变截面TA15钛合金大锻件初生α相控制与定量估算方法

张旺峰，王玉会，李兴无

(北京航空材料研究院, 北京 100095)

钛合金按照组织形态可分为等轴、片状(包括魏氏、网篮)、双态组织，其中双态组织钛合金具有较高的室温、高温性能及损伤容限性能，综合性能优良[1-3]。双态组织是在β转变组织的基体上分布着一定数量的等轴初生α相，且含量不超过50%(体积分数)。初生α相含量不仅会影响β晶粒尺寸(D)、及α集束尺寸(d)，还会通过改变以上组织特征参数直接影响力学性能[4-5]，因此控制初生α相含量对于改善钛合金的力学性能具有重要意义。目前，已有学者对初生α相的形成过程和机制进行了研究[6-9]，但关于实际锻造中，工艺参量如何影响钛合金初生α相含量，进而影响力学性能的研究鲜有报道，这项研究工作则更具工程价值。

钛合金锻件制造过程中，锻造工艺的选择主要是依据水淬金相法得到的相变点，这种通过温度单因素方法制定的工艺在制造中小规格锻件时是可行的，但随着锻件尺寸、质量以及形状复杂程度的增加(如截面多变、厚薄不一等)，如果仍按单因素方法制订工艺，可能会产生很大误差。锻造过程中加热温度、冷却方式、锻造火次等都会对初生α相含量产生影响，进而影响合金性能。本研究主要针对TA15钛合金大型复杂锻件制备过程中初生α相含量对其室温和高温拉伸性能的影响以及热加工工艺参数对初生α相含量的影响等进行研究，以便为控制初生α相含量提供依据，指导TA15钛合金锻件的生产。

1 实 验

实验材料为某航空用变截面TA15钛合金锻件，其化学成分(质量分数，%)为:Al 6.66，Mo 1.74，V 2.25，Zr 2.11，N 0.007，O 0.098，H 0.003 4，余量为Ti。合金α+β→β相变点为990 ℃。

TA15钛合金锻件分别加热到940、950、960、970、980、985 ℃，以空冷(AC)、水淬(WQ)、炉冷(FC)3种方式冷却，得到不同初生α相含量的锻件。从锻件上截取金相试样和拉伸试样，分析初生α相含量与锻件加热温度、冷却方式及拉伸强度的关系。将多截面锻件加热到970 ℃，以空冷方式冷却，从不同截面厚度(36、120、196 mm)处截取拉伸试样和金相试样，研究截面厚度对初生α相的影响。对锻件进行2～14多火次加热，截取金相试样，分析加热火次对初生α相含量的影响。

采用Instron-4507试验机进行室温和高温拉伸性能测试。采用Leica金相显微镜观察试样的显微组织，用显微镜配备的图像处理软件测量初生α相含量。

2 结果与讨论

2.1 初生α相含量对拉伸强度的影响

选取经不同温度锻造后得到初生α相含量不同的试样，测量其室温和500 ℃高温拉伸强度，结果如图1所示。从图1可以看出，随着初生α相含量的增加，TA15钛合金室温拉伸强度增大，高温拉伸强度下降。即增加初生α相含量，可提高室温拉伸强度，但不利于500 ℃高温拉伸强度。根据初生α相含量与室温和500 ℃高温拉伸强度的关系，可以相互推断结果，即根据组织中初生α相的含量，可大致推算出其拉伸强度，反之亦然。

为便于估算，按线性关系拟合，得到TA15钛合金室温强度与初生α相含量的关系式:

Rm=918+0.5αp

(1)

500 ℃高温拉伸强度与初生α相含量的关系式:

Rm=675-0.99αp

(2)

式中:αp为初生α相体积分数，%；线性相关系数均在0.99以上。

从以上简单的定量关系可知，初生α相含量增加，TA15钛合金锻件的室温拉伸强度亦增加，但500 ℃高温拉伸强度降低。

图1 TA15钛合金锻件初生α相含量与室温、500 ℃ 高温拉伸强度的关系曲线Fig.1 Relationship curves of primary α phase content and tensile strength of TA15 titanium alloy forging

2.2 初生α相含量的影响因素

2.2.1 加热温度对初生α相含量的影响

图2为TA15钛合金锻件初生α相含量随加热温度的变化曲线。由图2可以看出，随着加热温度的增高，TA15钛合金锻件中初生α相含量下降，以WQ曲线为例，按线性关系估算得到式(3)。

图2 TA15钛合金锻件初生α相含量与 加热温度的关系曲线Fig.2 Relationship curves of primary α phase content and heating temperature of TA15 titanium alloy forging

αp=709-0.72T(WQ)

(3)

式中:T为锻件加热温度，范围为940～985 ℃；线性相关系数为0.98。由式(3)可知，锻件加热温度每增高10 ℃，初生α相含量降低7%左右。

2.2.2 冷却速率对初生α相含量的影响

由图2可以看出，TA15钛合金锻件初生α相含量除与加热温度有关外，还与冷却方式有关。以典型的水冷和空冷为例，2种冷却方式下初生α相含量有明显差异。简单按线性关系估算得到空冷方式下初生α相含量与温度的关系式为:

αp=948-0.96T(AC)

(4)

式中：线性相关系数为0.95。

图3为加热温度970 ℃时，水冷、空冷、炉冷3种冷却方式下TA15钛合金的金相照片。水冷、空冷、炉冷方式下，初生α相含量分别为12.1%、18.7%、83.1%。水冷时，β相来不及通过扩散转变成平衡的α相组织，只有通过β相中原子作集体有规律的近程迁移，发生切变，形成过饱和固溶体，即α′，得到的组织为α初+α′。空冷时，冷却速率较慢，β转变组织得以保存下来，形成等轴的α+β转，次生α相依附于初生α相或晶界生长，初生α相含量大于水冷方式。炉冷时，初生α相含量显著增加，这是因为970 ℃处于TA15钛合金两相区的上部，冷却速率足够慢，使得等轴α相有足够的能量长大并接触，次生α相亦充分长大，甚至与初生α相连接在一起，难以分清初生和次生，故α相含量非常高。

由以上分析可知，TA15钛合金锻件的冷却方式对初生α相含量有着显著影响，在锻件冷却时要特别注意控制冷却速率。

根据图2的曲线，可以给出不同冷却方式初生α相含量的差异，即式(4)减去式(3)可以得到空冷和水冷2种冷却方式的初生α相含量差。

Δαp=239-0.24T

(5)

图3 TA15钛合金锻件在970 ℃加热以不同方式冷却后的金相照片Fig.3 Metallographs of TA15 titanium alloy forgings heated at 970 ℃ and cooled in different ways:(a)WQ; (b)AC; (c)FC

2.2.3 锻件截面厚度对初生α相的影响

钛合金的传热系数小，导热性差，因此锻件厚度会对冷却速率产生影响，从而影响初生α相含量。图4为加热温度970 ℃及空冷条件下，不同截面厚度TA15钛合金锻件的金相照片。从图4可以看出，随着锻件截面厚度的增大，初生α相含量增加。经过测量，锻件截面厚度分别为36、120、196 mm时，其组织中初生α相的含量依次为32.92%、35.6%、38.51%。

将初生α相含量与锻件截面厚度绘制曲线，如图5所示。初生α相含量随锻件截面厚度的变化量可按线性关系拟合得到式(6)。

Δαp=0.035t

(6)

式中：t为锻件截面厚度，mm；线性相关系数为0.98。

2.2.4 加热火次对初生α相含量的影响

对于大型复杂模锻件，需要经过多火次锻造加热，但对于锻件的小变形或无变形区，相当于空烧。图6为TA15钛合金锻件初生α相含量随加热火次的变化曲线。从图6可知，初生α相含量随加热火次N增加而下降，由2火次的21%下降至14火次的12.4%，降幅达40%。

根据图6，以8火次为分界线，将初生α相含量变化大致分为2个阶段。将2个阶段分别按线性规律考虑，则8火前初生α相含量按0.45(N-2)线性下降；8火后按0.98(N-8)线性下降，即:

αp=-0.45(N-2) (2≤N≤8)

αp=-0.98(N-8) (N>8)

式中：线性相关系数在0.95以上。

图4 不同截面厚度TA15钛合金锻件的金相照片Fig.4 Metallographs of TA15 titanium alloy forgings with different section thickness: (a)36 mm; (b)120 mm; (c)196 mm

图5 TA15钛合金锻件初生α相含量随截面 厚度的变化曲线Fig.5 Relationship curve of primary α phase content and section thickness of TA15 titanium alloy forging

图6 TA15钛合金锻件初生α相含量随加热 火次的变化曲线Fig.6 Relationship curve of primary α phase content and heating times of TA15 titanium alloy forging

根据上述研究，TA15钛合金锻件初生α相含量与锻造加热温度、冷却方式、锻件截面厚度、加热火次等有关，温度高、冷却速率快、锻件截面薄、加热火次多，初生α相含量低，反之亦然。因此，对于大型复杂TA15钛合金锻件的制备，在制订工艺时必须充分考虑各种因素的影响，在了解初生α相含量对性能影响规律的基础上，根据服役条件，控制初生α相的含量。

将上述工艺参量对初生α相的影响作定量描述，可列为表1。根据表1可以定量估算初生α相含量，也可根据初生α相的含量推断室温和500 ℃高温拉伸强度。

表1TA15钛合金锻件初生α相含量随锻造工艺参量变化的规律

Table 1 Effect of process parameters on primary α phase content of TA15 titanium alloy forging

综上所述，可根据式(4)，即常规空冷条件推算出TA15钛合金某一加热温度下的初生α相含量，当其他参数变化时，则按照表1估算初生α相含量的增减，然后根据式(1)和式(2)估算室温和高温拉伸强度。

3 结 论

(1)增加TA15钛合金的初生α相含量，有利于提高室温拉伸强度，但不利于500 ℃高温拉伸强度。

(2)加热温度高、冷却速率快、锻件截面薄、加热火次多，初生α相含量低，这些参数中以加热温度的影响最大，并可根据参数的变化对初生α相进行定量估算。

(3)利用初生α相含量对TA15钛合金力学性能的影响规律，可以根据服役性能要求，控制初生α相的含量。