工藝參數(shù)組合對TA7鈦合金拉伸性能的影響

姚澤坤，孫紅蘭，張東亞，郭鴻鎮(zhèn)，魏壽庸，車安達(dá)

(1．西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，陜西 西安 710072;2．寶雞有色金屬加工廠，陜西 寶雞 721014;3．江西景航航空鍛鑄有限公司，江西 景德鎮(zhèn) 333437)

0 引言

TA7合金是一種中等強(qiáng)度的單相α型鈦合金，含有5%鋁和2.5%錫，可用以制造機(jī)匣殼體、壁板、緊固件等零件。該合金長期工作溫度可達(dá)500℃，短時(shí)工作溫度可達(dá)800℃。低間隙雜質(zhì)元素的TA7ELI合金適合于低溫下使用，生產(chǎn)的半成品有板材、棒材、餅材和環(huán)形件等，還可用于生產(chǎn)鑄件［1，2］。該合金成形時(shí)變形抗力大，在α相區(qū)成形時(shí)塑性差，不能用于冷成形，不能通過熱處理強(qiáng)化，通常在退火狀態(tài)下使用，其室溫和高溫下具有良好的斷裂韌度［2］。

在材料成分確定的情況下，變形參數(shù)是影響鈦合金鍛件顯微組織和力學(xué)性能的主要因素［3］。本文主要研究了鍛造時(shí)毛坯加熱溫度、應(yīng)變速率、變形量等參數(shù)的變化對TA7鈦合金室溫拉伸性能和顯微組織的影響，分析了不同參數(shù)組合變形后試樣斷口形貌，為優(yōu)化該合金的成形工藝參數(shù)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)用原材料為寶鈦公司提供的Φ20 mm直徑TA7鈦合金棒材，用金相法測得相變點(diǎn)為1035℃，原始組織為分布均勻的沿軋制方向拉長的α相，如圖1所示。

圖1 TA7鈦合金棒材顯微組織Fig.1 Microstructure of TA7 titanium alloy rod

近等溫鍛造試驗(yàn)在6300 kN四柱液壓機(jī)上進(jìn)行，該設(shè)備配備有自動(dòng)采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)，應(yīng)變速率等工藝參數(shù)可準(zhǔn)確控制?？紤]到實(shí)驗(yàn)工作量和結(jié)果的代表性，本次實(shí)驗(yàn)按擬水平正交法設(shè)計(jì)的參數(shù)及水平見表1，擬水平正交實(shí)驗(yàn)安排如表2所示。試樣在標(biāo)準(zhǔn)熱處理后進(jìn)行了室溫拉伸性能測試，結(jié)果見表2。

2 擬水平正交實(shí)驗(yàn)方差分析結(jié)果

根據(jù)表2所列擬水平正交實(shí)驗(yàn)變形試樣所得的室溫拉伸測試結(jié)果，通過計(jì)算可得抗拉強(qiáng)度、斷面收縮率的方差分析結(jié)果，分別見表3和表4。

抗拉強(qiáng)度的方差分析結(jié)果 (表3)表明，在確定的水平下，因素C(變形量)影響顯著，因素B(應(yīng)變速率)影響顯著性次之，因素A(坯料加熱溫度)影響顯著性不明顯。

表1 擬水平正交表Table 1 Imitating-level orthogonal test list

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal test

表3 抗拉強(qiáng)度的方差分析Table 3 Variance analysis results of tensile strength

斷面收縮率的方差分析結(jié)果 (表4)表明，因素A和因素B的影響同樣最顯著，而因素C影響顯著。綜合上述方差分析的結(jié)果，確定TA7熱變形的最優(yōu)方案為A4B2C3，即坯料加熱溫度1040℃，應(yīng)變速率0.05 s－1，變形量50%。

圖2 兩種匹配參數(shù)變形后TA7鈦合金試樣的組織Fig.2 Microstructure of TA7 titanium alloy sample after deformation with two sets of matched parameters

表4 斷面收縮率的方差分析Table 4 Variance analysis results of reduction rate at cross section

從圖2a和圖2b的對比可以看出，變形時(shí)的應(yīng)變速率相同，而變形溫度升高后，顯微組織中的初生α明顯長大，這時(shí)大變形導(dǎo)致的晶格畸變能的增加又促使細(xì)小的再結(jié)晶α顆粒生成，最終形成典型的雙套組織［4］，此試樣的抗拉強(qiáng)度為947.5 MPa，斷面收縮率為37.3%。而在較低的溫度小變形時(shí)，因沒有足夠的能量使得少量的再結(jié)晶顆粒長大，破碎的顆粒和再結(jié)晶出的顆粒很難分清，初生α長大成為小概率事件，所以α顆粒的大小較均勻，試樣的抗拉強(qiáng)度962.5 MPa，斷面收縮率43.5%，均比具有雙套組織的試樣的指標(biāo)稍高，說明TA7鈦合金在相變點(diǎn)上下溫度，區(qū)間鍛造對室溫拉伸性能影響不大。在此實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，采用相對較高的應(yīng)變速率在相變點(diǎn)下溫度區(qū)間變形時(shí)對提高塑性是有利的，但強(qiáng)度略有降低。相反，以較低應(yīng)變速率在相變點(diǎn)下溫度區(qū)間變形的試樣有較好的綜合性能。

顯微組織不同，必然引起拉伸試樣斷口形貌的差異。對比相同應(yīng)變速率和變形量，而變形溫度不同的試樣的斷口宏、微觀形貌可以看出，變形溫度低的試樣因?yàn)棣令w粒的大小相差不大，拉伸斷面 (圖3a)有明顯的裂紋源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和剪切唇;微觀形貌可以看到許多尺寸相差不大的韌窩，少數(shù)稍大的韌窩較深，韌窩與韌窩之間的的撕裂峰比較明顯，說明材料經(jīng)過了較長時(shí)間的塑性變形，是典型性的韌性斷口。而變形溫度高的試樣，拉伸斷口 (圖3b)沒有明顯的纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切區(qū)，但斷口表面高低不平，這是由于雙套組織中初生α顆粒較大造成的;微觀形貌呈現(xiàn)明顯的魚鱗狀，說明拉伸時(shí)斷裂發(fā)生在原子密排面，也說明在較高溫度下以低的應(yīng)變速率變形時(shí)將獲得大顆粒較多的雙套組織。

圖3 不同參數(shù)變形的試樣的拉伸斷口形貌Fig.3 Features of sample stretched fracture surface of deformation with different parameters

對比鍛造溫度和變形量相同而應(yīng)變速率不同時(shí)的試樣拉伸斷口宏、微觀形貌可以看出，以較高的應(yīng)變速率變形的試樣的拉伸宏觀斷口較平直，也有明顯的放射區(qū);從微觀形貌可以看到韌窩很淺且底部平坦 (圖3c)，屬混合斷裂特征。說明應(yīng)變速率的增大，變形過程中發(fā)生的再結(jié)晶顆粒來不及長大，被破碎的初生α顆粒也缺乏長大的能量，在大顆粒的端部還可以看到幾個(gè)不規(guī)則形狀小顆粒拉脫后的痕跡，說明在高于相變點(diǎn)溫度以高的應(yīng)變速率變形時(shí)將獲得小顆粒較多的雙套組織。

3 結(jié)論

(1) 在 980℃ ～1040℃、0.001 ～0.05s－1和30%～50%范圍內(nèi)對TA7鈦合金擬水平正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及方差分析結(jié)果表明，獲得較優(yōu)匹配的拉伸性能的工藝參數(shù)組合為:坯料加熱溫度1040℃，應(yīng)變速率0.05 s－1，變形量50%。

(2)TA7鈦合金在高于相變點(diǎn)溫度始鍛易獲得尺寸稍大的初生α和尺寸小的再結(jié)晶α混合的雙套組織，斷口形貌表明具有這種組織的試樣在拉伸時(shí)α顆粒易在原子密排面被拉脫。

［1］ 李成功，馬濟(jì)民，鄧炬．中國材料工程大典，第四卷有色金屬材料工程 (上) ［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005，523－527．

［2］ 孫紅蘭，姚澤坤等．TA7鈦合金不同鐓粗條件下的缺陷形成的研究 ［J］．熱加工工藝，2011，(3):81－83．

［3］ 《有色金屬及其熱處理》編寫組．有色金屬及其熱處理［M］．北京:國防工業(yè)出版社，1981:287－296．

［4］ 王韋其，周婭莉，改善TA7合金鍛件低倍組織與高溫性能的研究 ［J］．稀有金屬，1997，(21):188－190．