鍛造溫度對TA5-A鈦合金組織及性能的影響

宋蕊池 李渭清 馬 龍 岳 旭

（1西安建筑科技大學(xué)，西安 710055 2寶雞鈦業(yè)股份有限公司，寶雞 721014）

1 前言

TA5-A鈦合金名義成分為Ti-4Al-0.005B，是一種具有中等強度的鈦合金，屬于典型的α合金。該合金具有良好的焊接性能和耐蝕性，可在海水環(huán)境下工作，是船舶制造行業(yè)的理想結(jié)構(gòu)材料，可加工成板材、棒材和鍛件，尤其適用于各類兵器制造[1]。

本文采用不同溫度下加熱后進行鐓粗的變形工藝方案，對TA5-A鈦合金棒材進行工藝試驗，經(jīng)熱處理后，檢測高倍組織和力學(xué)性能，分析研究了變形工藝對該合金綜合力學(xué)性能和微觀組織的影響規(guī)律，為選擇該合金壓力加工工藝提供參考依據(jù)。

2 實驗材料和方法

試驗采用寶雞鈦業(yè)股份有限公司真空自耗電弧爐熔煉生產(chǎn)的Ф620mmTA5-A鈦合金鑄錠，其成分為（wt%）： Al 4.1，B 0.004～0.005，F(xiàn)e 0.22～0.23，C 0.02，N≤0.01，H≤0.004，O≤0.09，Y≤0.005，符合《鈦及鈦合金牌號和化學(xué)成分》（GB/T3620.1-2007），（α+β）/β轉(zhuǎn)化溫度為1000～1010℃。該鑄錠在β相區(qū)開坯，經(jīng)多火次鍛造，并在α+β相區(qū)經(jīng)過40%的變形，生產(chǎn)為Ф120mm的棒材，棒材的組織和性能分別見圖1和表1。

表1 Ф120mm棒材的向室溫力學(xué)性能

圖1 TA5-A合金Ф120mm棒材顯微組織（a：橫向；b：縱向）

不同加熱溫度下的鐓粗變形試驗方案如下：

方案1：960℃加熱，變形量ε=55%

方案2：980℃加熱，變形量ε=55%

方案3：1030℃加熱，變形量ε=55%

按上述不同工藝鐓粗后所獲得的餅材，切取弦向試樣，試樣經(jīng)840℃/ 2h.AC熱處理后進行性能測試和微觀組織觀察。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 鐓粗變形工藝對微觀組織的影響

不同變形工藝的鐓粗餅材顯微組織如圖2。從圖中可以看出，這三種工藝得到的組織與棒坯有明顯的差異。α+β相區(qū)鐓粗的餅材（方案1和方案2）其顯微組織為典型等軸α組織。因為鐓粗變形時，坯料心部位置為最大變形區(qū)，邊部位置為自由變形區(qū)，心部坯料變形較大，所以α晶粒比邊部細小。而方案1比方案2的變形溫度更低，其α相細化程度較方案2好；方案3為β相變形，其顯微組織為針狀α束相互穿插分布的網(wǎng)籃組織。

表2 不同變形工藝的室溫力學(xué)性能

圖2 三種工藝方案鐓粗后圓餅熱處理態(tài)的顯微組織×100

3.2 鐓粗變形工藝對力學(xué)性能的影響

三種不同變形工藝生產(chǎn)的餅材，在D/4處取弦向試樣，分別檢測室溫拉伸性能和沖擊韌性，檢測結(jié)果見表2。從表1和表2可以看出：與Ф120mm棒材的性能相比，三種工藝下的均比棒材的強度有所改善。綜合分析，采用不同的鐓粗變形方式可使鐓粗后餅材的強度、沖擊性能均有所改變。

經(jīng)方案1和方案2生產(chǎn)的餅材，其顯微組織形貌與本體差別不大，均為等軸α組織，只是經(jīng)過變形后，晶粒更加細小。力學(xué)性能中強度和塑性均有所增加，這是因為坯料在經(jīng)過變形后，晶粒得到一定細化，通過細晶強化作用使坯料的強度和塑性均提高。沖擊韌性有所降低，這是由于針對等軸α組織，其V型沖擊缺口應(yīng)力集中系數(shù)較大，等軸α相的抗裂紋萌生作用減小，裂紋擴展路徑對沖擊韌性的影響占主導(dǎo)作用，變形后的組織（方案1和方案2）其α顆粒球化程度更好，裂紋擴展路徑減小，導(dǎo)致沖擊韌性有所降低。

方案3生產(chǎn)的餅材，其抗拉強度提高約40MPa，塑性略有降低，沖擊韌性提高較為明顯。這是由于變形后組織與坯料有較大變化，為典型的網(wǎng)籃組織。較于等軸組織而言，網(wǎng)籃組織有強度、韌性高，塑性低的特點。由于片狀α相能夠有效的增加裂紋擴展路徑，所以其沖擊韌性值比較高。

4 結(jié)論

（1）三種鐓粗變形工藝得到的組織有明顯差異，β區(qū)加熱變形后得到的組織為網(wǎng)籃組織，組織較為粗大，晶界不明顯。（α+β）區(qū)加熱變形后得到細等軸組織。

（2）β區(qū)加熱變形得到的片層狀組織與（α+β）區(qū)加熱變形得到的等軸組織相比，塑性略有降低，強度和沖擊韌性提高。特別是沖擊性能提高非常明顯。

（3）實際生產(chǎn)中，對于沖擊韌性要求較高時，應(yīng)采用β鍛工藝。在保證TA5-A鈦合金具有一定塑性的前提下，可明顯提高沖擊韌性指標。同時可保證坯料在鍛造過程中具有良好的加工塑性。