TA15鈦合金大鍛件兩種模鍛工藝的組織性能對(duì)比研究

王衛(wèi)紅

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司,四川德陽 618000)

TA15鈦合金大鍛件兩種模鍛工藝的組織性能對(duì)比研究

王衛(wèi)紅

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)德陽萬航模鍛有限責(zé)任公司,四川德陽 618000)

采用相同規(guī)格TA15棒材分別利用800MN模鍛壓力機(jī)、1MJ對(duì)擊模鍛錘制備同種形狀鈦合金大型航空模鍛件，對(duì)兩種模鍛條件下的鍛件組織及力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明：800MN制備的鍛件塑性流線分布好，每火次變形量大、變形速率低，比1MJ鍛件再結(jié)晶晶粒尺寸小、等軸初生α相比例高且顆粒更加細(xì)小，室溫、500℃高溫拉伸性能以及沖擊韌性和斷裂韌性均有所提高。

800MN壓力機(jī)；1MJ對(duì)擊錘；TA15鈦合金；大型航空鍛件

大型和特大型壓力機(jī)是衡量一個(gè)國家制造能力甚至工業(yè)實(shí)力的重要標(biāo)志，萬噸級(jí)以上的壓力機(jī)國際上只有美國、俄羅斯等少數(shù)國家擁有，如目前國外最大的壓力機(jī)是俄羅斯的7.5萬噸壓力機(jī)[1]，2013年我國自行研制的8萬噸(800MN)壓力機(jī)已在中國二重萬航模鍛有限公司成功投入使用，成為目前世界上最大噸位的壓力機(jī)。眾所周知，航空鍛件特別是鈦合金鍛件的大型化、整體化是其發(fā)展趨勢[2～4]，而大型化整體化對(duì)設(shè)備的要求之一就是壓力機(jī)噸位越來越大，因此，我國8萬噸壓力機(jī)的投入使用，為我國航空航天等領(lǐng)域特大型鍛件制造提供了設(shè)備條件。

目前，大型鈦合金鍛件制備的主導(dǎo)工藝是根據(jù)1MJ鍛錘設(shè)備制訂的，采用800MN壓力機(jī)后，由于壓力機(jī)噸位增大，可以實(shí)現(xiàn)鍛件每火次大變形量，從而可以減少火次、縮短工藝流程。但工程界最關(guān)心的是800MN壓力機(jī)制備的鍛件與1MJ鍛錘制備的鍛件在組織和性能上有何差異。本研究以TA15鈦合金大型鍛件為例，通過航空大型鍛件在800MN壓力機(jī)與1MJ鍛錘制備的鍛件組織性能對(duì)比研究，以期為800MN壓力機(jī)工藝優(yōu)化及挖掘材料工藝潛力奠定基礎(chǔ)。

TA15是比TC4鈦合金室溫強(qiáng)度略高、高溫性能優(yōu)異的近α型鈦合金，并具有良好的熱加工性能，特別適合制造大型航空模鍛件，因此，在我國航空航天領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[5,6]。針對(duì)TA15鈦合金，有研究者研究了等溫模鍛與普通模鍛條件下組織和性能特點(diǎn)[7]，但對(duì)于普通模鍛尤其是大型壓力機(jī)與鍛錘制備的鍛件組織性能對(duì)比研究幾乎是空白。為此，本研究通過同規(guī)格棒材分別采用800MN模鍛壓力機(jī)、1MJ對(duì)擊錘制備同一零件的TA15鈦合金大型模鍛件，并對(duì)組織及力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析。由于800MN壓力機(jī)壓力大、鍛件變形量大、鍛造火次少，其熱工藝參數(shù)與1MJ對(duì)擊模鍛錘不同，必然導(dǎo)致鍛件組織特征參數(shù)不同，從而影響鍛件的組織性能，因此掌握變形量和變形速率可控的800MN模鍛壓力機(jī)制備的大型鈦合金鍛件顯微組織特征，為TA15鈦合金乃至其他合金的大型鍛件的制備技術(shù)與廣泛應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)，對(duì)提高大型鍛件的質(zhì)量水平具有重要的科學(xué)意義和工程實(shí)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

制備大型模鍛件所用材料為TA15鈦合金，其成分為 Ti-6.6Al-1.6Mo-2.2V-2.0Zr(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%，下同)，合金相變點(diǎn)(tβ)為990±5℃。利用φ350mm大規(guī)格TA15鈦合金棒材，分別在800MN壓力機(jī)、1MJ對(duì)擊錘上模鍛成形制備大型TA15鈦合金垂尾梁鍛件，模鍛加熱溫度為相變點(diǎn)以下40℃。對(duì)兩種模鍛條件下的大型鈦合金鍛件進(jìn)行顯微組織與拉伸性能對(duì)比分析，包括：1)鍛件橫向低倍組織；2)鍛件橫截面由表面至中心高倍組織；3)鍛件室溫及500℃高溫拉伸性能。以下為敘述簡明，以800MN和1MJ代表兩種設(shè)備。編號(hào)8字開頭的為800MN上的數(shù)據(jù)；1字開頭的為1MJ數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 800MN和1MJ兩種設(shè)備鍛造后鍛件組織對(duì)比

圖1a，b分別為利用800MN壓力機(jī)、1MJ對(duì)擊錘制備的鍛件低倍組織形貌?？梢钥闯?，利用兩種設(shè)備鍛造的垂尾梁鍛件低倍均無夾雜、裂紋等缺陷，無明顯粗大晶粒形貌。800MN鍛件流線更完整，分布更合理。

圖1 TA15鈦合金兩種模鍛條件下鍛件低倍形貌及顯微組織取樣示意圖 (a)800MN 鍛件；(b)1MJ 鍛件(粗加工后)Fig.1 Macroscopic morphology and sampling of TA15 large forgings under two die-forging conditions (a)800MN die-forging press；(b) 1MJ die-forging hammer

為分析鍛件組織的均勻性，分別在鍛件橫截面典型位置取樣觀察，取樣示意圖見圖1。取樣圖上的1，2，3分別代表鍛件表面、過渡區(qū)、中心位置。800MN以81，82，83編號(hào)；1MJ以11，12，13編號(hào)。圖2為不同取樣位置顯微組織形貌，縱向看為同種工藝不同位置；橫向看為同一位置不同工藝。通過對(duì)比兩種模鍛條件下鍛件橫截面顯微組織可以看出，兩種工藝下鍛件不同位置均為雙態(tài)組織，且同種工藝下不同位置處的顯微形貌較為一致，表現(xiàn)出良好的均勻性。進(jìn)一步比較兩種工藝同一位置下的高倍組織形貌發(fā)現(xiàn)，800MN的鍛件初生α相比例高于1MJ鍛件，兩種工藝下初生α相比例相差約10%，800MN鍛件初生α相顆粒比1MJ鍛件更細(xì)小。

2.2 800MN和1MJ鍛件性能對(duì)比

為了分析大型鍛件上不同位置的性能均勻性，從鍛件的不同截面上取樣，試樣代表了不同變形量的力學(xué)性能。圖3、圖4分別為利用TA15鈦合金鍛件不同取樣部位，室溫拉伸強(qiáng)度和塑性變化曲線；圖5、圖6分別為500℃室溫拉伸強(qiáng)度和塑性變化曲線；圖7分別是沖擊和斷裂韌度的變化曲線。綜合比較上述性能可以看出，兩種工藝條件下鍛件不同位置處拉伸性能、沖擊性能和斷裂韌性的不同取樣位置一致性較好，說明鍛件的組織均勻性較好，相比而言，采用800MN設(shè)備生產(chǎn)的鍛件拉伸性能、沖擊性能和斷裂韌度略高于1MJ設(shè)備生產(chǎn)的鍛件。

2.3 討論

雖然采用的是相同規(guī)格棒材、制備的是同一尺寸零件的鍛件，但由于模鍛設(shè)備不同，熱工藝參數(shù)則不同，為了具有可比性，制備過程中采用相同的鍛造加熱溫度、冷卻條件、鍛件熱處理工藝，不同的是每火次變形量和變形速率。800MN壓力機(jī)變形速率約為0.05m/s，1MJ對(duì)擊模鍛變形速率約為5m/s，相差約100倍；800MN壓力機(jī)制備鍛件時(shí)鍛造加熱火次為2火，1MJ對(duì)擊錘鍛造加熱火次為5火，從鍛造火次可以看出，鍛件成形過程中，每火次變形不同，800MN壓力機(jī)每火次變形量約為1MJ對(duì)擊錘鍛的2.5倍。

鍛件變形過程中熱工藝參數(shù)的不同，導(dǎo)致組織特征參數(shù)不同，組織特征參數(shù)不同，則會(huì)表現(xiàn)為鍛件力學(xué)性能的不同。鍛件在變形過程中會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，再結(jié)晶過程是由擴(kuò)散機(jī)制主導(dǎo)的熱激活過程。變形速率低有利于再結(jié)晶的發(fā)生，而再結(jié)晶晶粒尺寸的大小則與變形量密切相關(guān)[8]。變形量越大，則再結(jié)晶晶粒越小，晶粒越細(xì)小則鍛件的拉伸強(qiáng)度越高、塑性越好、沖擊韌性和斷裂韌性越高；從初生α相的比例和形態(tài)而言，變形速率越低、變形量越大，初生α相的破碎程度越高，即越細(xì)??；加熱火次多則初生α相的比例少[9]，以上這些熱工藝特點(diǎn)，能夠很好地解釋800MN壓力機(jī)鍛件晶粒尺寸小、初生α相顆粒細(xì)小、初生α相比例高，從而拉伸強(qiáng)度和塑性和韌性高于1MJ鍛件的原因。

圖2 TA15鈦合金800MN和1MJ鍛件顯微組織比較Fig.2 Comparison of Microscopic morphology for TA15 forgings under two die-forging conditions

圖3 TA15鈦合金800MN和1MJ鍛件室溫拉伸強(qiáng)度對(duì)比Fig.3 Comparison of Tensile strength for TA15 forgings under two die-forging conditions at RT

圖4 TA15鈦合金800MN和1MJ鍛件室溫拉伸塑性對(duì)比Fig.4 Comparison of tensile plasticity for TA15 forgings under two die-forging conditions at RT

圖5 TA15鈦合金800MN和1MJ鍛件500℃高溫拉伸強(qiáng)度對(duì)比Fig.5 Comparison of tensile strength for TA15 forgings under two die-forging conditions at 500℃

圖6 TA15鈦合金800MN和1MJ鍛件500℃高溫拉伸塑性對(duì)比Fig.6 Comparison of tensile plasticity for TA15 forgings under two die-forging conditions at 500℃

圖7 TA15鈦合金800MN和1MJ鍛件沖擊和斷裂韌度對(duì)比Fig.7 Impact and fracture toughness for TA15 forgings under two die-forging conditions

3 結(jié)論

(1)相比于1MJ對(duì)擊錘，采用800MN壓力機(jī)制備的鍛件塑性流線與鍛件外形貼合更好，分布更加合理。

(2)800MN制備鍛件，每火次變形量更大、變形速率低，比1MJ鍛件再結(jié)晶晶粒尺寸小、等軸初生α相比例高、初生α相顆粒細(xì)小。

(3)與1MJ鍛件相比，800MN鍛件的室溫、高溫拉伸性能、沖擊韌性和斷裂韌度優(yōu)于1MJ鍛件。

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Comparison of Microstructure and Mechanical Properties for TA15 Titanium Alloy Large Forgings under Two Die-forging Equipments

WANG Wei-hong

(China Erzhong Deyang Wanhang Die Forging Co.,Ltd, Deyang 618000 , Sichuan China)

800MN die-forging press and 1MJ die-forging hammer were employed on TA15 titanium alloy to produce large aerial forgings. Microstructure and mechanical properties of TA15 forgings under the two forging equipments were investigated and compared. Results show that the forgings under 800MN die-forging press have a preferable plastic flow. The 800MN die-forging press will cause lager deformation and lower strain rate during every heating. The forgings under 800MN die-forging press have more fine grain size after recrystallization compared with those under 1MJ die-forging hammer. It also had a higher percentage of primary alpha phase as well as more fineαprecipitation under 800MN die-forging press. As a result, its tensile properties and impact toughness and fracture toughness of the forgings are higher than those under 1MJ forging. Furthermore, the costs and quality are more ideal under 800MN die-forging press because the strain and strain rate are more controllable and the forging times are less.

800MN die-forging press；1MJ counterblow hammer；TA15 titanium alloy；large forging

2014-10-29；

2014-12-22

王衛(wèi)紅(1968— )，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事金屬材料熱處理及鍛造研究，(E-mail)wwh5128@sina.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2015.3.005

TG146.2+3

A

1005-5053(2015)03-0024-05