高強(qiáng)度TA15鈦棒鍛造工藝的研究

TA15鈦合金是一種綜合性能優(yōu)良的中強(qiáng)鈦合金，該合金室溫強(qiáng)度較Ti-6Al-4V（TC4）鈦合金高30～50MPa，且焊接性能良好，可與其它鈦合金互焊，焊縫的強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)90～95%，可用于制作飛機(jī)大型焊接結(jié)構(gòu)—隔框等大型構(gòu)件；該合金具有較好的加工性能，可用于生產(chǎn)薄鈦板、厚鈦板、型材、棒材、鍛件、模鍛件和鈦絲等產(chǎn)品。

鈦合金的鑄態(tài)組織一般為粗大片層組織，必須大大改變鑄態(tài)組織中的晶內(nèi)α相的形貌，才能獲得細(xì)晶組織，且只能通過(guò)變形的方式獲得。本研究是為了解決大規(guī)格棒材組織、性能均勻性，采用不同的鑄錠開(kāi)坯鍛造工藝，研制出Φ400mmTA15大規(guī)格鈦合金棒，滿(mǎn)足飛機(jī)用大型鍛件研制及生產(chǎn)的需求。實(shí)驗(yàn)采用Ф940mm鑄錠進(jìn)行。為了保證因化學(xué)成分差異引起的組織差異，對(duì)鑄錠進(jìn)行了軸向和徑向化學(xué)成分均勻項(xiàng)分析，選取成分均勻的鑄錠。鑄錠熔煉采用10噸真空自耗電弧爐，棒材鍛造在3150噸水壓機(jī)和2500噸快鍛機(jī)進(jìn)行。

科研人員通過(guò)對(duì)TA15鈦合金鑄錠經(jīng)β區(qū)開(kāi)坯，然后采用3種不同鍛造工藝得到Ф400mm鈦棒，并對(duì)所得棒材進(jìn)行相同熱處理后，對(duì)獲得的顯微組織、力學(xué)性能等結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析研究，從而獲得TC18鈦合金大規(guī)格棒材理想的鍛造工藝。試驗(yàn)采用三次真空自耗電弧爐熔煉的Ф804mm、錠重為4000 kg鑄錠。（α＋β）/β相轉(zhuǎn)變溫度為860～870℃。對(duì)該鑄錠在β區(qū)加熱，采用水壓機(jī)開(kāi)坯鍛造，再采用不同鍛造工藝，經(jīng)過(guò)多火次在單相區(qū)或α＋β區(qū)加熱鍛造，最終鍛造成為Ф400mm棒材。對(duì)所得鈦棒進(jìn)行相同熱處理后取樣進(jìn)行組織、性能檢測(cè)。詳細(xì)工藝方案如下：工藝一：開(kāi)坯＋高低高＋30%兩相區(qū)變形；工藝二：開(kāi)坯＋高低高＋70%～85%兩相區(qū)變形；工藝三：開(kāi)坯＋高低高、水淬＋70%～85%兩相區(qū)變形。研究結(jié)果表明：（1）采用工藝三（開(kāi)坯＋高低高、水淬＋70%～85%兩相區(qū)變形鍛造工藝）所得Ф400mm鈦棒顯微組織與其他兩種工藝方案相比較，顯微組織均勻性和細(xì)化程度均優(yōu)于其他方案。（2）采用工藝三（開(kāi)坯＋高低高、水淬＋70%～85%兩相區(qū)變形鍛造工藝）所得Ф400mm棒材由于細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制影響，在保證塑性指標(biāo)的情況下，獲得的強(qiáng)度指標(biāo)最高。又由于工藝三所得晶粒細(xì)小均勻，裂紋擴(kuò)展所經(jīng)過(guò)途徑增長(zhǎng)，使該工藝所得斷裂韌性指標(biāo)明顯增加，綜合性能最好。


研制Ф400mm大規(guī)格鈦棒采用了3種工藝方案。
（1）開(kāi)坯鍛造采用兩次鐓粗拔長(zhǎng)，增加β相區(qū)變形量，有利于細(xì)化晶粒，改善棒材不同部位的組織均勻性。研究認(rèn)為β相區(qū)在變形溫度下，提高變形溫度，當(dāng)變形量足夠大時(shí)，能使原始和再結(jié)晶β晶粒粗化的同時(shí)促進(jìn)再結(jié)晶程度的提高，最終導(dǎo)致組織細(xì)化。
（2）繪出了不同方案不同部位橫向室溫拉伸性能，從性能曲線(xiàn)看，不同方案的室溫拉伸性能遵循強(qiáng)度從邊部到心部逐漸降低的規(guī)律，而塑性變化不明顯。除方案1的σb不符合這一規(guī)律，分析原因與組織差異有關(guān)。