引言

TA15鈦合金是一種綜合性能優(yōu)良的中強(qiáng)鈦合金，室溫強(qiáng)度較Ti-6Al-4V（TC4）合金高30～50MPa，且具有較好的加工性能，可用于生產(chǎn)薄板、厚板、型材、棒材、鍛件、模鍛件和線材等產(chǎn)品。該合金焊接性能良好，可與其他鈦合金互焊，用于制作飛機(jī)大型焊接結(jié)構(gòu)----隔框等大型構(gòu)件，焊縫的強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)0.90～0.95。

由于φ400mm的TA15鈦合金棒材尺寸規(guī)格較大，因此在鍛造及冷卻過程中，容易造成棒材變形不均勻及溫度不均勻，從而導(dǎo)致棒材邊部及心部的組織不均勻，最終使φ400mmTA15鈦合金棒材的性能不均勻［1］。為此，研究了不同鍛造工藝鍛制的大規(guī)格TA15鈦合金棒材的組織及性能［2］，探索能夠滿足使用要求的大尺寸TA15鈦合金棒材的生產(chǎn)工藝。

1、實驗

1.1實驗材料

實驗用的鑄錠為10ｔ真空自耗電弧爐三次熔煉批量化生產(chǎn)的φ940mmTA15鈦合金鑄錠。為了消除因化學(xué)成分差異引起的組織差異，在鑄錠頭部和尾部取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，在批量鑄錠中選取鑄錠間成分差異較小且同一個鑄錠頭尾成分均勻的3個鑄錠（鑄錠的化學(xué)成分見表1），進(jìn)行工藝試驗。

1.2實驗方案

在φ300mmTA15鈦合金棒材鍛造工藝的基礎(chǔ)上，確定了制備φ400mmTA15鈦合金棒材的3種工藝方案，具體方案如表2所示。3種鍛造方案除鑄錠開坯的變形方式不同外，其他的工藝參數(shù)均相同。

TA15鈦合金棒材的鍛造在3150ｔ水壓機(jī)和2500ｔ快鍛機(jī)上進(jìn)行。在3種工藝鍛制的成品棒材的邊部、1/2R處和心部切取橫向試樣。試樣經(jīng)800℃×2h／ＡＣ熱處理［3］后，在蔡司金相顯微鏡上進(jìn)行顯微組織觀察，在拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行室溫力學(xué)性能測試。采用ＣＴＳ－23Ｂ型超深波探傷儀（探頭為5Ｐφ14平探頭，耦合劑為機(jī)油）用接觸法分別對3種鍛造工藝獲得的φ400mmTA15鈦合金棒材進(jìn)行超聲波檢驗。

2、結(jié)果與討論

2.1.3種工藝方案制備的棒材的低倍組織

圖1為經(jīng)3種工藝鍛制的φ400mmTA15鈦合金棒材的低倍組織照片。

從圖1可以看出，經(jīng)方案3鍛制的TA15鈦合金棒材的低倍組織晶粒較為清晰，說明直接拔長變形量不足，晶粒未得到充分細(xì)化。經(jīng)方案1與方案2鍛制的棒材低倍組織差別不大，經(jīng)方案2鍛制的棒材低倍組織更細(xì)小、均勻。晶粒組織在β相區(qū)發(fā)生的變化服從金屬在變形時的一般變化規(guī)律，當(dāng)變形量增加時，β晶粒的尺寸和形狀都會發(fā)生改變，還會發(fā)生初次再結(jié)晶，從而使晶粒細(xì)化［2］。方案2在β相區(qū)的變形量最大，晶粒得到了充分細(xì)化，成品為細(xì)小的模糊晶。

2.2.3種工藝方案制備的棒材的顯微組織

圖2為經(jīng)3種不同工藝鍛制的φ400mmTA15鈦合金棒材邊部、1/2R處及心部橫向試樣經(jīng)熱處理后的顯微組織金相照片。

從圖中可以看出，經(jīng)3種方案鍛制的TA15鈦合金棒材晶粒尺寸有差別，經(jīng)方案3鍛制的棒材晶粒尺寸相對較大，這與低倍組織是對應(yīng)的。從鍛制變形后不同部位組織的均勻性來看，經(jīng)方案1鍛制的棒材不同部位的組織有差異，邊部和心部的α相主要以等軸狀為主，而1/2R處存在較多拉長的α相。造成不同部位組織不均勻的原因是鐓粗產(chǎn)生了不均勻的塑性變形，采用一次鐓粗后拔長，不足以改善不同部位的組織不均勻性。方案3只采用拔長工藝進(jìn)行開坯鍛造，相對鐓粗工藝變形較為均勻，因此經(jīng)方案3鍛制的棒材顯微組織較為均勻，但由于變形量較小，晶粒尺寸較大。經(jīng)方案2鍛制的棒材不同部位的顯微組織較為均勻，且α相為等軸狀，尺寸較經(jīng)方案1和方案3鍛制棒材的α相小。這是因為方案2采用兩次鐓拔的工藝進(jìn)行開坯鍛造，變形量較一次鐓拔大，且變形更加均勻，因此得到的φ400mmTA15鈦合金棒材的顯微組織更加均勻細(xì)小［4］。

2.33種工藝方案制備的棒材的力學(xué)性能

圖3為3種工藝鍛制的TA15鈦合金棒材橫截面邊部、1/2R處及心部試樣熱處理后的室溫拉伸性能曲線。從圖3可以看出，除方案1的抗拉強(qiáng)度外，不同方案的棒材強(qiáng)度指標(biāo)都有從邊部到心部逐漸降低的趨勢，而塑性指標(biāo)變化不明顯。3種工藝方案鍛制的φ400mmTA15鈦合金棒材力學(xué)性能均能達(dá)到項目要求值（Rｍ為930～1130MPa，Rｐ0.2≥855MPa，A≥9％，Z≥20％），說明在兩相區(qū)變形量足夠的情況下，增加開坯鍛造的變形量對拉伸性能影響較?。?］，但增加開坯鍛造的變形量可以改善不同部位拉伸性能的一致性［4］。

2.43種工藝方案制備的棒材的探傷水平

對3種工藝鍛制的φ400mmTA15鈦合金棒材進(jìn)行超聲波檢驗，結(jié)果見表3。從表3的探傷結(jié)果可以看出，經(jīng)3種方案鍛制的棒材均未發(fā)現(xiàn)單顯超標(biāo)，探傷結(jié)果較好。其中，方案2的雜波水平最低，方案3次之，方案1最高。說明組織均勻性對探傷雜波水平的影響較大，在組織均勻性相當(dāng)?shù)那闆r下，晶粒尺寸細(xì)小的棒材探傷水平更高。由于經(jīng)方案2鍛造的棒材的組織均勻性更好且晶粒尺寸更加細(xì)小，因此雜波水平更低。

3、結(jié)論

在鑄錠開坯時通過兩次鐓拔變形，增加β相區(qū)的變形量，并在中間鍛造及成品鍛造使變形量分別大于40％和30％，再經(jīng)８00℃×2ｈ／ＡＣ的熱處理后，可以得到邊部、1/2R處及心部組織均勻細(xì)小的的φ400mmTA15鈦合金棒材，且各項力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，探傷雜波水平可達(dá)φ3.2mm－9ｄＢ。

參考文獻(xiàn)

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