變截面TA15鈦合金大鍛件初生α相控制與定量估算方法

張旺峰，王玉會，李興無

(北京航空材料研究院, 北京 100095)

鈦合金按照組織形態(tài)可分為等軸、片狀(包括魏氏、網(wǎng)籃)、雙態(tài)組織，其中雙態(tài)組織鈦合金具有較高的室溫、高溫性能及損傷容限性能，綜合性能優(yōu)良[1-3]。雙態(tài)組織是在β轉(zhuǎn)變組織的基體上分布著一定數(shù)量的等軸初生α相，且含量不超過50%(體積分數(shù))。初生α相含量不僅會影響β晶粒尺寸(D)、及α集束尺寸(d)，還會通過改變以上組織特征參數(shù)直接影響力學(xué)性能[4-5]，因此控制初生α相含量對于改善鈦合金的力學(xué)性能具有重要意義。目前，已有學(xué)者對初生α相的形成過程和機制進行了研究[6-9]，但關(guān)于實際鍛造中，工藝參量如何影響鈦合金初生α相含量，進而影響力學(xué)性能的研究鮮有報道，這項研究工作則更具工程價值。

鈦合金鍛件制造過程中，鍛造工藝的選擇主要是依據(jù)水淬金相法得到的相變點，這種通過溫度單因素方法制定的工藝在制造中小規(guī)格鍛件時是可行的，但隨著鍛件尺寸、質(zhì)量以及形狀復(fù)雜程度的增加(如截面多變、厚薄不一等)，如果仍按單因素方法制訂工藝，可能會產(chǎn)生很大誤差。鍛造過程中加熱溫度、冷卻方式、鍛造火次等都會對初生α相含量產(chǎn)生影響，進而影響合金性能。本研究主要針對TA15鈦合金大型復(fù)雜鍛件制備過程中初生α相含量對其室溫和高溫拉伸性能的影響以及熱加工工藝參數(shù)對初生α相含量的影響等進行研究，以便為控制初生α相含量提供依據(jù)，指導(dǎo)TA15鈦合金鍛件的生產(chǎn)。

1 實 驗

實驗材料為某航空用變截面TA15鈦合金鍛件，其化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為:Al 6.66，Mo 1.74，V 2.25，Zr 2.11，N 0.007，O 0.098，H 0.003 4，余量為Ti。合金α+β→β相變點為990 ℃。

TA15鈦合金鍛件分別加熱到940、950、960、970、980、985 ℃，以空冷(AC)、水淬(WQ)、爐冷(FC)3種方式冷卻，得到不同初生α相含量的鍛件。從鍛件上截取金相試樣和拉伸試樣，分析初生α相含量與鍛件加熱溫度、冷卻方式及拉伸強度的關(guān)系。將多截面鍛件加熱到970 ℃，以空冷方式冷卻，從不同截面厚度(36、120、196 mm)處截取拉伸試樣和金相試樣，研究截面厚度對初生α相的影響。對鍛件進行2～14多火次加熱，截取金相試樣，分析加熱火次對初生α相含量的影響。

采用Instron-4507試驗機進行室溫和高溫拉伸性能測試。采用Leica金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織，用顯微鏡配備的圖像處理軟件測量初生α相含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 初生α相含量對拉伸強度的影響

選取經(jīng)不同溫度鍛造后得到初生α相含量不同的試樣，測量其室溫和500 ℃高溫拉伸強度，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，隨著初生α相含量的增加，TA15鈦合金室溫拉伸強度增大，高溫拉伸強度下降。即增加初生α相含量，可提高室溫拉伸強度，但不利于500 ℃高溫拉伸強度。根據(jù)初生α相含量與室溫和500 ℃高溫拉伸強度的關(guān)系，可以相互推斷結(jié)果，即根據(jù)組織中初生α相的含量，可大致推算出其拉伸強度，反之亦然。

為便于估算，按線性關(guān)系擬合，得到TA15鈦合金室溫強度與初生α相含量的關(guān)系式:

Rm=918+0.5αp

(1)

500 ℃高溫拉伸強度與初生α相含量的關(guān)系式:

Rm=675-0.99αp

(2)

式中:αp為初生α相體積分數(shù)，%；線性相關(guān)系數(shù)均在0.99以上。

從以上簡單的定量關(guān)系可知，初生α相含量增加，TA15鈦合金鍛件的室溫拉伸強度亦增加，但500 ℃高溫拉伸強度降低。

圖1 TA15鈦合金鍛件初生α相含量與室溫、500 ℃ 高溫拉伸強度的關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curves of primary α phase content and tensile strength of TA15 titanium alloy forging

2.2 初生α相含量的影響因素

2.2.1 加熱溫度對初生α相含量的影響

圖2為TA15鈦合金鍛件初生α相含量隨加熱溫度的變化曲線。由圖2可以看出，隨著加熱溫度的增高，TA15鈦合金鍛件中初生α相含量下降，以WQ曲線為例，按線性關(guān)系估算得到式(3)。

圖2 TA15鈦合金鍛件初生α相含量與 加熱溫度的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves of primary α phase content and heating temperature of TA15 titanium alloy forging

αp=709-0.72T(WQ)

(3)

式中:T為鍛件加熱溫度，范圍為940～985 ℃；線性相關(guān)系數(shù)為0.98。由式(3)可知，鍛件加熱溫度每增高10 ℃，初生α相含量降低7%左右。

2.2.2 冷卻速率對初生α相含量的影響

由圖2可以看出，TA15鈦合金鍛件初生α相含量除與加熱溫度有關(guān)外，還與冷卻方式有關(guān)。以典型的水冷和空冷為例，2種冷卻方式下初生α相含量有明顯差異。簡單按線性關(guān)系估算得到空冷方式下初生α相含量與溫度的關(guān)系式為:

αp=948-0.96T(AC)

(4)

式中：線性相關(guān)系數(shù)為0.95。

圖3為加熱溫度970 ℃時，水冷、空冷、爐冷3種冷卻方式下TA15鈦合金的金相照片。水冷、空冷、爐冷方式下，初生α相含量分別為12.1%、18.7%、83.1%。水冷時，β相來不及通過擴散轉(zhuǎn)變成平衡的α相組織，只有通過β相中原子作集體有規(guī)律的近程遷移，發(fā)生切變，形成過飽和固溶體，即α′，得到的組織為α初+α′。空冷時，冷卻速率較慢，β轉(zhuǎn)變組織得以保存下來，形成等軸的α+β轉(zhuǎn)，次生α相依附于初生α相或晶界生長，初生α相含量大于水冷方式。爐冷時，初生α相含量顯著增加，這是因為970 ℃處于TA15鈦合金兩相區(qū)的上部，冷卻速率足夠慢，使得等軸α相有足夠的能量長大并接觸，次生α相亦充分長大，甚至與初生α相連接在一起，難以分清初生和次生，故α相含量非常高。

由以上分析可知，TA15鈦合金鍛件的冷卻方式對初生α相含量有著顯著影響，在鍛件冷卻時要特別注意控制冷卻速率。

根據(jù)圖2的曲線，可以給出不同冷卻方式初生α相含量的差異，即式(4)減去式(3)可以得到空冷和水冷2種冷卻方式的初生α相含量差。

Δαp=239-0.24T

(5)

圖3 TA15鈦合金鍛件在970 ℃加熱以不同方式冷卻后的金相照片F(xiàn)ig.3 Metallographs of TA15 titanium alloy forgings heated at 970 ℃ and cooled in different ways:(a)WQ; (b)AC; (c)FC

2.2.3 鍛件截面厚度對初生α相的影響

鈦合金的傳熱系數(shù)小，導(dǎo)熱性差，因此鍛件厚度會對冷卻速率產(chǎn)生影響，從而影響初生α相含量。圖4為加熱溫度970 ℃及空冷條件下，不同截面厚度TA15鈦合金鍛件的金相照片。從圖4可以看出，隨著鍛件截面厚度的增大，初生α相含量增加。經(jīng)過測量，鍛件截面厚度分別為36、120、196 mm時，其組織中初生α相的含量依次為32.92%、35.6%、38.51%。

將初生α相含量與鍛件截面厚度繪制曲線，如圖5所示。初生α相含量隨鍛件截面厚度的變化量可按線性關(guān)系擬合得到式(6)。

Δαp=0.035t

(6)

式中：t為鍛件截面厚度，mm；線性相關(guān)系數(shù)為0.98。

2.2.4 加熱火次對初生α相含量的影響

對于大型復(fù)雜模鍛件，需要經(jīng)過多火次鍛造加熱，但對于鍛件的小變形或無變形區(qū)，相當(dāng)于空燒。圖6為TA15鈦合金鍛件初生α相含量隨加熱火次的變化曲線。從圖6可知，初生α相含量隨加熱火次N增加而下降，由2火次的21%下降至14火次的12.4%，降幅達40%。

根據(jù)圖6，以8火次為分界線，將初生α相含量變化大致分為2個階段。將2個階段分別按線性規(guī)律考慮，則8火前初生α相含量按0.45(N-2)線性下降；8火后按0.98(N-8)線性下降，即:

αp=-0.45(N-2) (2≤N≤8)

αp=-0.98(N-8) (N>8)

式中：線性相關(guān)系數(shù)在0.95以上。

圖4 不同截面厚度TA15鈦合金鍛件的金相照片F(xiàn)ig.4 Metallographs of TA15 titanium alloy forgings with different section thickness: (a)36 mm; (b)120 mm; (c)196 mm

圖5 TA15鈦合金鍛件初生α相含量隨截面 厚度的變化曲線Fig.5 Relationship curve of primary α phase content and section thickness of TA15 titanium alloy forging

圖6 TA15鈦合金鍛件初生α相含量隨加熱 火次的變化曲線Fig.6 Relationship curve of primary α phase content and heating times of TA15 titanium alloy forging

根據(jù)上述研究，TA15鈦合金鍛件初生α相含量與鍛造加熱溫度、冷卻方式、鍛件截面厚度、加熱火次等有關(guān)，溫度高、冷卻速率快、鍛件截面薄、加熱火次多，初生α相含量低，反之亦然。因此，對于大型復(fù)雜TA15鈦合金鍛件的制備，在制訂工藝時必須充分考慮各種因素的影響，在了解初生α相含量對性能影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，根據(jù)服役條件，控制初生α相的含量。

將上述工藝參量對初生α相的影響作定量描述，可列為表1。根據(jù)表1可以定量估算初生α相含量，也可根據(jù)初生α相的含量推斷室溫和500 ℃高溫拉伸強度。

表1TA15鈦合金鍛件初生α相含量隨鍛造工藝參量變化的規(guī)律

Table 1 Effect of process parameters on primary α phase content of TA15 titanium alloy forging

綜上所述，可根據(jù)式(4)，即常規(guī)空冷條件推算出TA15鈦合金某一加熱溫度下的初生α相含量，當(dāng)其他參數(shù)變化時，則按照表1估算初生α相含量的增減，然后根據(jù)式(1)和式(2)估算室溫和高溫拉伸強度。

3 結(jié) 論

(1)增加TA15鈦合金的初生α相含量，有利于提高室溫拉伸強度，但不利于500 ℃高溫拉伸強度。

(2)加熱溫度高、冷卻速率快、鍛件截面薄、加熱火次多，初生α相含量低，這些參數(shù)中以加熱溫度的影響最大，并可根據(jù)參數(shù)的變化對初生α相進行定量估算。

(3)利用初生α相含量對TA15鈦合金力學(xué)性能的影響規(guī)律，可以根據(jù)服役性能要求，控制初生α相的含量。