锻造温度对TA5-A钛合金组织及性能的影响

宋蕊池 李渭清 马 龙 岳 旭

（1西安建筑科技大学，西安 710055 2宝鸡钛业股份有限公司，宝鸡 721014）

1 前言

TA5-A钛合金名义成分为Ti-4Al-0.005B，是一种具有中等强度的钛合金，属于典型的α合金。该合金具有良好的焊接性能和耐蚀性，可在海水环境下工作，是船舶制造行业的理想结构材料，可加工成板材、棒材和锻件，尤其适用于各类兵器制造[1]。

本文采用不同温度下加热后进行镦粗的变形工艺方案，对TA5-A钛合金棒材进行工艺试验，经热处理后，检测高倍组织和力学性能，分析研究了变形工艺对该合金综合力学性能和微观组织的影响规律，为选择该合金压力加工工艺提供参考依据。

2 实验材料和方法

试验采用宝鸡钛业股份有限公司真空自耗电弧炉熔炼生产的Ф620mmTA5-A钛合金铸锭，其成分为（wt%）： Al 4.1，B 0.004～0.005，Fe 0.22～0.23，C 0.02，N≤0.01，H≤0.004，O≤0.09，Y≤0.005，符合《钛及钛合金牌号和化学成分》（GB/T3620.1-2007），（α+β）/β转化温度为1000～1010℃。该铸锭在β相区开坯，经多火次锻造，并在α+β相区经过40%的变形，生产为Ф120mm的棒材，棒材的组织和性能分别见图1和表1。

表1 Ф120mm棒材的向室温力学性能

图1 TA5-A合金Ф120mm棒材显微组织（a：横向；b：纵向）

不同加热温度下的镦粗变形试验方案如下：

方案1：960℃加热，变形量ε=55%

方案2：980℃加热，变形量ε=55%

方案3：1030℃加热，变形量ε=55%

按上述不同工艺镦粗后所获得的饼材，切取弦向试样，试样经840℃/ 2h.AC热处理后进行性能测试和微观组织观察。

3 试验结果与讨论

3.1 镦粗变形工艺对微观组织的影响

不同变形工艺的镦粗饼材显微组织如图2。从图中可以看出，这三种工艺得到的组织与棒坯有明显的差异。α+β相区镦粗的饼材（方案1和方案2）其显微组织为典型等轴α组织。因为镦粗变形时，坯料心部位置为最大变形区，边部位置为自由变形区，心部坯料变形较大，所以α晶粒比边部细小。而方案1比方案2的变形温度更低，其α相细化程度较方案2好；方案3为β相变形，其显微组织为针状α束相互穿插分布的网篮组织。

表2 不同变形工艺的室温力学性能

图2 三种工艺方案镦粗后圆饼热处理态的显微组织×100

3.2 镦粗变形工艺对力学性能的影响

三种不同变形工艺生产的饼材，在D/4处取弦向试样，分别检测室温拉伸性能和冲击韧性，检测结果见表2。从表1和表2可以看出：与Ф120mm棒材的性能相比，三种工艺下的均比棒材的强度有所改善。综合分析，采用不同的镦粗变形方式可使镦粗后饼材的强度、冲击性能均有所改变。

经方案1和方案2生产的饼材，其显微组织形貌与本体差别不大，均为等轴α组织，只是经过变形后，晶粒更加细小。力学性能中强度和塑性均有所增加，这是因为坯料在经过变形后，晶粒得到一定细化，通过细晶强化作用使坯料的强度和塑性均提高。冲击韧性有所降低，这是由于针对等轴α组织，其V型冲击缺口应力集中系数较大，等轴α相的抗裂纹萌生作用减小，裂纹扩展路径对冲击韧性的影响占主导作用，变形后的组织（方案1和方案2）其α颗粒球化程度更好，裂纹扩展路径减小，导致冲击韧性有所降低。

方案3生产的饼材，其抗拉强度提高约40MPa，塑性略有降低，冲击韧性提高较为明显。这是由于变形后组织与坯料有较大变化，为典型的网篮组织。较于等轴组织而言，网篮组织有强度、韧性高，塑性低的特点。由于片状α相能够有效的增加裂纹扩展路径，所以其冲击韧性值比较高。

4 结论

（1）三种镦粗变形工艺得到的组织有明显差异，β区加热变形后得到的组织为网篮组织，组织较为粗大，晶界不明显。（α+β）区加热变形后得到细等轴组织。

（2）β区加热变形得到的片层状组织与（α+β）区加热变形得到的等轴组织相比，塑性略有降低，强度和冲击韧性提高。特别是冲击性能提高非常明显。

（3）实际生产中，对于冲击韧性要求较高时，应采用β锻工艺。在保证TA5-A钛合金具有一定塑性的前提下，可明显提高冲击韧性指标。同时可保证坯料在锻造过程中具有良好的加工塑性。