锻造工艺对TA5-A钛合金棒材组织及性能的影响

文/张智，李进元，母果路·西部钛业有限责任公司

锻造工艺对TA5-A钛合金棒材组织及性能的影响

文/张智，李进元，母果路·西部钛业有限责任公司

研究了TA5-A钛合金锻造工艺对组织及性能的影响。结果表明:⑴最后一火次在Tβ－30℃锻造变形, 得到的组织为等轴α组织,在Tβ＋30℃变形得到的组织以粗大的片状α组织（网篮组织）为主；⑵锻造温度对抗拉强度、屈服强度及冲击韧性αk影响较大，成品锻造在β相区变形的抗拉强度、屈服强度及冲击韧性αk值均高于α相区变形的水平；⑶在同温度下锻造时锻造变形率对TA5-A钛合金的拉伸性能影响不明显。

TA5-A钛合金是一种全α型钛合金，含有4%的铝（Al）和0.005%的硼(B)，具有中等强度，塑性较差，有良好的焊接性能和耐蚀性等突出优点,可制作棒材、板材及锻件，在海洋、舰船领域中获得了广泛的应用。锻造是钛合金热加工中使用最广泛和最有效的方法，该方法不仅可以直接锻压成形所要求的工件形状，还可以优化微观组织结构，消除铸态疏松等缺陷，提高材料的力学性能，获得无缺陷或少缺陷的成品棒材。由于该合金为全α型钛合金，虽然B元素的加入，可细化晶粒并提高弹性模量，但强化热处理对改善合金性能效果不明显。因此，研究锻造工艺对合金的组织及性能尤为重要，为今后生产大规格棒材、锻件打下坚实的基础。

试验

试验材料

试验材料为西部钛业自行生产的TA5-A钛合金铸锭，采用真空自耗电弧炉三次熔炼，锭型为φ620mm，质量约3000kg。化学成分符合GB/T 3620.1-2007及GB/T 3620.2-2007国家标准要求。采用金相法测得TA5-A钛合金的相变点（α+β/β）为1000～1005℃。

试验方案

铸锭在2500t快锻机经β单相区开坯锻造，再经方案1：中间锻造、成品锻造全在β相区变形；方案2：中间锻造及成品锻造在Tβ以下完成；锻后均空冷。中间锻造在2500t压机上完成，坯料锻至φ140mm，最后一火次成品锻造在SX-16精锻机上完成。成品锻造分别采用Tβ－30℃和Tβ+30℃两种温度，一火次锻到φ100mm、φ80mm、φ70mm三种规格，最后一火次锻造工艺方案见表1。试样热处理制度为780℃保温90min，空冷。室温拉伸试验按照GB/T 228-2010《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。

表1 TA5-A钛合金最后一火工艺方案

结果分析与讨论

锻造温度对组织和性能的影响

钛合金锻造工艺参数中,加热温度对组织性能的影响最为显著。不同的锻造温度形成不同的组织,而不同的组织决定不同的性能。本试验用棒材加热温度在Tβ+30℃锻造时,其强度和塑性指标完全符合GJB 943-1990标准的要求，且较富余。这是因为α型钛合金特点：几乎任何温度下都是单一的α相。因此，要改善工艺塑性，需提高加热温度。加热温度高更易于变形、均匀组织。

图1是规格为φ80mmTA5-A 钛合金棒材在不同锻造温度的金相照片,最后一火变形率为62%的棒材在不同锻造温度下的显微组织，图a为在Tβ－30℃时锻造变形，得到的组织为等轴α组织；图b为在Tβ＋30℃时锻造变形，得到的组织以粗大的片状α组织为主。表2为锻造工艺对TA5-A钛合金棒材室温性能的影响。由表2可见，在Tβ＋30℃锻造时所有性能指标均满足标准要求，但在Tβ－30℃锻造时屈服强度Rp0.2均低于标准要求，且冲击韧度αkv个别值不符合标准要求。在Tβ＋30℃锻造成品的断面收缩率Z略高，抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2和冲击韧度αkv均明显高于Tβ－30℃锻造时的水平，抗拉强度Rm最大相差71MPa，屈服强度Rp0.2最大相差81MPa，αkv最大相差25.6J/cm2。

图1 φ80mmTA5-A钛合金棒材在不同锻造温度的金相照片

表2 锻造工艺对TA5-A钛合金棒材室温性能的影响

变形量对组织和性能的影响

图2是在Tβ＋30℃锻造时不同变形率下TA5-A钛合金的显微组织。由图可见，α组织随变形量增加发生了显著变化，α片厚度逐渐变小，长度也变短。且初生α相由无变有,由少逐渐增多。这可能是由于随着变形量增加,变形道次增多,终锻温度由β相区降至T转以下所致。正是由于初生α相的出现和增加,才导致断面收缩率稍有提高。

图2 Tβ+30℃锻造时不同变形率下TA5-A钛合金的显微组织

图3列出了不同温度锻造时变形率对TA5-A钛合金拉伸性能和冲击性能的影响。由图3(a)可见，在Tβ－30℃锻造时，其强度、伸长率、冲击韧性受变形率影响不大，断面收缩率有所减小；由图3(b)可见，Tβ＋30℃锻造时强度、伸长率变化不明显，断面收缩率、冲击韧性略有增大，但整体性能优于Tβ－30℃锻造时的水平。所以在Tβ＋30℃锻造时能得到强度—塑性—韧性的最佳综合匹配。

图3 不同温度锻造时变形率对TA5-A钛合金拉伸性能和冲击性能的影响

结论

⑴锻造工艺对TA5-A钛合金棒材的力学性能影响较大。

⑵锻造温度对抗拉强度、屈服强度及冲击韧性αk影响较大，成品锻造在Tβ＋30℃变形的抗拉强度、屈服强度及冲击韧性αkv值均高于Tβ－30℃变形的水平。

⑶最后一火在Tβ－30℃锻造变形，得到的组织为等轴α组织，在Tβ＋30℃锻造变形，得到的组织以粗大的片状α组织（网篮组织）为主。

⑷在同温度下锻造时锻造变形率对TA5-A钛合金的拉伸性能影响不明显。