細晶TA15鈦合金板材制備工藝及其超塑性研究

張永強，毛小南，潘 浩，郭 萍，侯紅苗，賈蔚菊，趙恒章

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

0 引 言

超塑成形/擴散連接(SPF/DB)技術(shù)以其獨特的優(yōu)越性已經(jīng)迅速發(fā)展成為世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的鈦合金先進成形技術(shù)，作為航空航天領(lǐng)域大型整體復(fù)雜板材構(gòu)件成形的關(guān)鍵技術(shù)之一，對結(jié)構(gòu)減重有著舉足輕重的作用[1-2]。而細晶鈦合金板材的質(zhì)量是決定SPF/DB鈦合金零件能否成熟應(yīng)用的關(guān)鍵，細晶板材制備技術(shù)也是國際上最受關(guān)注的鈦合金加工前沿技術(shù)，目前能夠穩(wěn)定批量生產(chǎn)寬幅超塑性鈦合金板材的國家僅有美國和俄羅斯。TA15鈦合金具有較好的加工性能，良好的綜合力學(xué)性能以及工藝性能，與TC4鈦合金相比，有著較高的強度和較好的焊接性能，主要應(yīng)用于發(fā)動機的葉片、機匣，飛機機身的鈑金件、梁、接頭、大型壁板、焊接承力框等[3]。近年來，隨著超塑成形工藝的發(fā)展，TA15鈦合金超塑性板材已經(jīng)用于制備四層結(jié)構(gòu)翼面、承力壁板等關(guān)鍵零部件[4]。但是目前國內(nèi)制備的細晶TA15鈦合金板材的晶粒度以及各向異性控制水平還相對較差。這主要是由于超塑成形工藝的穩(wěn)定性難以控制，導(dǎo)致超塑成形零部件的性能極不穩(wěn)定，且成品率較低，極大限制了細晶鈦合金板材的廣泛應(yīng)用。

為此，對細晶TA15鈦合金板材的制備工藝進行研究，分析由不同制備工藝得到的板材的顯微組織和力學(xué)性能，以期為TA15鈦合金超塑性板材的成熟應(yīng)用奠定工藝技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實 驗

實驗以TA15鈦合金板坯為原料，相變溫度為990 ℃，化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))為Al 6.66%，Mo 1.66%，V 2.20%，Zr 2.08%，余量為Ti。首先將板坯在2 800 mm四輥可逆熱軋機上進行兩火次熱軋，得到厚度為20 mm的半成品板坯，兩火次的變形量分別為71%和69%。再對其中一部分半成品板坯進行β淬火，另一部分不作處理。然后對2種半成品板坯分別進行單向軋制和換向軋制，得到4 mm厚半成品板坯，之后進行包覆疊軋，并經(jīng)退火及表面處理后，得到尺寸為1.2 mm×1 200 mm×2 500 mm的寬幅TA15鈦合金板材。板材的具體制備方案如表1所示。

表1 TA15鈦合金板材的制備方案

用OLYMPUS-PMG3光學(xué)顯微鏡對板材分別進行T向和L向的顯微組織觀察。用微機控制電子萬能試驗機對板材T向和L向的室溫拉伸性能進行測試。選擇顯微組織最為均勻細小的板材進行超塑性拉伸試驗，試驗設(shè)備為國產(chǎn)CSS-11100非恒定應(yīng)變速率電子拉伸試驗機，采用電阻爐加熱，通過連接在爐內(nèi)加熱區(qū)上、中、下3個位置的3根熱電偶測量溫度，并精確控制爐溫(誤差不超過±3 ℃)。超塑性能測試按照GB/T 24172—2009標準執(zhí)行，試樣尺寸如圖1所示。由于板材厚度尺寸較小，容易在拉伸固定孔處變形，導(dǎo)致板材拉伸試驗失敗，故在板材樣品兩端部雙面點焊加固板。焊接后按照圖示尺寸鉆孔，以保證拉伸固定孔對準。由于鈦合金在熱變形時容易產(chǎn)生氧化層，影響試驗結(jié)果，故拉伸試驗前在試樣表面涂覆玻璃潤滑劑。選擇850、885、920 ℃ 3個溫度，0.001、0.01 s-12個初始應(yīng)變速率進行超塑性拉伸試驗。

圖1 超塑性拉伸試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of the superplastic tensile specimen

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

不同工藝制備的TA15鈦合金板材T向和L向的顯微組織如圖2所示。分別比較由工藝A、C及B、D制備的板材T向和L向的顯微組織，研究β淬火對板材顯微組織的影響。可以發(fā)現(xiàn)，增加β淬火工藝后，板材的顯微組織較為均勻，且晶粒尺寸較小。β淬火工藝包括2個主要過程，首先將板材加熱至相變溫度以上并保溫，由于前序軋制火次中，板材積累了變形能，次生α相粗化及球化，發(fā)生靜態(tài)再結(jié)晶，實現(xiàn)將板材未充分變形的組織在高溫環(huán)境中均勻化的目的；之后將板材水冷，析出過飽和馬氏體，在后續(xù)軋制工序中，馬氏體在大變形量變形中斷裂并球化，實現(xiàn)組織細化的目的[5]。

分別比較工藝方案A、B及C、D制備的板材T向和L向的顯微組織，研究換向軋制對TA15鈦合金板材顯微組織的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，單向軋制的板材橫縱向顯微組織差異較大，各向異性較為明顯；換向軋制后，板材橫縱向顯微組織差異較小。采用單向軋制時，板材在軋制過程中方向不發(fā)生變化，晶粒在軋制過程中沿一個方向變形，導(dǎo)致橫縱向顯微組織差異較大，板材加工流線明顯，板材表面沿軋制方向會產(chǎn)生“條絨溝”。采用換向軋制能夠顯著減小橫向和縱向變形量的差距，使晶粒得到比較均勻的變形，改善板材因單方向變形量較大軋制形成的織構(gòu)、加工流線等不利于均勻性的組織缺陷，組織均勻性高。

圖2 不同工藝制備的TA15鈦合金板材的橫縱向顯微組織Fig.2 Microstructures of TA15 titanium alloy sheets prepared by different processes：(a)process A-L;(b)process A-T; (c)process B-L;(d)process B-T;(e)process C-L;(f)process C-T;(g)process D-L;(h)process D-T

2.2 室溫性能

對4種不同工藝制備的TA15鈦合金板材進行室溫力學(xué)性能測試，結(jié)果見表2。從測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：由工藝A制備的板材室溫拉伸強度較低，且橫縱向性能差距較大；由工藝B、C制備的板材強度相對于工藝A的強度較高，橫縱向性能差異有所改善；由工藝D制備的板材強度最高，并且橫縱向性能差異最小。

表2 不同工藝制備的TA15鈦合金板材的室溫力學(xué)性能

結(jié)合圖2可知，由工藝D制備的TA15鈦合金板材的晶粒尺寸最小，顯微組織最為均勻，故晶粒細化可以提高板材的拉伸強度。而其他工藝制備的板材由于組織較為粗大，且均勻性較差，強度也較低。

此外，β淬火和換向軋制都可以提高板材顯微組織的均勻性，所以工藝B、C制備的板材強度相對于工藝A的橫縱向力學(xué)性能差異較小，工藝D制備的板材橫縱向性能差異最小。

2.3 超塑性能

對工藝D制備的TA15鈦合金板材進行L向超塑性拉伸試驗，試驗后的試樣如圖3所示。從圖中可以看出，不同拉伸條件下，板材均具有超塑性，說明采用工藝D制備的板材滿足超塑成形制備的基本要求。對拉伸試樣的延伸率進行計算，結(jié)果如表3所示。從計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在850 ℃試驗溫度下，試樣的延伸率可達1 311%，說明在較低試驗溫度下，板材依然擁有較為優(yōu)異的超塑性能。在850～920 ℃范圍內(nèi)，應(yīng)變速率為0.01 s-1時，試樣的延伸率可達1 100%，說明在較高應(yīng)變速率下，板材依然有較好的超塑性能。

圖3 超塑性拉伸試驗后試樣的照片F(xiàn)ig.3 Photos of specimens after the superplastic tensile test

Temperature/℃A/%0 01s-10 001s-185021713118851100789920211744

此外，從拉伸試驗數(shù)據(jù)還可以看出，試樣的超塑性能對拉伸溫度和拉伸應(yīng)變速率均較為敏感。不同的應(yīng)變速率下，溫度對超塑性能的影響規(guī)律不同。在應(yīng)變速率為0.01 s-1時，隨著溫度的升高，超塑性拉伸延伸率呈先升后降的趨勢，885 ℃時，超塑性拉伸延伸率達到峰值。在應(yīng)變速率為0.001 s-1時，隨著溫度升高，超塑性拉伸延伸率呈下降趨勢。

板材超塑性拉伸過程中，一方面，隨著溫度升高，應(yīng)變激活能增加，晶界滑移較為容易，導(dǎo)致延伸率升高；另一方面，溫度的升高會導(dǎo)致晶粒長大，晶界滑移所需應(yīng)變能增加，晶界滑移率較低，導(dǎo)致延伸率降低。這兩方面的共同作用使得在不同應(yīng)變速率下溫度對超塑性能的影響規(guī)律不同。當應(yīng)變速率為0.01 s-1時，由于超塑性拉伸速率相對較快，在溫度小于920 ℃時，溫度升高導(dǎo)致的晶粒長大效果較不明顯，晶界滑移占主導(dǎo)作用，所以延伸率升高；當溫度升高至920 ℃時，溫度接近再結(jié)晶終了溫度，晶粒長大占主導(dǎo)作用，導(dǎo)致延伸率降低。當應(yīng)變速率為0.001 s-1時，由于超塑性拉伸速率相對較慢，晶界滑移較為緩慢，但是拉伸時間很長，晶粒在長時間高溫作用下逐漸長大，所以，晶粒長大占主導(dǎo)作用，導(dǎo)致延伸率降低。

不同應(yīng)變速率下材料超塑性拉伸的延伸率峰值不同，當應(yīng)變速率較低時，超塑性拉伸延伸率的峰值溫度大大降低，這對于超塑成形工藝參數(shù)的設(shè)計具有重要的參考意義。在實際生產(chǎn)中，可以通過降低應(yīng)變速率的方式，降低超塑成形溫度，從而大大降低模具費用，減少零件過熱風(fēng)險，縮短加工周期，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

3 結(jié) 論

(1)增加β淬火工藝，可以提高TA15鈦合金板材顯微組織的均勻性，細化晶粒尺寸，提高板材的室溫拉伸強度。

(2)采用換向軋制工藝，能夠顯著減小TA15鈦合金板材橫縱向組織差異，提高組織均勻性，使板材橫縱向性能差異減小。

(3)由工藝D制備的TA15鈦合金板材在850～920 ℃、0.001～0.01 s-1的超塑性拉伸試驗條件下，板材具有超塑性。而且在較低溫度(850 ℃)或較高應(yīng)變速率(0.01 s-1)條件下，板材依然有較好的超塑性能。

(4)TA15鈦合金板材試樣的超塑性能對拉伸溫度和拉伸應(yīng)變速率均較為敏感。不同的應(yīng)變速率下，溫度對超塑性能的影響規(guī)律不同。

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