性能最优(见表2)，组织也满足锻件对坯料的要求。由于最终锻件是作为承力件使用，强度越高越好，所以综上考虑选择1-4工艺作为生产框锻件用扁坯的最佳工艺。

3 结 论

采用一次锻造(温度T1)/慢冷+二次锻造(温度T2)/快冷的热加工工艺生产出的TA15钛合金扁坯组织中，初生α相含量约10%，β基体上分布大量针状组织。采用该工艺加工的TA15钛合金扁坯，其力学性能较其他工艺的高，横纵向性能差异也较小，是一种性能比较优良的框锻件生产用坯料。

[1] 李小刚,佟学文,李农,等.挤压工艺对TA15型材组织和性能的影响[J].钛工业进展,2010,27(3):30-31.

[2] 安耀辉，高博，马龙，等.超大规格TA15钛合金棒材锻造工艺研究[J].钛工业进展,2013,30(5):22-25.

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Effect of Forging Process on Microstructure and Mechanical Properties of TA15 Titanium Alloy Slab

Min Xinhua,Ji Renfeng

(Baoshan Steel Corporation,Shanghai 200940,China)

TA15 titanium alloy bars were forged by four kinds of different forging processes, and the 80 mm×150 mm×Lslabs were obtained. The effect of forging process on microstructure and mechanical properties of TA15 titanium alloy slabs after heat treatment of 800 ℃×1 h was investigated. The results show that, adopting the first isothermal-forging processing at temperature ofT1with slow cooling plus the second isothermal-forging processing at temperature ofT2with quick cooling, the content of primaryαphase in microstructure of slab is about 10%, and lots of thin aciculate phases are found in the matrix. The mechanical properties of the slab are best among all the forging processes. The difference between transverse properties and longitudinal properties are small. This process is a good way to produce TA15 titanium slab for frame forgings.

TA15 titanium alloy; slab;forging process;microstructure;mechanical properties

2016-06-21

闵新华(1974—)，女，高级工程师。

TG316

A

1009-9964(2016)06-0036-04