一種新型近α鈦合金鍛造工藝的優(yōu)化

張 智，李 維，廖 強，侯 鵬，吳 華，張曉東

（西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710201）

0 引言

鈦合金以其密度小、比強度高、低溫及高溫力學(xué)性能優(yōu)良、耐蝕、可焊性好等特點而成為航空航天領(lǐng)域一種重要的結(jié)構(gòu)材料。隨著我國航空航天事業(yè)的快速發(fā)展，航空航天專用結(jié)構(gòu)對鈦合金力學(xué)性能的要求也越來越高［1－3］。Ti-Al-Zr-Mo鈦合金就是適用于現(xiàn)階段航空航天工程需要的新型近α鈦合金。由于該合金為近α型鈦合金，強化熱處理工藝對改善合金性能效果不是很不明顯［4］。因此，通過研究鍛造工藝對合金的組織和性能的影響，得出最優(yōu)化的鍛造工藝顯得尤為必要。本文深入研究分析了不同變形溫度及不同變形量對此鈦合金組織與性能的影響，為制定該合金的鍛造工藝、獲得良好的組織性能提供理論與實踐方面的依據(jù)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗用鑄錠采用三次真空自耗電弧爐熔煉，表1為鑄錠雜質(zhì)成分。

表1 鑄錠雜質(zhì)成分（質(zhì)量分數(shù)）%

由表1鑄錠雜質(zhì)成分可以看出，合金已達到EIL（低間隙）級，該合金相變點經(jīng)金相法測得為930℃。

1.2 試驗方法

鑄錠經(jīng)過開坯鍛造后，改鍛至Ф180×L，并鋸切4等分Ф180×200試樣，試樣標(biāo)識為A，B，C，D，并進行如表2所示的鍛造工藝。

表2中，均勻化處理是指試樣先經(jīng)過在β相加熱保溫后進行水冷處理。所有試樣均在50%變形量下做鐓粗拔長，待鍛造工藝結(jié)束后，觀察其低倍組織，并取拉伸試樣，試樣經(jīng)750℃/1h空冷退火處理后，測試其室溫力學(xué)性能，并觀察高倍金相顯微組織。

表2 試樣鍛造工藝

室溫拉伸試驗按照GB/T228－2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》的標(biāo)準(zhǔn)在Instron 1185電子萬能試驗機上進行，金相分析在OLYMPUS PMG3光學(xué)顯微鏡上進行。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 鍛造工藝對低倍組織的影響

圖1為經(jīng)過不同鍛造工藝后合金的低倍金相組織，圖1中的（a）、（b）、（c）、（d）依次為A，B，C，D 4個試樣的低倍組織。圖1中的（a）和（b）為900℃變形溫度下的低倍組織，從中可以發(fā)現(xiàn)，960℃的變形溫度下合金組織呈清晰晶，有些晶粒還有完整的晶界，且晶粒粗大，用肉眼可見，且組織不均勻；而圖1中的（c）和（d）為920℃變形溫度下的低倍組織，其表現(xiàn)為模糊晶，且組織較細小、均勻。從圖1中的（c）和（d）中還可以觀察到棒材R/2處至R/3處低倍組織相對棒材心部及邊部較細小，因此，在該處取試樣進一步分析其高倍金相組織和力學(xué)性能。

2.2 鍛造工藝對高倍組織的影響

圖2為經(jīng)過不同鍛造制度后合金的高倍金相組織。圖2（a）和圖2（b）為相變點之上的變形，從試樣金相照片上可以清楚地看到?jīng)]有完全破碎的晶界α，且晶界α連續(xù)，雖然經(jīng)過變形破碎，但只有晶界處組織被破碎，而晶內(nèi)組織未被破碎呈魏氏組織，且有一定的取向性。圖2（c）為經(jīng)過在兩相區(qū)大變形量鍛造后的組織，由于其原始組織經(jīng)過均勻化處理，較細小，原始片層組織厚度較薄，易于破碎球化，經(jīng)過大變形量鍛造后，原始片層組織已經(jīng)基本上轉(zhuǎn)化為等軸組織，球化程度高。而圖2（d）由于未經(jīng)過β相區(qū)均勻化處理，原始組織較粗大，且厚度較厚，雖然經(jīng)過鍛造處理，但其組織沒有完全球化，組織有一定的取向性。

圖1 不同鍛造制度試樣低倍組織

2.3 鍛造工藝對室溫力學(xué)性能的影響

圖3為不同鍛造制度的試樣力學(xué)性能。從圖3中可以看出，920℃變形溫度合金的力學(xué)性能明顯比960℃變形溫度的要強，而在同一變形溫度下，經(jīng)過均勻化處理的性能要強于沒有經(jīng)過均勻化處理的。這是由于魏氏組織呈規(guī)則片層組織，各向異性差，強度和塑性相比等軸組織要差。而由于經(jīng)過均勻化處理的組織較均勻，片層組織較薄，易于破碎，變形后等軸化相對較好，組織相對均勻，力學(xué)性能要強于沒有經(jīng)過均勻化處理的組織。在室溫下，合金的強度隨著等軸組織的變化而變化，等軸組織含量高，合金的強度高；等軸組織含量低，相對來說強度就降低一些；而片狀組織的強度最低。這種變化符合一般的強度變化規(guī)律。

圖2 不同鍛造制度試樣高倍金相組織

圖3 不同鍛造制度試樣力學(xué)性能

3 結(jié)論

（1）對于此種合金，920℃變形后，合金的力學(xué)性能要優(yōu)于960℃變形后的性能。

（2）合金鍛造之前，先進行β相區(qū)均勻化處理，合金組織可以更容易破碎，且組織均勻、細小。

（3）經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過β相區(qū)均勻化處理，在920℃溫度下鍛造后合金的組織及性能達到最佳匹配。

［1］王金友，葛志明，周邦彥.航空用鈦合金 ［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985.

［2］張喜燕，趙永慶，白晨光.鈦合金及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［3］顏鳴皋，吳學(xué)仁，朱知壽.航空材料技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］，航空制造技術(shù)，2003（12）：19-25.

［4］《鍛壓技術(shù)手冊》編委會.鍛壓技術(shù)手冊（上冊）［M］.北京：國防工業(yè)出版，1989.