退火对高Mo当量大型TA15钛合金锻件组织与拉伸性能的影响

曾 菁,王晓巍,余胜峰,莫安军,陈先国,刘鹏茹

(1.中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司，四川 德阳 618013) (2.沈阳飞机工业(集团)有限公司，辽宁 沈阳 110034)

TA15钛合金对应俄罗斯BT20钛合金，名义成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，是典型的近α型钛合金[1]。与TC4钛合金相比，TA15钛合金不仅具有良好的热稳定性和可焊性，而且具有更高的室温和高温强度，在航空航天发动机上得到了广泛应用[2-3]。按名义成分计算，TA15钛合金的Mo当量为1.7，工程生产时，可根据不同产品的特定性能指标要求，在成分上下限范围内，适当调整Mo和V的含量，故不同批次TA15钛合金材料的Mo当量有所差别。TA15钛合金稳定状态时的β相含量较少，热处理强化效果极为有限，因此对于普通应用的锻件产品，工程上最为常用的热处理方式是普通退火[1,4]，即通过回复再结晶作用消除残余应力，稳定组织[5]。增加Mo当量有助于提高热处理强化的效果。

我国TA15钛合金锻件国产化大致经历了消化、吸收及再创新的发展历程。根据用户对锻件重量、截面厚度及性能要求的不同，可灵活调控合金成分，制定合适的热处理制度。对于强度要求较低的中小型锻件，控制合金成分时采用较低的Mo当量，并选用简单的普通退火工艺进行热处理。已有研究表明，随着退火温度的升高，TA15钛合金的拉伸强度呈下降趋势[2]。但随着飞机结构锻件向大型化、整体化发展，TA15钛合金大型复杂结构锻件经常出现拉伸强度不达标的问题，因此，在成分控制时需适当增加Mo和V的含量来提升强度性能，实际成分的Mo当量往往超过2.5。研究表明，采用小吨位压机及多火次小变形方式成形的高Mo当量TA15钛合金锻件，随着退火温度的升高，拉伸强度呈增高趋势[6]。

2012年，中国第二重型机械集团有限公司建造并投产了800 MN模锻压机，可实现大型钛合金结构锻件少火次大变形的锻造成形。与小型锻件和小变形获得的锻件相比，此类高Mo当量、少火次大变形成形的大型锻件，初始组织的应变能和内应力更大，导致再结晶温度有所降低，退火过程中的组织演变更加复杂，而且高Mo当量还增强了热处理强化的效果。另外，大规格钛合金锻件的少火次大变形锻造，势必引起锻件内应力的增大，需要进行退火处理消除内应力。锻件经焊接、机械加工等工序后也会产生残余应力，需重复进行退火处理，但多次重复退火处理是否影响其组织与性能尚不清楚。

为了满足航空航天对高强、大规格锻件的需求，以高Mo当量、大变形的大型TA15钛合金结构锻件为对象，研究了退火温度、预先热处理及多次重复退火对锻件拉伸性能的影响规律，以期为制定和优化退火工艺参数提供依据。

1 实 验

实验材料为φ350 mm TA15钛合金棒材，其化学成分见表1。根据当量计算公式[7]，该合金的Mo当量高达3.46。经金相法测定，其β相转变温度(Tβ)为988 ℃。

化学成分因素是导致该合金出现热处理强化的前提，而退火过程中出现的再结晶软化与析出强化是出现上述规律的根本原因。不论是再结晶还是形成析出相均是热激活过程，需要能量作为驱动力。退火温度由700 ℃升高至840 ℃时，再结晶软化起主导作用，因而强度呈降低趋势；退火温度为840～880 ℃时，析出次生α相的强化起主导作用，再结晶软化起次要作用，因而强度增大；退火温度超过880 ℃后，再结晶软化起主导作用(析出的过时效也是软化的原因)，初生α相比例减少也是强度下降的原因之一。

表1 TA15钛合金棒材的化学成分 (w/%)

图1为大规格TA15钛合金锻件的室温拉伸性能随退火温度的变化曲线。从图1可以看出，随着退火温度的升高，TA15钛合金锻件的拉伸强度呈现先降低后升高再降低的变化趋势，并在880 ℃时抗拉强度达到最大，而塑性随退火温度的变化不明显。这与传统意义的BT20或TA15钛合金小规格锻件强度随退火温度升高而下降[2]，或大规格锻件强度随退火温度升高而升高的规律不同[6]。这种不同与材料的化学成分、再结晶程度及次生相的析出有关[8-9]。首先是化学成分的影响，通常小规格锻件的β稳定元素含量取中下限，反映在Mo当量上应小于2.5，而该合金的Mo当量为3.46，成分已属于α+β型两相钛合金范畴，存在通过热处理强化的可能性。

习近平新时代中国特色社会主义思想内涵十分丰富，涵盖了经济、政治、法治、科技、文化、教育、民生、民族、宗教、社会、生态文明、国家安全、国防和军队、“一国两制”和祖国统一、统一战线、外交、党的建设等各方面。十九大报告提出的“8个明确”和“14条基本方略”，是习近平新时代中国特色社会主义思想的主要内容和集中展示，也是这一新思想的突出贡献，理论新建树。它集中回答了坚持和发展什么样的中国特色社会主义，怎样坚持和发展中国特色社会主义这个重大时代课题。这就是习近平新时代中国特色社会主义思想的核心要义。

2 结果与分析

2.1 退火温度对组织与拉伸性能的影响

为了减小力学性能数据的分散性，模拟大变形锻件成形方式对棒材进行两火自由锻+两火模锻，得到规格为1200 mm×670 mm×160 mm的TA15钛合金锻件，总变形量为30%～40%。从TA15钛合金锻件上切取φ20 mm×90 mm试棒若干，对其进行不同制度热处理：① 分别在700、750、800、840、880、930、950 ℃进行退火处理，保温1 h，空冷；② 探索2次退火工艺的可行性，即先进行一次800 ℃/1 h/AC预先热处理，然后进行不同温度的退火处理；③ 对锻件进行5次800 ℃/1 h/AC重复退火处理。

图1 大规格TA15钛合金锻件室温拉伸性能随退火温度的变化曲线Fig.1 Various curves of room temperature tensile properties vs. annealing temperature of large TA15 titanium alloy forging

图4为大规格TA15钛合金锻件经多次800 ℃/1 h/AC重复退火后的室温拉伸性能。从图4可以看出，随着退火次数的增加，强度仅略有下降，其中抗拉强度降幅不超过10 MPa，且小于1%，而塑性无明显变化。这表明按现行工艺对大规格TA15钛合金锻件进行重复退火，不会引起拉伸性能的明显变化。

图2 大规格TA15钛合金锻件经不同温度退火处理后的显微组织Fig.2 Microstructures of large TA15 titanium alloy forging after annealing at different temperatures: (a, b) 800 ℃; (c, d) 840 ℃; (e, f) 880 ℃; (g, h) 950 ℃

未来研究将集中在以下两方向：①对于周末、节假日等特殊时段，考虑采用新机制进行参数优化，以提高该类时段的预测准确率；②将基于量子进化算法优化的ARMAX模型应用结合到其他制造业应用领域，以提升工业制造智能化水平。

2.2 预先热处理对拉伸性能的影响

图5为大规格TA15钛合金锻件经多次800 ℃/1 h/AC重复退火后的显微组织。从图5可以看出，随着退火次数的增加，锻件组织形貌未发生明显变化，均为典型的双态组织。这表明大规格TA15钛合金锻件组织稳定，多次重复退火对其显微组织影响不大。

图3 预先热处理对大规格TA15钛合金锻件室温拉伸性能的影响Fig.3 Effect of pre-heat treatment on room temperature tensile properties of large TA15 titanium alloy forging

2.3 退火次数对组织与拉伸性能的影响

图2为大规格TA15钛合金锻件经不同温度退火处理后的显微组织。从图2可以看出，经800 ℃退火后，β转变组织中的β相内部无析出物；经840 ℃退火后，β相中局部析出细小的次生α相，但由于次生α相较少，强化作用较弱；经880 ℃退火后，β相中析出大量细小的次生α相，强化效果显著；退火温度进一步升高至950 ℃时，β相中析出的次生α相粗化，初生α相含量减少，导致强化效果减弱，强度有所下降。

将热处理后的试棒加工成标准拉伸试样，采用Instron 4507万能试验机进行室温拉伸性能测试。采用FEI Quanta 600扫描电子显微镜(SEM)进行显微组织观察。

图4 重复退火(800 ℃/1 h/AC)对大规格TA15钛合金锻件室温拉伸性能的影响Fig.4 Effect of repeat annealing (800 ℃/1 h/AC) on room temperature tensile properties of large TA15 titanium alloy forging

图3为大规格TA15钛合金锻件经预先热处理+普通退火后的室温拉伸性能。图中曲线1为普通退火，曲线2为预先热处理+普通退火。与普通退火工艺相比，第2次退火温度低于840 ℃时，再结晶软化起主要作用，强度略有下降；当第2次退火温度升至840～880 ℃，由于预先热处理而使强化效果增强，强度略有增加。

1.4.1 研究方法 搜集76例自2009年10月至2016年6月于本院确诊AL并经诱导治疗达血液学CR后监测过MRD的成人患者资料，对AML及ALL患者在CR后3、6、12及12个月后MRD阳性及阴性组复发率及RFS进行统计学分析。

作为油井水泥浆中的一种外加剂，缓凝剂主要作用是增加油井水泥浆体系的水化诱导期，延长水泥稠化时间，从而确保油井堵水施工时水泥浆安全顺利注入地层[1-4]。目前，广泛应用的油井水泥缓凝剂主要有天然聚合物缓凝剂和人工合成缓凝剂两类[5-7]：天然聚合物缓凝剂性能不稳定，耐温性和抗盐性较差；而人工合成缓凝剂性能稳定，耐温耐盐性能良好，逐渐取代了天然聚合物缓凝剂。国外Brothers等最早研究有机膦酸类聚合物缓凝剂，从20世纪八九十年代以来人工合成聚合物类缓凝剂已经成为国内的缓凝剂研究重点，但人工合成缓凝剂普遍存在成本高、用量大和合成工艺复杂的缺点[8-10]。

图5 多次重复退火后大规格TA15钛合金锻件的显微组织Fig.5 Microstructures of large TA15 titanium alloy forging after repeated annealing: (a) once; (b) twice;(c) three times; (d) four times; (e) five times

3 结 论

(1) 随着退火温度的升高，高Mo当量、大规格TA15钛合金锻件的强度呈现先降低后升高再降低的变化趋势，并在880 ℃时抗拉强度达到最大，而塑性随退火温度变化不明显。

(2) TA15钛合金锻件经800 ℃退火后，β转变组织中的β相内部无析出物，回复再结晶起主导作用，强度降低；经840 ℃退火后，β相中局部析出细小的次生α相，但由于次生α相较少，强化作用较弱；经880 ℃退火后，β相中析出大量细小的次生α相，强化效果显著；退火温度进一步升高至950 ℃时，β相中析出的次生α相粗化，初生α相含量减少，导致强化效果减弱，强度有所下降。

校办企业是学校根据自己的专业特点，适应经济形势，由学校出资、出技术、出管理人才所建立的企业，企业的运营和管理由学校说了算，在实行学徒制培养模式上有很大的便利。但是高校企业的缺点也很明显，它只能针对自己强项来开办企业，满足不了高校多种专业的学徒制培养模式。

(3) TA15钛合金锻件组织稳定，多次800 ℃/1 h/AC重复退火对其显微组织影响不大。