TA15鈦合金棒材的熱連軋工藝及力學(xué)性能

TA15(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)鈦合金是一種與俄羅斯研制的 BT20 鈦合金相似的近 α 鈦合金，具有較高的比強(qiáng)度、抗蠕變性、耐蝕性以及良好的焊接性能，常用于制造工作環(huán)境在 500 ℃以上的航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)盤、葉片等重要部件 [1] 。

本文作者借助國外引進(jìn)的高合金鋼連續(xù)軋制生產(chǎn)線，初步開發(fā)直徑為 20 mm 的 TA15 鈦合金小規(guī)格棒材的熱連軋工藝。該連軋生產(chǎn)方式的主要特點是：生產(chǎn)效率高、棒材的直度好、尺寸精度和表面質(zhì)量較傳統(tǒng)的橫列式軋制工藝有優(yōu)勢。本研究通過控制軋制溫度和軋制變形量，研究 TA15 鈦合金 d20 mm 熱連軋棒材的性能和組織。

1、實驗

1.1 TA15 鈦合金的 Gleeble 熱模擬試驗試驗用 d25 mm 小圓棒，于 800 ℃退火處理 1.5 h，再機(jī)械加工成 d8 mm×12 mm 的壓縮試樣，上、下兩端加工成 d7 mm×0.2 mm 的淺槽，以添加 BN 潤滑劑減少摩擦，保證壓縮變形的均勻性和穩(wěn)定性，防止嚴(yán)重鼓形出現(xiàn)。壓縮試驗在 Gleeble3800 熱/力模擬試驗機(jī)上進(jìn)行，加熱速度為 5 ℃/s，至壓縮溫度后保溫 3min，然后進(jìn)行等溫壓縮。變形溫度分別為 800、850、900、950、1 000 和 1 050 ℃，應(yīng)變速率分別為 0.01、0.1、1 和 10s^?1 ，變形過程全部由計算機(jī)控制并自動 采集有關(guān)數(shù)據(jù)，最后得到 TA15 鈦合金高溫壓縮變形隨變形溫度和應(yīng)變速率變化的真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線。

1.2 TA15 鈦合金 d20 mm 棒材的熱連軋工藝

結(jié)合 Gleeble 熱模擬試驗結(jié)果，設(shè)計熱連軋工藝的坯料加熱溫度、連軋入口變形溫度、連軋速率、連軋總變形量等關(guān)鍵工藝參數(shù)，具體的工藝流程是：三次真空自耗熔煉成直徑為 860 mm 的鑄錠→鍛至 80mm×80 mm×80 mm→打磨去除缺陷→高合金鋼生產(chǎn)線連續(xù)軋制成直徑為 20 mm 的成品→磨光→探傷→取樣、檢測性能和組織→合格入庫。

2、結(jié)果與討論

2.1 TA15 鈦合金的 Gleeble 熱模擬試驗

Gleeble 熱模擬試驗得到 TA15 鈦合金高溫壓縮變形隨變形溫度和應(yīng)變速率變化的真應(yīng)力—真應(yīng)變曲線，如圖 1 所示。

由圖 1 可見，TA15 鈦合金高溫壓縮變形時，流變應(yīng)力的變化規(guī)律表現(xiàn)為：1)在峰值點之前，應(yīng)力隨應(yīng)變量的增加呈現(xiàn)近線性迅速增大；2)在應(yīng)變速率一定時，隨著變形溫度的升高，峰值點呈下降趨勢；3)在溫度一定時，隨著變形速率的增大，峰值點呈上升趨勢。另外， 由圖 1 的曲線可知，隨著變形溫度的升高，材料的流動應(yīng)力逐漸降低，并且在不同的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出不同的流動特性：800~950 ℃溫度范圍內(nèi)，材料的流變應(yīng)力到達(dá)峰值之后總體呈下降趨勢，說明在此溫度范圍內(nèi)主要的軟化機(jī)制可能是動態(tài)再結(jié)晶；950~1 050 ℃時，材料的流動應(yīng)力幾乎穩(wěn)定在一個定值，表現(xiàn)出動態(tài)回復(fù)的特征。當(dāng) TA15 鈦合金高溫塑性變形時，在應(yīng)力峰值點之前，應(yīng)力隨應(yīng)變量的增加呈現(xiàn)近線性迅速增大，且隨著變形溫度的升高或應(yīng)變速率的降低，合金的峰值應(yīng)力水平不斷降低。越過峰值應(yīng)力點以后，動態(tài)回復(fù)或動態(tài)再結(jié)晶軟化程度超過了形變硬化，流變應(yīng)力便逐漸降低或保持動態(tài)穩(wěn)定。

同時，在塑性變形過程中，絕大部分能量轉(zhuǎn)化為熱能；變形溫度越低或應(yīng)變速率越大，變形抗力也越大，塑性變形過程中消耗的能量就越多，轉(zhuǎn)化成熱能的也越多，并且變形溫度越低或變形速率越大，單位時間內(nèi)形變熱散失越少，隨著變形溫度的降低或應(yīng)變速率的增大，形變熱效應(yīng)越顯著。因此，如圖 2 所示，至應(yīng)力峰值點后，在同一應(yīng)變速率下，隨著變形溫度的降低，流變應(yīng)力隨應(yīng)變量的增大而逐步 增大 [2?3] 。

2.2 熱連軋棒材的試驗結(jié)果與分析

根據(jù)熱模擬試驗結(jié)果，考慮變形溫度與變形抗力的關(guān)系，以及熱連軋溫升帶來的影響，將變形溫度設(shè)定在 850~950 ℃，選取兩批直徑為 20 mm 的 TA15 鈦合金棒材進(jìn)行試驗，棒材的軋制變形量相同，均在兩相區(qū)軋制，但工藝 2 的軋入口溫度較工藝 1 的高 45℃，使表面質(zhì)量得到改善，但是組織和性能變化不大。

熱連軋直徑為 20 mm 的棒材和橫列式軋制直徑為 40mm 的棒材的性能檢測結(jié)果見表 1，不同軋制工藝獲得的顯微組織如圖 3 所示。

從表 1 的性能檢測結(jié)果來看，不同軋制工藝得到的 TA15 鈦合金小規(guī)格棒材的常規(guī)力學(xué)性能都能滿足相應(yīng)的技術(shù)要求。三種工藝的室溫強(qiáng)度、室溫塑性與500 ℃高溫性能的試驗結(jié)果相當(dāng)；而兩種熱連軋工藝生產(chǎn)的棒材沖擊韌性高于橫列式軋制工藝生產(chǎn)的棒材，但室溫屈服強(qiáng)度低于后者。

從圖 3 的顯微組織來分析，采用兩種熱連軋工藝生產(chǎn)的 TA15 鈦合金棒材組織主要由初生等軸 α、片狀的次生 α 相和 β 相組成，其中 40%~50%為等軸 α 相,說明雖然坯料軋制前的加熱溫度控制在兩相區(qū)下部，但是由于是連軋一火成材，其變形速度相當(dāng)快，變形量也比較大，從而引起軋制過程中棒材溫升比較嚴(yán)重，造成一部分初生 α 相熔解，在隨后的冷卻過程中變成不穩(wěn)定的 β 相，通過退火分解成片狀的次生 α 相。這種組織一般稱為雙態(tài)組織，其強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性匹配較好 [4] ，但是，如果初生等軸 α 相較少的話，其

疲勞強(qiáng)度較差。在采用傳統(tǒng)的橫列式軋制方式生產(chǎn)的TA15 鈦合金棒材組織中，等軸 α 相含量達(dá)到 90％以上，說明在兩相區(qū)下部加熱后的坯料軋制過程中，基本沒有變形溫升。該類組織的強(qiáng)度、塑性等均較好，但是相比雙態(tài)組織，其沖擊韌性要低一些。

3、結(jié)論

1) 采用新型的熱連軋工藝生產(chǎn)的 TA15 鈦合金小規(guī)格棒材，其組織和性能均滿足相應(yīng)的技術(shù)要求。

2) 和傳統(tǒng)的橫列式軋制生產(chǎn)方法相比，新型熱連軋工藝生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品的直度和表面質(zhì)量得到改善，產(chǎn)品的力學(xué)性能基本相當(dāng)。

參考資料:

[1] 李興無, 沙愛學(xué), 張旺峰, 儲俊鵬, 馬濟(jì)民. TA15 合金及其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前景[J]. 鈦工業(yè)進(jìn)展, 2003, 20(4/5): 90?94.

LI Xing-wu, SHA Ai-xue, ZHANG Wang-feng, CHU Jun-peng,MA Ji-min. TA15 titanium alloy and its applying prospects onairframe [J]. Titanium Industry Progress, 2003, 20(4/5): 90?94.

[2] 洪 權(quán) , 張 振 祺 , 趙 永 慶 , 曲 恒 磊 , 魏 壽 庸 .Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V 合金的熱壓變形特性及塑性流動方程[J].廣東有色金屬學(xué)報, 2001, 11(2): 129?133.

HONG Quan, ZHANG Zhen-qi, ZHAO Yong-qing, QU Heng-lei,WEI Shou-yong. Hot compressive deformation behaviors ofTi-6Al-2Zr-1Mo-1V alloy and its plastic flow equation [J].Journal of Guangdong Non-ferrous Metals, 2001, 11(2):129?133.

[3] 徐文臣, 單德彬, 李春峰, 呂 炎 . TA15 鈦合金動態(tài)熱壓縮行為及其機(jī)理研究[J]. 航空材料學(xué)報, 2005, 25(4): 10?15, 19.

XU Wen-chen, SHAN De-bin, LI Chun-feng, Lü Yan. Study onthe dynamic hot compression behavior and deformationmechanism of TA15 titanium alloy [J]. Journal of AeronauticalMaterials, 2005, 25(4): 10?15, 19.

[4] 岳 強(qiáng), 王鼎春, 王希哲, 王 練, 儲茂友, 沈劍韻. 不同軋制工藝制備的 Ti-63 合金棒材顯微組織和力學(xué)性能[J]. 稀有金屬材料與工程, 2008, 37(s3): 283?286.

YUE Qiang, WANG Bing-chun, WANG Xi-zhe, WANG Lian,CHU Mao-you, SHEN Jian-yun. Microstructure and mechanicalproperties of Ti-63 alloy bars prepared by different rollingprocesses [J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2008,37(s3): 283?286.