變形量對(duì)TC18鈦合金力學(xué)性能的影響

沙愛(ài)學(xué)，李興無(wú)，王慶如

（北京航空材料研究院，北京100095）

TC18鈦合金名稱(chēng)成分是Ti－5Al－5Mo－5V－1Cr－1Fe，按名稱(chēng)成分計(jì)算的Mo當(dāng)量為12.8，是典型的近β型鈦合金。該合金具有良好的熱加工性、焊接性、淬透性和可熱處理強(qiáng)化性［1－4］。TC18鈦合金退火后的強(qiáng)度與TC4，TC6等鈦合金固溶時(shí)效狀態(tài)下的強(qiáng)度相當(dāng)，在1080MPa以上，是退火狀態(tài)下強(qiáng)度最高的鈦合金［5］。TC18鈦合金在國(guó)內(nèi)外多個(gè)型號(hào)的飛機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用，被用于制造機(jī)身、起落架等部位的大型重要承力構(gòu)件，滿(mǎn)足了先進(jìn)航空飛行器對(duì)結(jié)構(gòu)減重的迫切需要。

影響TC18鈦合金（模）鍛件力學(xué)性能和顯微組織的鍛造工藝參數(shù)主要包括鍛造前加熱溫度、保溫時(shí)間、變形量、應(yīng)變速率等［6－11］。文獻(xiàn)［12－14］中詳細(xì)介紹了加熱溫度、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)TC18鈦合金力學(xué)性能和顯微組織的影響，但關(guān)于變形量與該合金力學(xué)性能關(guān)系的研究還鮮見(jiàn)報(bào)導(dǎo)，其中的一個(gè)重要原因是采用傳統(tǒng)鐓餅實(shí)驗(yàn)獲得的鍛件低倍組織不均勻、性能數(shù)據(jù)分散性大，很難建立變形量與鍛件力學(xué)性能的定量關(guān)系。本工作采用一種專(zhuān)門(mén)用于鈦合金鍛造工藝參數(shù)定量研究的專(zhuān)利技術(shù)［15］，較為系統(tǒng)地研究了（區(qū)變形量對(duì)TC18鈦合金顯微組織和關(guān)鍵力學(xué)性能的影響，建立了變形量與TC18鈦合金關(guān)鍵力學(xué)性能的定量關(guān)系，研究結(jié)果對(duì)制定TC18鈦合金大型模鍛件生產(chǎn)工藝具有重要的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

原材料為T(mén)C18鈦合金φ170mm棒材，爐號(hào)為548－20070088，棒材顯微組織如圖1所示，為典型的等軸組織。原材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）為：Al 5.5，Mo 5.18，V 4.95，Cr 0.98，F(xiàn)e 0.98，C 0.01，N 0.0046，H 0.0039，O 0.1，其余為T(mén)i，相變點(diǎn) Tβ＝880℃。將改鍛后的坯料放在具有專(zhuān)利技術(shù)的專(zhuān)用模具內(nèi)一次成形獲得3個(gè)變形量，分別為10%，35%和65%。模鍛前加熱溫度為T(mén)β＋25℃，鍛后按統(tǒng)一的雙重退火制度對(duì)模鍛件進(jìn)行熱處理：825℃，2h，爐冷至750℃，2h，AC＋620℃，4h，AC。熱處理后從鍛件上切取坯料并加工成d0＝5mm，L0＝25mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。拉伸實(shí)驗(yàn)在Instron－4507型萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，屈服前應(yīng)變速率為0.00025～0.0025s－1，測(cè)定試樣的σb，σ0.2，δ5和ψ 。對(duì)拉斷試樣螺紋根部（未變形區(qū)）進(jìn)行顯微組織SEM相分析，取樣方向?yàn)闄M向。SEM相分析在JSM－5800型掃描電鏡上進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1 TC18鈦合金φ170mm棒材顯微組織Fig.1 Microstructure of TC18alloy bar ofφ170mm

表1給出了不同變形量下TC18鈦合金模鍛件主要力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。由表可見(jiàn)，變形量對(duì)合金強(qiáng)度影響不大，主要是影響合金塑性和斷裂韌度。變形量與TC18鈦合金伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和斷裂韌度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，在選定的實(shí)驗(yàn)溫度下，變形量與伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和斷裂韌度均呈良好的線(xiàn)性關(guān)系：變形量ε每增加10%，伸長(zhǎng)率提高0.7%左右；斷面收縮率提高4%左右；斷裂韌度下降3MPa·m1／2左右，通過(guò)控制變形量可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)整TC18鈦合金的塑性和韌性。

表1 不同變形量下TC18鈦合金鍛件主要力學(xué)性能Table1 Mechanical properties of TC18alloy under different deforming amount

圖2 TC18鈦合金β區(qū)變形量與關(guān)鍵力學(xué)性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系（a）ε和δ5之間關(guān)系；（b）ε和ψ之間關(guān)系；（c）ε和KIC之間關(guān)系Fig.2 Mechanical properties of TC18alloy under different deforming amount when forged inβfield（a）relationship betweenεandδ5；（b）relationship betweenεandψ；（c）relationship betweenεand KIC

圖3給出了三種典型變形量下的顯微組織照片。由圖3（a）可見(jiàn)，由于變形量小，屬臨界變形量范圍，顯微組織中保留了較多的晶界平直α相，對(duì)應(yīng)合金塑性偏低；由圖3（b）可見(jiàn)，變形量達(dá)到35%時(shí)，原始β晶粒得到了充分破碎，晶界α相變得曲折斷續(xù)，此時(shí)合金塑性與斷裂韌度匹配較好；由圖3（c）可見(jiàn)，變形量達(dá)到65%時(shí)，原始β晶粒沿變形方向被明顯拉長(zhǎng)，部分原始β晶粒發(fā)生了再結(jié)晶，不難預(yù)見(jiàn)這種組織有良好的塑性。由圖2還可以看出，變形量主要影響原始β晶粒尺寸和晶界α相形態(tài)，對(duì)晶內(nèi)α相形態(tài)影響不大。由于是單相區(qū)變形，晶內(nèi)α相均呈短片狀。

圖3 TC18鈦合金不同β區(qū)變形量下的顯微組織（a）ε＝10%；（b）ε＝35%；（c）ε＝65%Fig.3 Microstructures of TC18alloy under different deforming amount when forged inβfield（a）ε＝10%；（b）ε＝35%；（c）ε＝65%

3 討論

以往研究鈦合金鍛造工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法主要有3種：（1）熱模擬實(shí)驗(yàn) 熱模擬是研究各類(lèi)金屬在不同變形條件下應(yīng)力－應(yīng)變行為的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)方法。通過(guò)設(shè)定不同的加熱溫度、應(yīng)變速率、變形量等工藝參數(shù)，可獲得金屬在拉伸或壓縮過(guò)程中的應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)。但由于熱模擬試樣尺寸小，熱模擬后通常只能進(jìn)行顯微組織和硬度分析，無(wú)法切取拉伸、沖擊、斷裂等力學(xué)性能試樣，因此不能有效建立起“工藝－組織－性能”三者對(duì)應(yīng)關(guān)系。（2）鐓餅實(shí)驗(yàn) 鐓餅實(shí)驗(yàn)是最常用的研究鍛造參數(shù)與鍛件力學(xué)性能關(guān)系的實(shí)驗(yàn)方法。在對(duì)新合金進(jìn)行鍛造工藝研究或?qū)σ延泻辖疬M(jìn)行工藝優(yōu)化時(shí)，通常采用該方法。鐓餅實(shí)驗(yàn)方法的要點(diǎn)是：先切取同樣大小的實(shí)驗(yàn)坯料，然后按不同的工藝對(duì)坯料進(jìn)行鐓粗變形，通過(guò)從餅坯上切取力學(xué)性能試樣建立起“工藝－組織－性能”對(duì)應(yīng)關(guān)系。但鐓粗變形存在明顯的區(qū)域不均勻性，在餅坯截面上同時(shí)存在變形死區(qū)、大變形區(qū)及自由變形區(qū)，不同區(qū)域上組織性能都有很大差異。取樣位置不當(dāng)很容易造成力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果分散性大，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)`導(dǎo)模鍛工藝制定。（3）模鍛實(shí)驗(yàn)該方法是直接采用現(xiàn)成的模具來(lái)研究鍛造工藝參數(shù)對(duì)鍛件性能的影響。這種方法得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠代表合金在不同鍛造工藝下的真實(shí)性能水平，但由于飛機(jī)上的鍛件多為高筋薄壁結(jié)構(gòu)形式，變形量很難精確計(jì)算，因此無(wú)法定量研究變形量對(duì)鍛件力學(xué)性能的影響。

本工作采用新的實(shí)驗(yàn)方法研究了模鍛變形量在10%～65%范圍內(nèi)變化時(shí)TC18鈦合金力學(xué)性能的變化規(guī)律，獲得了規(guī)律性很強(qiáng)的研究結(jié)果。從研究結(jié)果看，合金強(qiáng)度隨變形量變化不大，均在1150MPa左右，因此想通過(guò)增加模鍛變形量來(lái)提高合金強(qiáng)度是比較困難的。這可能是因?yàn)閷?duì)于TC18鈦合金而言，其抗拉強(qiáng)度主要通過(guò)熱處理過(guò)程中從亞穩(wěn)定β相中析出細(xì)小彌散的次生α相來(lái)保證，前期研究結(jié)果表明，第二級(jí)退火每降低10℃，TC18鈦合金抗拉強(qiáng)度可提高20MPa左右。

模鍛變形量對(duì)合金的塑性和斷裂韌度有顯著影響，但二者隨變形量的變化規(guī)律是相反的。要想提高合金的伸長(zhǎng)率和斷面收縮率應(yīng)盡量增加模鍛時(shí)的變形量，使原始β晶粒得到充分破碎，晶界α相曲折斷續(xù)分布；要想提高合金的斷裂韌度應(yīng)盡量減少模鍛時(shí)的變形量，保留較多的晶界平直α相，增加裂紋在基體中擴(kuò)展時(shí)路徑的曲折程度。要想獲得塑性與斷裂韌度的合理匹配，將模鍛時(shí)單相區(qū)變形量控制在35%左右是比較合理的，此時(shí)TC18鈦合金抗拉強(qiáng)度σb可達(dá)到1155MPa，伸長(zhǎng)率δ5可達(dá)到14.4%，斷面收縮率ψ可達(dá)到35.4%，斷裂韌度KIC（T－L向）可達(dá)到90.41MPa·m1／2。

4 結(jié)論

（1）模鍛時(shí)β區(qū)變形量對(duì)TC18鈦合金抗拉強(qiáng)度影響不大，但對(duì)塑性和韌性指標(biāo)有顯著影響。

（2）變形量每增加10%，伸長(zhǎng)率可提高0.7%左右，斷面收縮率提高4%左右，斷裂韌度下降3MPa·m1／2左右。

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