一种新型近α钛合金锻造工艺的优化

2014-12-31张晓东

机械工程与自动化 2014年2期

张智，李维，廖强，侯鹏，吴华，张晓东

（西部钛业有限责任公司，陕西西安 710201）

0 引言

钛合金以其密度小、比强度高、低温及高温力学性能优良、耐蚀、可焊性好等特点而成为航空航天领域一种重要的结构材料。随着我国航空航天事业的快速发展，航空航天专用结构对钛合金力学性能的要求也越来越高［1－3］。Ti-Al-Zr-Mo钛合金就是适用于现阶段航空航天工程需要的新型近α钛合金。由于该合金为近α型钛合金，强化热处理工艺对改善合金性能效果不是很不明显［4］。因此，通过研究锻造工艺对合金的组织和性能的影响，得出最优化的锻造工艺显得尤为必要。本文深入研究分析了不同变形温度及不同变形量对此钛合金组织与性能的影响，为制定该合金的锻造工艺、获得良好的组织性能提供理论与实践方面的依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验用铸锭采用三次真空自耗电弧炉熔炼，表1为铸锭杂质成分。

表1 铸锭杂质成分（质量分数）%

由表1铸锭杂质成分可以看出，合金已达到EIL（低间隙）级，该合金相变点经金相法测得为930℃。

1.2 试验方法

铸锭经过开坯锻造后，改锻至Ф180×L，并锯切4等分Ф180×200试样，试样标识为A，B，C，D，并进行如表2所示的锻造工艺。

表2中，均匀化处理是指试样先经过在β相加热保温后进行水冷处理。所有试样均在50%变形量下做镦粗拔长，待锻造工艺结束后，观察其低倍组织，并取拉伸试样，试样经750℃/1h空冷退火处理后，测试其室温力学性能，并观察高倍金相显微组织。

表2 试样锻造工艺

室温拉伸试验按照GB/T228－2002《金属材料室温拉伸试验方法》的标准在Instron 1185电子万能试验机上进行，金相分析在OLYMPUS PMG3光学显微镜上进行。

2 试验结果及分析

2.1 锻造工艺对低倍组织的影响

图1为经过不同锻造工艺后合金的低倍金相组织，图1中的（a）、（b）、（c）、（d）依次为A，B，C，D 4个试样的低倍组织。图1中的（a）和（b）为900℃变形温度下的低倍组织，从中可以发现，960℃的变形温度下合金组织呈清晰晶，有些晶粒还有完整的晶界，且晶粒粗大，用肉眼可见，且组织不均匀；而图1中的（c）和（d）为920℃变形温度下的低倍组织，其表现为模糊晶，且组织较细小、均匀。从图1中的（c）和（d）中还可以观察到棒材R/2处至R/3处低倍组织相对棒材心部及边部较细小，因此，在该处取试样进一步分析其高倍金相组织和力学性能。

2.2 锻造工艺对高倍组织的影响

图2为经过不同锻造制度后合金的高倍金相组织。图2（a）和图2（b）为相变点之上的变形，从试样金相照片上可以清楚地看到没有完全破碎的晶界α，且晶界α连续，虽然经过变形破碎，但只有晶界处组织被破碎，而晶内组织未被破碎呈魏氏组织，且有一定的取向性。图2（c）为经过在两相区大变形量锻造后的组织，由于其原始组织经过均匀化处理，较细小，原始片层组织厚度较薄，易于破碎球化，经过大变形量锻造后，原始片层组织已经基本上转化为等轴组织，球化程度高。而图2（d）由于未经过β相区均匀化处理，原始组织较粗大，且厚度较厚，虽然经过锻造处理，但其组织没有完全球化，组织有一定的取向性。

图1 不同锻造制度试样低倍组织

2.3 锻造工艺对室温力学性能的影响

图3为不同锻造制度的试样力学性能。从图3中可以看出，920℃变形温度合金的力学性能明显比960℃变形温度的要强，而在同一变形温度下，经过均匀化处理的性能要强于没有经过均匀化处理的。这是由于魏氏组织呈规则片层组织，各向异性差，强度和塑性相比等轴组织要差。而由于经过均匀化处理的组织较均匀，片层组织较薄，易于破碎，变形后等轴化相对较好，组织相对均匀，力学性能要强于没有经过均匀化处理的组织。在室温下，合金的强度随着等轴组织的变化而变化，等轴组织含量高，合金的强度高；等轴组织含量低，相对来说强度就降低一些；而片状组织的强度最低。这种变化符合一般的强度变化规律。