锻造设备对TA15钛合金显微组织及性能的影响研究

2022-03-24刘程程郭明辉

钢铁钒钛 2022年1期

王哲，何健，张帅，刘程程，郭明辉

（1.陕西宏远航空锻造有限责任公司，陕西咸阳 713801；2.北京星航机电装备有限公司，北京 100074）

0 引言

钛合金具有比强度高、耐蚀性好、良好的生物兼容性等优点被广泛应用于航空、航天、船舶、医疗等领域[1-3]。TA15 钛合金是一种高铝当量近α 合金，名义成分Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，是我国科研人员在前苏联BT-20 基础上改进而成[4-6]。该合金兼有α 型和α+β 型钛合金的优点，如良好的热加工性、热强性和可焊接性，较高的室温以及中温强度，可在450～500 ℃长期使用，而被应用于整体隔框、进气道格栅防护罩和中央翼下壁板等部件[7-8]。

航空结构钛合金主要采用锻造为主的成型方式，近α 及α+β 型钛合金在α+β 相区锻造获得的双态组织具有优异的综合性能，其中变形量和变形温度决定了初生α 相含量和体积分数，锻造和热处理冷却方式决定了β 转变组织的形态[9-10]。近些年，国内外对该合金进行了深入的研究，张旺峰研究了TA15 钛合金大型锻件退火温度和保温时间对室温和500 ℃高温拉伸性能的影响关系[11]；曹京霞通过比较两个(α+β)两相区轧制的TA15 钛合金环形件的显微组织和力学性能，分析了两个环形件的工艺控制特征及微观组织对力学性能的影响[12]；徐文臣采用热模拟压缩试验研究了TA15 钛合金的动态热压缩行为及其机理[13]；欧阳德来基于位错理论探讨了TA15 钛合金在大应变条件下的加工硬化率曲线及动态再结晶行为[14]。

目前，锻造设备主要分为液压和锤压两种，液压机采用近静压方式进行材料变形，而锤压采用冲击方式使材料获得变形能，国内外针对两种锻造方式对TA15 钛合金组织及力学性能影响关系的研究鲜有报道。该合金淬透深度仅为15～20 mm，锻件表面与中心组织和性能差异较大[15]。笔者针对某TA15 钛合金自由锻件力学性能偏低的问题，采用Deform 软件分别进行了TA15 钛合金锻件在液压和锤击两种锻造条件下的变形模拟，分析了不同变形参数下TA15 钛合金显微组织及力学性能的影响关系，为后续该类产品工艺设计提供理论依据。

1 试验材料及方法

试验采用宝钛集团提供的经三次真空自耗电弧熔炼的TA15 钛合金铸锭，铸锭经β 相区开坯和(α+β)相区锻造成Ø200 mm 规格的棒材，化学成分见表1。该炉批[Mo]eq=3.39，[Al]eq=7.2，采用淬火金相法测得相变温度995 ℃。

表1 TA15 钛合金化学成分Table 1 Chemical compositions of TA15 titanium alloy%

图1 为棒材显微组织，可以看出，初生αp相分布于β 相基体上，初生αp相含量约55%，呈球状或蠕虫状，形态均匀。

图1 TA15 钛合金棒材显微组织Fig.1 Microstructure of TA15 titanium alloy bar

采用Deform 软件对TA15 钛合金不同锻造设备变形过程进行模拟，并采用Ø200 mm 规格TA15钛合金棒材在100 MN 油压机及400 kJ 对击锤进行锻件生产，锻后热处理制度：850 ℃，2 h，AC，研究锻造设备对其显微组织及力学性能影响关系。具体模拟参数及锻造工艺见表2。室温拉伸试样采用Ø13 mm×71 mm 标准拉伸试样，在Instron 万能试验机上进行拉伸性能检测。金相试样经去除氧化层、预磨、抛光后，采用V(HF)∶V(HNO3)∶V(H2O)=1∶2∶7 的Kroll 腐蚀液进行侵蚀，显微组织观察采用Leica DMI3000M 金相显微镜进行。

表2 TA15 钛合金锻件变形参数Table 2 The experiments conditions of TA15 titanium alloy forging deformation

2 结果与分析

2.1 采用Deform 模拟的TA15 钛合金锻件等效应变

图2 为采用Deform 软件的锤击模块和液压模块对TA15 钛合金变形模拟后等效应变分布，TA15钛合金等效应变分布可分为三个区域，难变形区、易变形区以及小变形区。在相同变形量条件下，锻件的最大等效应变量差异较小。但三个区域等效应变分布特征不同，采用锤击模块进行模拟，锻件大变形区靠近上模区域，而下模区域等效应变较小。采用液压设备参数条件进行模拟，锻件等效应变沿厚度方向呈对称分布，上下表层为小变形区(等效应变≤0.1)，中心部位为大变形区(等效应变≥0.5)。

图2 TA15 钛合金不同锻造设备条件Deform 模拟等效应变分布Fig.2 The deform simulate equivalent strain of TA15 titanium alloy at various deformation equipments

TA15 钛合金在不同设备进行锻造后等效应变分布特征不同，其主要原因在于，在液压锻造过程中，上下模具与锻件持续接触，锻件与上下模具之间发生热传导现象，能量散失相同，因此等效应变沿厚度呈对称分布。而采用锤击设备进行锻造，上模与锻件进行短暂接触后立即分开，而下模与锻件持续接触，靠近上模部位热量散失较小，变形过程中等效应变较高，小变形区主要集中于靠近下模位置。

2.2 锻造设备对TA15 钛合金显微组织的影响

图3 为不同锻造条件下TA15 钛合金锻件3D显微组织。可以看出，显微组织中球状初生αp相和片状α 相分布于β 相基体，初生αp相含量约25%，三个方向显微组织差异较小。

图3 不同锻造设备条件下锻件3D 显微组织Fig.3 The 3 direction microstructure of TA15 titanium alloy at various deformation equipments

图4 为不同锻造设备条件下沿厚度方向不同等效应变区域显微组织，为避免锻造过程中由于模具温度较低对锻件产生冷模组织对性能分析的偏差，锻件表层位置取样在距离下模具20 mm 处进行，以及在锻件沿厚度方向中心位置取样。可以看出，经400 kJ 对击锤进行锻造后，表层20 mm 处(等效应变0.2)显微组织片层α 相细小且杂乱排列(片层厚度约1.6 μm)；中心位置(等效应变0.5)片层α 相比表层片层α 相粗大(片层厚度约1.8 μm)；经100 MN油压机进行锻造后，靠近下模具表层20 mm 处(等效应变0.1)显微组织球状初生α 相较为细小，片层α 相细小且杂乱排列，但比400 kJ 对击锤锻造后锻件表层20 mm 处的片层α 相粗(片层厚度约2.0 μm)；中心部位片层α 相比表层片层α 相粗大(片层厚度约2.6 μm)，与400 kJ 对击锤显微组织演变特征相同，呈短棒状。

TA15 钛合金经不同锻造设备条件下生产的锻件显微组织中片层α 相形貌差异较大，其主要原因在于采用400 kJ 对击锤进行锻造，变形速率较快，温降过程中析出的片层α 相仅发生动态回复过程，未发生长大现象[16]，形成细小杂乱的片层α 相组织(图4a 和b)；而采用100 MN 油压机进行锻造，变形速率较低，变形过程中析出的片层α 相发生动态回复再结晶过程，变形速率越低，动态回复再结晶过程约充分[17]，形成排列整齐且粗大的片层α 相组织(图4c 和d)。

TA15 钛合金锻件不同取样位置显微组织中片层α 相形貌差异较大，其主要原因在于，钛合金在锻造过程中由于温降析出大量片层α 相，中心部位变形量较大(等效应变0.5)，片层α 相发生动态再结晶过程，片层α 相析出、长大，并且锻后中心部位冷却速率较慢，大量二次α 相析出并附着在片层α 相上并长大，因此在锻件中心部位形成粗大的片层α 相组织。靠近模具位置在锻造过程中冷却速率较大，且变形量小(等效应变0.1)，锻后冷却较快，形成细小针状片层α 相组织[18]。

2.3 锻造设备对TA15 钛合金锻件力学性能的影响

表3 为不同锻造设备条件下分别沿厚度方向不同位置取样进行力学性能测试结果，由表3 可知，不同位置取样的采用400 kJ 对击锤进行锻造的TA15钛合金抗拉强度均高于100 MN 油压机锻造的锻件。在同一锻造设备上锻造的锻件其力学性能与取样位置也有重要影响，采用400 kJ 对击锤锻造后锻件抗拉强度可达991 MPa，而采用100 MN 油压机锻造后锻件抗拉强度仅为965 MPa，锻件表层抗拉强度比中心抗拉强度高约10 MPa。

表3 不同锻造设备条件下不同取样位置TA15 钛合金锻件力学性能Table 3 The mechanical properties of TA15 titanium alloy at various deformation equipments and sampling location

钛合金α 与β 相界面的结合能较弱，微裂纹通常沿着α/β 相界面处扩展，当裂纹扩展方向与α/β相界面控制一致时，裂纹沿α/β 相界面方向扩展。细小的片层α 相存在大量α/β 相界面，为裂纹的萌生提供了大量裂纹形核源，降低了应力集中现象[19]。当显微组织中大量α 相以片层组织形式存在，片层α 相集束的不同取向阻碍了裂纹扩展，当裂纹穿越集束边界时改变方向，导致裂纹分叉和二次裂纹的萌生，这些过程均需消耗更多的能量[20]，因此400 kJ对击锤锻造后的TA15 钛合金表面和心部均具有较高的强度，且表层位置强度比中心位置抗拉强度约高20 MPa。